JP2016004952A - Semiconductor device manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特に、トランジスタのゲート絶縁膜が薄い場合でも、1/fノイズを低減できるようにした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, and more particularly to a method for manufacturing a semiconductor device in which 1 / f noise can be reduced even when a gate insulating film of a transistor is thin.
シリコン基板上に形成したMOSFETにおいて、ゲート酸化膜/シリコン基板界面の状態は、MOSFETの1/fノイズ特性を左右する重要なものである。ゲート酸化膜/シリコン基板界面にキャリアトラップが存在すると、それらにキャリアが捕獲及び放出されることで、1/fノイズが増大してしまう。1/fノイズを低減するためには、できるだけキャリアトラップの少ないゲート酸化膜/シリコン基板界面を形成することが求められる。 In a MOSFET formed on a silicon substrate, the state of the gate oxide film / silicon substrate interface is an important factor affecting the 1 / f noise characteristics of the MOSFET. If carrier traps exist at the gate oxide film / silicon substrate interface, carriers are trapped and released by them, and 1 / f noise increases. In order to reduce 1 / f noise, it is required to form a gate oxide film / silicon substrate interface with as few carrier traps as possible.
キャリアトラップの代表的なものとして界面準位がある。界面準位とは、半導体の表面において禁制帯中に発生する準位であり、結晶原子の未結合手(即ち、ダングリングボンド)に起因して発生するものである。この界面準位の発生を抑制するために、特許文献1ではゲート酸化膜を形成した直後(即ち、ゲート酸化膜を形成した後であってゲート電極膜を形成する前)に高温アニールを行うことで、ゲート酸化膜/シリコン基板界面の未結合Si−OボンドをSiO2結合とし、良好な界面特性を得る方法が記載されている。
A typical carrier trap is an interface state. The interface level is a level generated in the forbidden band on the surface of the semiconductor, and is generated due to dangling bonds (ie, dangling bonds) of crystal atoms. In order to suppress the generation of this interface state, in
ところで、特許文献1に記載された製造方法であるゲート酸化膜の形成直後に高温アニールを行う製造方法の場合、1/fノイズの低減効果はゲート酸化膜厚に依存する、ということを本発明者らは見出した。
図9は、本発明者らが行った実験の結果である。
ゲート酸化膜厚が3nmのPMOSFETと、ゲート酸化膜厚が12nmのPMOSFETとについて、ゲート酸化膜の形成直後に行ったアニールの温度と、1/fノイズとの関係をそれぞれ調査した結果を図9に示す。図9の横軸はアニール温度[℃]を示し、縦軸は1/fノイズ係数比[%]を示す。
Incidentally, in the case of a manufacturing method in which high-temperature annealing is performed immediately after formation of a gate oxide film, which is a manufacturing method described in
FIG. 9 shows the results of experiments conducted by the present inventors.
FIG. 9 shows the results of investigating the relationship between the temperature of annealing performed immediately after formation of the gate oxide film and the 1 / f noise for the PMOSFET having a gate oxide film thickness of 3 nm and the PMOSFET having a gate oxide film thickness of 12 nm. Shown in The horizontal axis in FIG. 9 indicates the annealing temperature [° C.], and the vertical axis indicates the 1 / f noise coefficient ratio [%].
なお、この実験では、|Vg|(ゲート電位)=|Vd|(ドレイン電位)=|Vth|(閾値電圧)+0.4V、Vs(ソース電位)=Vsub(基板電位)=0Vの条件で、各PMOSFETに電圧を印加した。1/fノイズは式(1)のように表される。
Svg=Kf/(Cox*W*L*f)…(1)
式(1)において、Svgは電圧換算ノイズ、Kfは1/fノイズ係数、Coxはゲート酸化膜容量、Wはゲート幅、Lはゲート長、fは周波数を表している。ノイズ係数Kfはプロセス条件に依存する。このため、アニール温度毎のKf値をアニール無しのときのKf値と比較して1/fノイズ係数比[%]を算出し、算出した1/fノイズ係数比を各PMOSFET間やアニール温度間で比較することで、1/fノイズを評価した。
In this experiment, | Vg | (gate potential) = | Vd | (drain potential) = | Vth | (threshold voltage) +0.4 V, Vs (source potential) = Vsub (substrate potential) = 0 V, A voltage was applied to each PMOSFET. 1 / f noise is expressed as shown in Equation (1).
S vg = K f / (C ox * W * L * f) (1)
In equation (1), S vg represents voltage conversion noise, K f represents 1 / f noise coefficient, C ox represents gate oxide film capacitance, W represents gate width, L represents gate length, and f represents frequency. Noise factor K f is dependent on the process conditions. Therefore, K compared to the f value to calculate the 1 / f noise coefficient ratio [%], calculated 1 / f noise between the coefficient ratio each PMOSFET and annealing time without annealing K f values for each annealing
図9に示すように、膜厚が厚い例であるゲート酸化膜厚が12nmのMOSFETでは、ゲート酸化膜の形成直後のアニール温度を上昇させると1/fノイズ係数比は減少する。
しかしながら、膜厚が6.5nm以下の例であるゲート酸化膜厚が3nmのMOSFETでは、ゲート酸化膜の形成直後のアニール温度を上昇させるとノイズ係数比は増大するということが分かった。
これは、ゲート酸化膜厚が12nmの場合はアニール温度を上昇させることで1/fノイズは改善されるが、ゲート酸化膜厚が3nmの場合はアニール温度を上昇させることで、逆に1/fノイズを増大させてしまうことを意味する。
また、本発明者らは、MOSFETの1/fノイズを低減するためのもう一つの課題として、ゲート電極の空乏化を抑制することを挙げる。
As shown in FIG. 9, in a MOSFET with a gate oxide film thickness of 12 nm, which is an example of a thick film, the 1 / f noise coefficient ratio decreases when the annealing temperature immediately after formation of the gate oxide film is increased.
