JP2834344B2 - 半導体装置の絶縁膜の製造方法 - Google Patents

半導体装置の絶縁膜の製造方法

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JP2834344B2 JP3177016A JP17701691A JP2834344B2 JP 2834344 B2 JP2834344 B2 JP 2834344B2 JP 3177016 A JP3177016 A JP 3177016A JP 17701691 A JP17701691 A JP 17701691A JP 2834344 B2 JP2834344 B2 JP 2834344B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、半導体装置の絶縁膜
の製造方法に関する。より詳しくは半導体装置の薄いゲ
ート絶縁膜、キャパシター絶縁膜の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術と課題】半導体装置において、薄いゲート
絶縁膜として、Si基板を熱酸化することによって形成
されるSiO2 の熱酸化膜が従来広く用いられている。
これはSiO2 膜/Si基板の界面特性が安定なこと
と、この絶縁膜が絶縁破壊耐圧が高く(9〜10MV/
cm)かつ高電界(約7MV/cm以上)での電流リー
クが低いことから半導体装置に利用した場合に長時間に
わたって信頼性が高いなど、他の絶縁膜にない優れた特
性をもっているからである。
【0003】ところが、集積回路素子の微細化がますま
す要望されているために、SiO2 膜の薄膜化が進み、
特に64M以上のDRAMでは厚みが100Å以下の薄
いSiO2 膜が要求されている。そのためトンネル成分
が直接現れてくる70Å以下の厚みの場合にはリーク電
流が大きくなるという問題が発生し、前記のような長期
の信頼性を得ることが困難である。その上に、素子の微
細化にもかかわらず、集積回路の容量が大きくなってき
ている。そのためチップ面積が増大するとともにゲート
領域の総面積が増大するので、ピンホールなどによるS
iO2 膜の欠陥密度を低減する要求がますます高まって
いる。特にデバイス構造によっては、ゲート面積がチッ
プ面積の30%以上にも及ぶ占有率をもっているものが
あり、歩留り向上のためにもSiO2 膜の欠陥密度を大
幅に低下させる必要が生じている。
【0004】ゲートSiO2 膜の絶縁破壊耐圧特性につ
いては、山部ら(VLSI Research Center, Toshiba
Coporation )、“Proceedings of the sixth Interna
tional Symposium on Silicon Materials Science and
Technology”p349(1990)において分類がなさ
れている。すなわち、電界強度が1)0〜1MV/cm、
2)1〜8MV/cm、および3)8MV/cm以上のそれ
ぞれの場合に絶縁破壊をおこすモードをそれぞれA,B
およびCのモード不良と呼んでいる。Aモード不良は、
Si基板のダスト、汚染などが原因で起こるゲートSi
2 膜のピンホールによるものであり、Bモード不良
は、Si基板表面のSi結晶の結晶欠陥が原因で生ずる
ゲートSiO2 膜の欠陥や微小SiO2 結晶などの電気
的ウィークスポットなどによるものであり、Cモード不
良はSiO2 固有の絶縁破壊耐圧特性によるものであ
る。
【0005】これらのモード不良のうちAモード不良
は、ゲートSiO2 膜形成前にSi基板表面の清浄度に
大きく依存しているので、この不良を克服するには、ま
ずSi基板の清浄法を検討する必要がある。しかし洗浄
方法を改善しても防止できないピンホールがゲートSi
2 膜に発生することがある。したがってこのようなピ
ンホールの欠陥を解消するには、洗浄方法以外の方法が
必要である。
【0006】
【課題を解決するための手段】この発明は、上記の特に
Aモード不良を解消する方法として、Si基板上に熱酸
化法でSiO2 の熱酸化膜を形成し、この熱酸化膜の上
にCVD法でSiO2 膜を形成し、生成した積層膜の上
からフッ素イオンを注入し、次いで不活性気体中で熱処
理を行なうことを特徴とする半導体装置の絶縁膜の製造
方法を提供するものである。
【0007】CVD方法によるSiO2 膜は、ポリシリ
コン膜のようなグレインによる凹凸があるものでも、そ
の凹凸に従って被覆する長所があり、すでにポリシリコ
ン上の絶縁膜として多くの応用が試みられている。その
ため熱酸化法によるSiO2 の酸化膜の微小ピンホール
も十分に修復することができると期待される。ところが
CVD法によるSiO2 膜内、およびこのSiO2 と熱
酸化法によるSiO2 膜との界面にはSiの未結合手が
残っており、多数のトラップ準位が存在する。それ故
に、CVD法によるSiO2 膜は、Fowler−No
rdheimトンネル電流のみ観察される熱酸化法によ
るSiO2 膜に比べて、トラップ準位を介して流れるリ
ーク電流が中電界領域でも見られる。したがって、この
発明は、上記SiO2 の2層にフッ素イオンを注入して
高温熱処理することによって、Siの未結合手をターミ
ネートさせトラップを減少させるものである。
【0008】この発明の方法によるSi基板上における
絶縁膜は次のようにして形成される。Si基板として
は、Siの単結晶からなる基板が用いられる。Si基板
は、表面にFeなどの重金属や微小欠陥を有することが
あるので、通常希フッ化水素酸溶液(例えば約1%HF
水溶液)で洗浄し、1000℃以上の高温下で一旦熱酸
化膜を形成し、この熱酸化膜を希フッ化水素酸水溶液で
除去して使用するのが望ましい。
【0009】このように予め洗浄したSi基板上に、S
iO2 の熱酸化膜が形成される。この熱酸化膜の形成
は、それ自体公知の方法で行なうことができる。例え
ば、Si基板をHCl/O2 雰囲気下で約900℃に保
持することによって熱酸化膜を形成することができる。
熱酸化膜の膜厚は、約100Åが好ましい。
【0010】次に、熱酸化膜(SiO2 )上に、CVD
法によってSiO2 膜が積層される。CVD法の条件
は、高温で(例えば800℃〜900℃、好ましくは8
20℃〜860℃)、減圧(10-1Torr以下)下が
好ましい。蒸発材料としては、ケイ素化合物(例えばS
iH4 )が用いられる。雰囲気ガスとしては、O2 、N
2 Oなどが用いられる。このCVD法によって形成する
SiO2 膜の膜厚は、約30〜80Å、好ましくは40
〜60Åである。このSiO2 膜は、いわゆる高温酸化
膜〔HTO(High Temperature Oxide)膜〕