However, it was found that in a MOSFET having a gate oxide film thickness of 3 nm, which is an example having a film thickness of 6.5 nm or less, the noise coefficient ratio increases when the annealing temperature immediately after the formation of the gate oxide film is increased.
This is because the 1 / f noise is improved by increasing the annealing temperature when the gate oxide film thickness is 12 nm, but conversely by increasing the annealing temperature when the gate oxide film thickness is 3 nm, the 1 / f noise is improved. f means increasing noise.
In addition, the present inventors mention to suppress depletion of the gate electrode as another problem for reducing the 1 / f noise of the MOSFET.
図10は、本発明者らが行った実験の結果であり、MOSFET動作時のゲート電極の空乏化と1/fノイズ係数比の関係を調査した結果を示す図である。
図10の横軸はゲート電極の空乏化を表すゲート酸化膜容量比(蓄積状態時のゲート酸化膜容量と反転状態のゲート酸化膜容量の比率)[%]、縦軸は1/fノイズ係数比[%]を示している。
この実験結果は、ゲート電極の空乏化の増大が、1/fノイズを増大させる要因であることを意味している。ゲート電極の空乏化は、ゲート酸化膜厚が薄いほど(つまり、薄膜であるほど)表れるため、ゲート電極の空乏化を抑制することは、薄膜ゲート酸化MOSFETの1/fノイズを低減する上で、重要な課題となる。
そこで、本発明は、本発明者らが見出した上記課題に鑑みてなされたものであって、トランジスタのゲート絶縁膜厚が薄い場合でも、1/fノイズを低減できるようにした半導体装置の製造方法の提供を目的とする。
FIG. 10 shows the result of an experiment conducted by the present inventors, and shows the result of investigating the relationship between the depletion of the gate electrode and the 1 / f noise coefficient ratio during MOSFET operation.
The horizontal axis of FIG. 10 is the gate oxide capacity ratio (ratio of the gate oxide capacity in the accumulation state to the inverted gate oxide capacity) [%] representing the depletion of the gate electrode, and the vertical axis is the 1 / f noise coefficient. The ratio [%] is shown.
This experimental result means that the increase in depletion of the gate electrode is a factor that increases 1 / f noise. The depletion of the gate electrode appears as the gate oxide film thickness becomes thinner (that is, the thinner the film), so suppressing the depletion of the gate electrode reduces the 1 / f noise of the thin film gate oxide MOSFET. It will be an important issue.
Accordingly, the present invention has been made in view of the above problems found by the present inventors, and is a method for manufacturing a semiconductor device that can reduce 1 / f noise even when the gate insulating film thickness of a transistor is thin. The purpose is to provide a method.
即ち、本発明の一態様に係る半導体装置の製造方法は、基板上に膜厚が6.5nm以下のゲート絶縁膜を形成する工程と、前記ゲート絶縁膜上にノンドープポリシリコン膜を堆積する工程と、前記ノンドープポリシリコン膜を堆積した後で、前記基板に965℃以上の第1アニールを施す工程と、前記第1アニールを施した後で、前記ノンドープポリシリコン膜へ不純物を注入して前記ノンドープポリシリコン膜をゲート電極膜とする工程と、前記ゲート電極膜をパターニングしてゲート電極を前記ゲート絶縁膜上に形成する工程と、前記不純物を、前記ゲート電極膜中又は前記ゲート電極中で拡散させる第2アニールを施す工程と、を備えることを特徴とする。 That is, in the method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention, a step of forming a gate insulating film having a thickness of 6.5 nm or less on a substrate and a step of depositing a non-doped polysilicon film on the gate insulating film. And, after depositing the non-doped polysilicon film, subjecting the substrate to a first annealing at 965 ° C. or higher, and after the first annealing, implanting impurities into the non-doped polysilicon film and A step of using a non-doped polysilicon film as a gate electrode film; a step of patterning the gate electrode film to form a gate electrode on the gate insulating film; and the impurity in the gate electrode film or in the gate electrode And performing a second annealing for diffusing.
また、上記の半導体装置の製造方法において、前記第1アニールは、前記ノンドープポリシリコン膜に不純物が注入されていないノンドープ状態でアニールが施されてもよい。
また、上記の半導体装置の製造方法において、前記ゲート絶縁膜を形成した後であって、前記ノンドープポリシリコン膜を堆積する前には、前記基板に965℃以上の熱を加えなくてもよい。
In the method for manufacturing a semiconductor device, the first annealing may be performed in a non-doped state in which no impurity is implanted into the non-doped polysilicon film.
In the method for manufacturing a semiconductor device described above, it is not necessary to apply heat of 965 ° C. or higher to the substrate after the gate insulating film is formed and before the non-doped polysilicon film is deposited.
また、上記の半導体装置の製造方法において、前記ノンドープポリシリコン膜を堆積する工程では、膜中の不純物濃度が1×1016cm−3以下であるノンドープポリシリコン膜を堆積してもよい。
また、上記の半導体装置の製造方法において、前記第2アニールを施す工程では、前記ゲート電極膜中又は前記ゲート電極中に含まれる前記不純物を前記基板へ向かう深さ方向へ均一に拡散させてもよい。
In the method for manufacturing a semiconductor device, in the step of depositing the non-doped polysilicon film, a non-doped polysilicon film having an impurity concentration of 1 × 10 16 cm −3 or less may be deposited.
In the semiconductor device manufacturing method, in the step of performing the second annealing, the impurity contained in the gate electrode film or the gate electrode may be uniformly diffused in a depth direction toward the substrate. Good.
また、上記の半導体装置の製造方法において、前記第2アニールの処理温度を、前記第1アニールの処理温度より低温としてもよい。
また、上記の半導体装置の製造方法において、前記第1アニールの処理温度を、965℃以上1125℃以下の範囲内とし、前記第1アニールの処理時間を、15秒以上60秒以下の範囲内としてもよい。
また、上記の半導体装置の製造方法において、前記第1アニールの処理雰囲気を、窒素ガス又は窒素と酸素とを含む混合ガスとしてもよい。
In the method for manufacturing a semiconductor device, the processing temperature of the second annealing may be lower than the processing temperature of the first annealing.
In the method for manufacturing a semiconductor device, the first annealing treatment temperature is in the range of 965 ° C. to 1125 ° C., and the first annealing treatment time is in the range of 15 seconds to 60 seconds. Also good.
In the method for manufacturing a semiconductor device, the first annealing treatment atmosphere may be nitrogen gas or a mixed gas containing nitrogen and oxygen.
本発明の一態様によれば、トランジスタのゲート絶縁膜が薄い場合でも、1/fノイズを低減することが可能となる。 According to one embodiment of the present invention, 1 / f noise can be reduced even when a gate insulating film of a transistor is thin.
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、以下に説明する各図において、同一の構成を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
本発明者らは、薄膜ゲート酸化MOSFETの1/fノイズが特許文献1の手法にて低減できない原因(メカニズム)が、ゲート酸化膜厚とアニール時のガス雰囲気とにあると考えている。
詳しく説明すると、ゲート酸化膜の形成直後にアニールを行う場合、ゲート酸化膜厚が増加することを懸念して、アニールを窒素雰囲気中で行うことが一般的である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that, in each drawing described below, parts having the same configuration are denoted by the same reference numerals, and repeated description thereof is omitted.
The present inventors believe that the cause (mechanism) that the 1 / f noise of the thin-film gate oxide MOSFET cannot be reduced by the method of
More specifically, when annealing is performed immediately after the formation of the gate oxide film, the annealing is generally performed in a nitrogen atmosphere in consideration of an increase in the gate oxide film thickness.
しかしながら、ゲート酸化膜厚が薄い場合は、アニール時の雰囲気である窒素がゲート酸化膜中に入りこみ、ゲート酸化膜中を拡散して、ゲート酸化膜/シリコン基板界面に到達してしまう。その結果、ゲート酸化膜/シリコン基板の界面準位を増大させ、1/fノイズを増大させてしまう。これが原因で、図9に示したように、ゲート酸化膜厚が3nmの場合は、12nmの場合と異なり1/fノイズを低減することができない。
本発明者らは、このような考察に基づき、ゲート酸化膜を成膜した直後ではなく、ゲート電極膜となるノンドープポリシリコン膜を堆積した後に高温のアニールを実施すればよいと考えた。
However, when the gate oxide film is thin, nitrogen, which is the atmosphere during annealing, enters the gate oxide film, diffuses in the gate oxide film, and reaches the gate oxide film / silicon substrate interface. As a result, the interface state of the gate oxide film / silicon substrate is increased, and 1 / f noise is increased. For this reason, as shown in FIG. 9, when the gate oxide film thickness is 3 nm, the 1 / f noise cannot be reduced unlike the case of 12 nm.
Based on such considerations, the present inventors considered that it is sufficient to perform high-temperature annealing after depositing a non-doped polysilicon film to be a gate electrode film, not immediately after forming the gate oxide film.
また、もう一つの課題である、ゲート電極の空乏化を抑制するためには、ゲート電極となるポリシリコン中に高濃度の不純物を注入し、更にそれをポリシリコン中に均一に拡散させればよい。
しかし、高濃度の不純物の注入は、ゲート電極となるポリシリコン膜をパターニングする前に実施する必要がある。なぜなら、ゲート電極をパターニングした後に高濃度の不純物を注入すると、ソース/ドレイン領域にも不純物が注入されることになり、短チャネル効果の影響を考慮すると、空乏化を抑制するためのポリシリコン中の不純物の拡散を十分に行えないためである。
In addition, in order to suppress the depletion of the gate electrode, which is another problem, a high concentration impurity is implanted into the polysilicon to be the gate electrode and further diffused uniformly in the polysilicon. Good.
However, the implantation of the high concentration impurity needs to be performed before patterning the polysilicon film to be the gate electrode. This is because if high-concentration impurities are implanted after patterning the gate electrode, impurities are also implanted into the source / drain regions, and considering the influence of the short channel effect, This is because the impurity cannot be sufficiently diffused.
更に、ゲート電極膜となるポリシリコン膜堆積後の高温アニールとゲート電極膜の空乏化抑制を両立させるために、高温アニールは、ゲート電極中へ不純物を注入する前で実施する必要がある。その理由は、高濃度の不純物を注入した後に高温アニールを実施してしまうと、ゲート電極中から基板へ不純物が染み出してしまい、MOSFETの閾値電圧(Vth)を変動させる等の悪影響が生じてしまうためである。本発明者らはこのような考察に基づき、ゲート電極膜となるノンドープポリシリコン膜を堆積した後に高温アニールを実施し、かつ、ゲート電極の空乏化を効果的に抑制する半導体装置の製造方法を提案する。 Furthermore, in order to achieve both high temperature annealing after deposition of the polysilicon film to be the gate electrode film and suppression of depletion of the gate electrode film, it is necessary to perform the high temperature annealing before injecting impurities into the gate electrode. The reason is that if high-temperature annealing is performed after implanting high-concentration impurities, impurities will ooze out from the gate electrode to the substrate, causing adverse effects such as changing the threshold voltage (Vth) of the MOSFET. It is because it ends. Based on such considerations, the present inventors conducted a high-temperature annealing after depositing a non-doped polysilicon film to be a gate electrode film, and a method for manufacturing a semiconductor device that effectively suppresses depletion of the gate electrode. suggest.
(製造方法)
図1は、本発明の実施形態に係る半導体装置100の製造方法の主要工程を示す図である。図1に示すように、半導体装置100の製造方法は、ウエーハを用意する工程(ステップS10)と、素子分離膜を形成/不純物を注入する工程(ステップS20)と、ゲート酸化膜を成膜する工程(ステップS30)と、ゲート電極膜13となるノンドープポリシリコン膜を形成する工程(ステップS40)と、高温アニールを施す工程(ステップS50)と、ノンドープポリシリコン膜であるゲート電極膜13中へ高濃度の不純物を注入する工程(ステップ60)と、ゲート電極膜13をパターニング/不純物を拡散させる工程(ステップS70)と、通常のCMOSプロセスによりトランジスタを完成させる工程(ステップS80)と、を備える。以下、各ステップについて、より具体的に説明する。
(Production method)
FIG. 1 is a diagram showing main steps of a method for manufacturing a
図2〜図4は、半導体装置100の製造方法を工程順に示す断面図である。
図2(a)に示すように、ウエーハの一例として、例えば単結晶シリコンからなるシリコン基板1を用意する(ステップS10)。なお、シリコン基板1の表面は、単結晶シリコンをエピタキシャル成長させたシリコンエピタキシャル層(図示せず)であってもよい。
2 to 4 are cross-sectional views showing the method of manufacturing the
As shown in FIG. 2A, as an example of a wafer, a
次に、シリコン基板1の表面にフィールド酸化膜3を形成し、MOSFETを形成する領域間や、他の素子を形成する領域間などを電気的に分離する(ステップS20)。フィールド酸化膜3は素子分離層として成り立てばその形態は問わず、例えば、LOCOS(Local Oxidation of Silicon)でもSTI(Shallow Trench Isolation)でもよい。本実施形態では、例えばSTIを図示する。このフィールド酸化膜3によって、例えば、ゲート酸化膜が厚いMOSFETを形成する領域(以下、第1のMOS領域という)と、ゲート酸化膜が薄いMOSFETを形成する領域(以下、第2のMOS領域という)との間を素子分離する。
Next, a
次に、シリコン基板1の第1のMOS領域及び第2のMOS領域にそれぞれ、図示しないウェル(WELL)層の形成又はMOSFETの閾値調節のための不純物をイオン注入する(ステップS20)。ここで、不純物は、例えば、リン(P)等のドナー元素又はボロン(B)等のアクセプター元素である。目的に応じて、ドナー元素或いはアクセプター元素を打ち分ける。 Next, an impurity for forming a well (WELL) layer (not shown) or adjusting the threshold value of the MOSFET is ion-implanted in each of the first MOS region and the second MOS region of the silicon substrate 1 (step S20). Here, the impurity is, for example, a donor element such as phosphorus (P) or an acceptor element such as boron (B). Depending on the purpose, donor elements or acceptor elements are selected.
次に、図2(b)に示すように、シリコン基板1の表面を熱酸化して、第1のMOS領域及び第2のMOS領域にそれぞれ第1のゲート酸化膜5を形成する。この第1のゲート酸化膜5の膜厚は、例えば12nm程度である。
次に、図2(c)に示すように、第2のMOS領域から第1のゲート酸化膜5を除去して、シリコン基板1の表面を露出させる。この第1のゲート酸化膜5の部分的除去は、レジストパターンをマスクに用いたウェットエッチングで行う。
Next, as shown in FIG. 2B, the surface of the
Next, as shown in FIG. 2C, the first
より具体的に説明すると、まず、シリコン基板1の上方全体に低圧CVD酸化膜7を堆積させる。低圧CVD酸化膜7の堆積後の膜厚は、例えば10nm程度である。次に、この低圧CVD酸化膜7上に、第2のMOS領域の上方を開口し、第1のMOS領域の上方を覆う形状のレジストパターン9を形成する。そして、このレジストパターン9をマスクに用いて、低圧CVD酸化膜7と第1のゲート酸化膜5とをエッチングして除去する。このエッチングは、例えば、フッ酸(HF)などを用いたウェットエッチングである。これにより、第2のMOS領域から低圧CVD酸化膜7と第1のゲート酸化膜5とを除去して、第2のMOS領域の表面を露出させる。その後、レジストパターン9を例えばアッシングして除去する。
More specifically, first, a low-pressure
次に、シリコン基板1の表面全体にウェットエッチング処理を施して、第1のMOS領域から低圧CVD酸化膜7を除去する。このウェットエッチング処理では、第1のMOS領域に形成した第1のゲート酸化膜5をできるだけエッチングしないように、その処理条件(例えば、エッチャント中のフッ酸濃度や、エッチングの処理時間等)を調整する。
次に、図3(a)に示すように、シリコン基板1の表面を熱酸化して、第2のMOS領域に第2のゲート酸化膜11を形成する(ステップS30)。この第2のゲート酸化膜11の膜厚は、6.5nm以下であり、例えば3nm程度である。
次に、図3(b)に示すように、シリコン基板1の上方全体にゲート電極膜13を堆積させる(ステップS40)。ゲート電極膜13の膜厚は、例えば250nm程度である。
Next, wet etching is performed on the entire surface of the
Next, as shown in FIG. 3A, the surface of the
Next, as shown in FIG. 3B, the
なお、ゲート電極膜13としてポリシリコン膜を堆積させる場合、そのポリシリコン膜はドナー元素及びアクセプター元素の各濃度が検出限界値以下(例えば、各不純物濃度が1×1016cm−3以下であり、理想的にはゼロ)である、ノンドープポリシリコン膜とすることが必須である。その理由は、ポリシリコン膜であるゲート電極膜13中にアクセプター元素等が存在する場合、次工程の高温アニールを行うことで、ゲート電極膜13中から第1、第2のゲート酸化膜5、11やシリコン基板1へ、アクセプター元素等が染み出してしまい、MOSFETの閾値電圧(Vth)を変動させてしまう等の悪影響を及ぼす可能性があるからである。つまり、本実施形態における「ノンドープポリシリコン膜」とは、膜を堆積する際にドープするための不純物と一緒に堆積させたり、ノンドープポリシリコン膜に対して不純物が注入されたりしていないシリコン膜のことである。
When a polysilicon film is deposited as the
次に、ゲート電極膜13となるノンドープポリシリコン膜を堆積した直後に、例えばRTA(Rapid Thermal Anneal)法によって、シリコン基板1に高温アニールを施す(ステップS50)。換言すると、この高温アニールは、ノンドープポリシリコン膜に不純物が注入されていないノンドープ状態で実施される。また、この高温アニールは、例えば窒素(N2)と酸素(O2)とを含む混合ガス雰囲気下で行う。後述の実験結果が示すように、この工程では、アニール温度を965℃以上、アニール処理時間を15秒以上に設定することにより、1/fノイズを効果的に低減することができる。
Next, immediately after depositing the non-doped polysilicon film to be the
なお、アニール処理温度は高く、アニール処理時間を長くすることで、1/fノイズをさらに低減することができるが、これら各値を際限なく高めると、デメリット(例えば、トランジスタ特性が大きく変動する、ポリシリコンのグレインサイズが大きくなる、処理装置への負荷が大きくなる、スループットが低下するなど)が顕著となる。それゆえ、デメリットを抑制しつつ1/fノイズを低減するためには、アニール処理温度とアニール処理時間にそれぞれ上限値を設定する必要がある。後述の実験結果から、ステップS50におけるアニール処理温度は1125℃を上限値とし、アニール処理時間は60秒を上限値とすることが好ましい。また、ステップS50におけるアニールは、N2とO2とを含む混合ガス雰囲気下で行う以外に、例えば、N2ガス雰囲気下で行ってもよい。 Although the annealing temperature is high and the 1 / f noise can be further reduced by lengthening the annealing time, if these values are increased without limit, demerits (for example, transistor characteristics vary greatly, The grain size of the polysilicon increases, the load on the processing apparatus increases, the throughput decreases, and the like). Therefore, in order to reduce 1 / f noise while suppressing demerits, it is necessary to set an upper limit value for the annealing temperature and the annealing time, respectively. From the experimental results described later, it is preferable that the annealing temperature in step S50 has an upper limit of 1125 ° C. and the annealing time has an upper limit of 60 seconds. Further, the annealing in step S50 may be performed in an N 2 gas atmosphere, for example, in addition to the mixed gas atmosphere containing N 2 and O 2 .
次に、図3(c)に示すように、ノンドープポリシリコン膜であるゲート電極膜13に導電性を持たせるための不純物をイオン注入する(ステップS60)。ここで、不純物は、例えば、リン(P)等のドナー元素又はボロン(B)等のアクセプター元素である。目的に応じて、ドナー元素或いはアクセプター元素を打ち分ける。ステップS50におけるアニール(高温アニール)実施直後に不純物注入を実施することにより、ゲート電極膜13からシリコン基板1側への不純物の染み出しを発生させずに、MOSの、1/fノイズに悪影響を及ぼすゲート電極の空乏化を抑制することが可能となる。
なお、ゲート電極膜13中へ注入する不純物の濃度は、シリコン中の不純物の固溶限界濃度に近づくほど、1/fノイズを低減することが可能となる。そのため、目的に応じてドナー元素やアクセプター元素をイオン注入にて、4×1014cm−2以上のドーズ量でゲート電極膜13中へ注入する。
Next, as shown in FIG. 3C, an impurity for imparting conductivity to the
Note that the 1 / f noise can be reduced as the concentration of the impurity implanted into the
次に、図4(a)に示すように、ゲート電極膜13をパターニングして、第1のMOS領域の第1のゲート酸化膜5上に第1のゲート電極15を形成すると同時に、第2のMOS領域の第2のゲート酸化膜11上に第2のゲート電極17を形成する(ステップS70)。
次に、ゲート電極膜13をパターニングし各ゲート電極を形成した直後に、各ゲート電極中に含まれる不純物を活性化させるために、アニールを施す(ステップS70)。この工程におけるアニール処理は、各ゲート電極中のアクセプター元素等がシリコン基板1側へ染み出しを発生させずに、活性化に必要な温度で行う。例えば窒素(N2)と酸素(O2)とを含む混合ガス雰囲気下で、850℃、40分で行う。つまり、ステップS70のアニールを、ステップS50のアニールよりも低温で実施する。
なお、本工程はゲート電極膜13をパターニングし各ゲート電極を形成する前に実施してもよい。
Next, as shown in FIG. 4A, the
Next, immediately after patterning the
This step may be performed before patterning the
以降は、一般的な半導体製造プロセスを用いて、サイドウォールの形成工程、ソース/ドレインの形成工程、層間絶縁膜の形成工程、配線の形成工程等を経て、MOSFETを完成させる(ステップS80)。例えば図4(b)に示すように、第1のゲート電極15の側面に絶縁層からなるサイドウォール19を形成すると共に、第2のゲート電極17の側面に絶縁層からなるサイドウォール21を形成する。また、サイドウォール19、21の形成工程の前後で、不純物のイオン注入を2回行うことにより、第1のMOS領域にLDD構造のソース/ドレイン23を形成すると共に、第2のMOS領域にLDD構造のソース/ドレイン25を形成する。その後、図4(c)に示すように、第1、第2のゲート電極15、17の各上面と、ソース/ドレイン23、25の各表面とにそれぞれシリサイド31を形成する。その後、図示しない層間絶縁膜、配線等を形成する。
Thereafter, using a general semiconductor manufacturing process, the MOSFET is completed through a sidewall forming process, a source / drain forming process, an interlayer insulating film forming process, a wiring forming process, and the like (step S80). For example, as shown in FIG. 4B, a
このような工程を経て、第1のMOS領域に厚膜の第1のゲート酸化膜5を有する第1のMOSFET110を完成させると共に、第2のMOS領域に薄膜の第2のゲート酸化膜11を有する第2のMOSFET120を完成させる。
この実施形態では、シリコン基板1が本発明の「基板」に対応し、第2のゲート酸化膜11が本発明の「ゲート絶縁膜」に対応し、第2のゲート電極17が本発明の「ゲート電極」に対応している。また、ステップS50におけるアニール(高温アニール)が本発明の「第1アニール」に対応し、ステップS70におけるアニールが本発明の「第2アニール」に対応している。
Through these steps, the
In this embodiment, the
(実施形態の効果)
本発明の実施形態は、ゲート絶縁膜/基板界面の界面準位に悪影響を及ぼす窒素がゲート絶縁膜中に注入されることを抑制することができ、ゲート電極中の不純物のシリコン基板側への染み出しがなく、MOSFET動作時のゲート電極の空乏化を抑制することが可能となる。そのため、ゲート絶縁膜が薄い場合であっても、1/fノイズを低減することができる。
(Effect of embodiment)
According to the embodiment of the present invention, nitrogen that adversely affects the interface state of the gate insulating film / substrate interface can be suppressed from being injected into the gate insulating film, and impurities in the gate electrode can enter the silicon substrate side. There is no seepage, and depletion of the gate electrode during MOSFET operation can be suppressed. Therefore, even when the gate insulating film is thin, 1 / f noise can be reduced.
(1)ゲート電極膜13を形成した後であって、該ゲート電極膜13をパターニングする前に高温アニール(ステップS50)を行う。高温アニール時に第1、第2のゲート酸化膜5、11はゲート電極膜13で覆われているので、ゲート酸化膜/シリコン基板界面の界面準位に悪影響を及ぼす窒素が第1、第2のゲート酸化膜5、11中に注入されることを抑制することができる。
これにより、ゲート酸化膜厚に依存することなく、1/fノイズ低減効果のあるアニール温度やアニール時間を選択することができる。例えば、厚さが3nmの第2のゲート酸化膜11のように、MOSFETのゲート酸化膜が薄い場合でも、高温アニールにより1/fノイズを十分に低減することができる。
(1) High-temperature annealing (step S50) is performed after forming the
This makes it possible to select an annealing temperature and annealing time that have a 1 / f noise reduction effect without depending on the gate oxide film thickness. For example, even when the gate oxide film of the MOSFET is thin like the second
(2)また、第1、第2のゲート酸化膜5、11を形成する工程(ステップS30)とノンドープポリシリコン膜であるゲート電極膜13を形成する工程(ステップS40)の間では、アニール処理を行わない。これにより、第1、第2のゲート酸化膜5、11がゲート電極膜13で覆われる前に、第1、第2のゲート酸化膜5、11中に窒素等が注入されることを防ぐことができる。
(2) Further, an annealing process is performed between the step of forming the first and second
(3)また、ゲート電極膜13として、ノンドープポリシリコン膜を堆積させる。このノンドープポリシリコン膜への不純物(即ち、ドナー元素又はアクセプター元素)のドーピングは、ステップS50の高温アニール直後に行う。これにより、ノンドープポリシリコン膜にドーピングされる不純物が、高温アニールによって第1、第2のゲート酸化膜5、11中及びシリコン基板1に拡散されることを防ぐとともに、第1、第2のゲート電極15、17の空乏化抑制に必要な不純物量を注入することができる。
(3) A non-doped polysilicon film is deposited as the
(4)また、高温アニールの処理温度を965℃以上1125℃以下の範囲内とし、高温アニールの処理時間を15秒以上60秒以下の範囲内とすることが好ましい。後述の実験結果が示すように、高温アニールの処理温度、処理時間を上記範囲に設定することにより、ゲート酸化膜厚が6.5nm以下のMOSFET120においても、デメリット(例えば、トランジスタ特性が大きく変動する、ポリシリコンのグレインサイズが大きくなる、処理装置への負荷が大きくなる、スループットが低下するなど)を抑えつつ、1/fノイズを効率良く低減することができる。
(5)また、ステップS50の高温アニールは、窒素ガス雰囲気下又は窒素と酸素とを含む混合ガス雰囲気下で行うことが好ましい。これにより、ノンドープポリシリコン膜からなるゲート電極膜13が、高温アニール中にエッチングされる(即ち、サーマルエッチングされる)ことを防ぐことができる。
(4) Moreover, it is preferable that the high temperature annealing treatment temperature is in the range of 965 ° C. or more and 1125 ° C. or less, and the high temperature annealing treatment time is in the range of 15 seconds or more and 60 seconds or less. As shown in the experimental results to be described later, by setting the processing temperature and processing time of the high-temperature annealing within the above ranges, the demerits (for example, the transistor characteristics vary greatly even in the
(5) Moreover, it is preferable to perform the high temperature annealing of step S50 in nitrogen gas atmosphere or mixed gas atmosphere containing nitrogen and oxygen. As a result, the
(6)また、ステップS70のアニールは、ゲート電極膜13へ不純物を注入した後又は、ゲート電極膜13をパターニングし第1、第2のゲート電極15、17を形成した後に920℃以下で行う。これにより、第1、第2のゲート電極15、17中に含まれる不純物が第1、第2のゲート酸化膜5、11及びシリコン基板1へ拡散することなく、ポリシリコンである第1、第2のゲート電極15、17中の深さ方向へ均一に拡散させることが可能となり、第1、第2のゲート電極15、17の空乏化を抑制することができる。
(その他)
本発明は、以上に記載した実施形態に限定されうるものではない。当業者の知識に基づいて各実施形態に設計の変更等を加えることが可能であり、そのような変更等を加えた態様も本発明の範囲に含まれる。
(6) Further, the annealing in step S70 is performed at 920 ° C. or lower after the impurity is implanted into the
(Other)
The present invention is not limited to the embodiment described above. Based on the knowledge of those skilled in the art, design changes and the like can be made to each embodiment, and an aspect in which such changes and the like are added is also included in the scope of the present invention.
次に、本発明者らが行った実験とその結果について説明する。なお、以下に説明する実験1〜4では、前述した図9の場合と同様、|Vg|=|Vd|=|Vth|+0.4V、Vs=Vsub=0Vの条件で実験を行った。また、アニール温度毎のKf値をアニール無しのときのKf値と比較して1/fノイズ係数比を算出し、算出した1/fノイズ係数比を比較することで、1/fノイズを評価した。
Next, the experiment conducted by the present inventors and the result will be described. In
(実験1)
図5は、本発明者らが行った実験1の結果であり、ゲート酸化膜厚が3nmのPMOSFETについて、ゲート酸化膜の形成直後にアニールを行った場合のアニール温度とノイズとの関係、及び、ゲート電極膜の形成直後にアニールを行った場合(本実施形態のMOSFET120に相当する。)のアニール温度と1/fノイズとの関係をそれぞれ調査した結果を示す図である。図5の横軸はアニール温度[℃]を示し、縦軸は1/fノイズ係数比[%]を示す。
(Experiment 1)
FIG. 5 shows the results of
図5に示すように、ゲート酸化膜の形成直後にアニールを行った場合は、アニール温度を上昇させると1025〜1050℃あたりから、ノイズ係数比が増大する。これに対して、ゲート酸化膜の形成直後ではなく、ゲート電極膜の形成直後にアニールを行った場合は、アニール温度を上昇させるとノイズ係数比が低減することが分かった。特に、アニール温度が965℃以上では、両データ間で、ノイズ係数比の差が大きくなることが分かった。この結果から、ゲート酸化膜厚が3nmで、ゲート電極膜の形成直後にアニールを行う場合は、アニール温度を965℃以上とすることが好ましいということが分かった。 As shown in FIG. 5, when annealing is performed immediately after the formation of the gate oxide film, the noise coefficient ratio increases from around 1025 to 1050 ° C. when the annealing temperature is raised. On the other hand, when annealing was performed immediately after the formation of the gate electrode film, not immediately after the formation of the gate oxide film, it was found that the noise coefficient ratio decreased when the annealing temperature was raised. In particular, it has been found that when the annealing temperature is 965 ° C. or higher, the difference in the noise coefficient ratio between the two data increases. From this result, it was found that when the gate oxide film thickness is 3 nm and annealing is performed immediately after the formation of the gate electrode film, the annealing temperature is preferably 965 ° C. or higher.
(実験2)
図6は、本発明者らが行った実験2の結果であり、ゲート酸化膜厚が3nmのPMOSFETについて、ゲート電極膜の形成直後にアニールを行った場合の処理時間(即ち、アニール時間)と、1/fノイズとの関係を調査した結果を示す図である。図6の横軸はアニール時間[s]を示し、縦軸は1/fノイズ係数比[%]を示す。なお、アニール温度は、1100℃に設定した。
図6に示すように、アニール時間が長いほどノイズ係数比が低減することが分かった。また、ノイズ係数比の低減の度合いは特に0〜15秒の間で大きく、この結果から、ゲート酸化膜厚が3nmで、ゲート電極膜の形成直後にアニールを行う場合は、アニール時間を15秒以上に設定することが好ましいということが分かった。
(Experiment 2)
FIG. 6 shows the result of Experiment 2 conducted by the present inventors. The processing time when annealing is performed immediately after the formation of the gate electrode film for the PMOSFET having a gate oxide film thickness of 3 nm (that is, the annealing time) is shown in FIG. It is a figure which shows the result of having investigated the relationship with 1 / f noise. The horizontal axis of FIG. 6 shows annealing time [s], and the vertical axis shows 1 / f noise coefficient ratio [%]. The annealing temperature was set to 1100 ° C.
As shown in FIG. 6, it was found that the longer the annealing time, the lower the noise coefficient ratio. In addition, the degree of reduction in the noise coefficient ratio is particularly large in the range of 0 to 15 seconds. From this result, when the gate oxide film thickness is 3 nm and annealing is performed immediately after the formation of the gate electrode film, the annealing time is 15 seconds. It turned out that it is preferable to set it above.
(実験3)
図7は、本発明者らが行った実験3の結果であり、ゲート酸化膜厚が6.5nmのPMOSFETについて、ゲート酸化膜の形成直後にアニールを行った場合のアニール温度とノイズとの関係、及び、ゲート電極膜の形成直後にアニールを行った場合のアニール温度と1/fノイズとの関係をそれぞれ調査した結果を示す図である。図7の横軸はアニール温度[℃]を示し、縦軸は1/fノイズ係数比[%]を示す。
(Experiment 3)
FIG. 7 shows the result of
図7に示すように、ゲート酸化膜の形成直後にアニールを行った場合は、アニール温度を上昇させてもノイズ係数比は変わらなかった。これに対して、ゲート電極膜の形成直後にアニールを行った場合は、アニール温度を上昇させるとノイズ係数比が低減することが分かった。特に、アニール温度が965℃以上では、両データ間で、ノイズ係数比の差が大きくなることが分かった。この結果から、ゲート酸化膜厚が6.5nmで、ゲート電極膜の形成直後にアニールを行う場合は、アニール温度を965℃以上とすることが好ましいということが分かった。 As shown in FIG. 7, when annealing was performed immediately after the formation of the gate oxide film, the noise coefficient ratio did not change even when the annealing temperature was raised. On the other hand, when annealing was performed immediately after the formation of the gate electrode film, it was found that the noise coefficient ratio decreased when the annealing temperature was raised. In particular, it has been found that when the annealing temperature is 965 ° C. or higher, the difference in the noise coefficient ratio between the two data increases. From this result, it was found that when the gate oxide film thickness is 6.5 nm and annealing is performed immediately after the formation of the gate electrode film, the annealing temperature is preferably 965 ° C. or higher.
(実験4)
図8は、本発明者らが行った実験4の結果であり、ゲート酸化膜厚が12nmのPMOSFETについて、ゲート酸化膜の形成直後にアニールを行った場合のアニール温度とノイズとの関係、及び、ゲート電極膜の形成直後にアニールを行った場合(本実施形態のMOSFET110に相当する。)のアニール温度と1/fノイズとの関係をそれぞれ調査した結果を示す図である。図8の横軸はアニール温度[℃]を示し、縦軸は1/fノイズ係数比[%]を示す。
(Experiment 4)
FIG. 8 shows the result of Experiment 4 conducted by the present inventors. Regarding the PMOSFET having a gate oxide film thickness of 12 nm, the relationship between the annealing temperature and noise when annealing is performed immediately after the formation of the gate oxide film, and FIG. 10 is a diagram showing the results of examining the relationship between the annealing temperature and 1 / f noise when annealing is performed immediately after formation of the gate electrode film (corresponding to the
図8に示すように、ゲート酸化膜の形成直後にアニールを行った場合、及び、ゲート電極膜の形成直後にアニールを行った場合の何れも、アニール温度を上昇させるとノイズ係数比が低減することが分かった。以上、実験2〜4の結果から、ゲート酸化膜厚が6.5nm以下のMOSFETでは、ゲート電極膜の形成直後に965℃以上の高温アニールを施すことによって、1/fノイズ低減効果を十分に得ることができるということが分かった。 As shown in FIG. 8, when annealing is performed immediately after the formation of the gate oxide film and when annealing is performed immediately after the formation of the gate electrode film, the noise coefficient ratio is reduced when the annealing temperature is increased. I understood that. As described above, from the results of Experiments 2 to 4, in a MOSFET having a gate oxide film thickness of 6.5 nm or less, a 1 / f noise reduction effect is sufficiently obtained by performing high-temperature annealing at 965 ° C. or more immediately after the formation of the gate electrode film. I found out I could get it.
1 シリコン基板
3 フィールド酸化膜
5 第1のゲート酸化膜
7 低圧CVD酸化膜
9 レジストパターン
11 第2のゲート酸化膜
13 ゲート電極膜
15 第1のゲート電極
17 第2のゲート電極
19、21 サイドウォール
23、25 ソース/ドレイン
31 シリサイド
100 半導体装置
110 第1のMOSFET
120 第2のMOSFET
DESCRIPTION OF
120 second MOSFET
Claims (8)
前記ゲート絶縁膜上にノンドープポリシリコン膜を堆積する工程と、
前記ノンドープポリシリコン膜を堆積した後で、前記基板に965℃以上の第1アニールを施す工程と、
前記第1アニールを施した後で、前記ノンドープポリシリコン膜へ不純物を注入して前記ノンドープポリシリコン膜をゲート電極膜とする工程と、
前記ゲート電極膜をパターニングしてゲート電極を前記ゲート絶縁膜上に形成する工程と、
前記不純物を、前記ゲート電極膜中又は前記ゲート電極中で拡散させる第2アニールを施す工程と、を備える半導体装置の製造方法。 Forming a gate insulating film having a film thickness of 6.5 nm or less on the substrate;
Depositing a non-doped polysilicon film on the gate insulating film;
After depositing the non-doped polysilicon film, subjecting the substrate to a first annealing at 965 ° C. or higher;
After performing the first annealing, implanting impurities into the non-doped polysilicon film to make the non-doped polysilicon film a gate electrode film;
Patterning the gate electrode film to form a gate electrode on the gate insulating film;
Performing a second annealing for diffusing the impurities in the gate electrode film or in the gate electrode.
前記第1アニールの処理時間を、15秒以上60秒以下の範囲内とする請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。 The treatment temperature of the first annealing is in the range of 965 ° C. or more and 1125 ° C. or less,
7. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein a processing time of the first annealing is in a range of 15 seconds to 60 seconds.
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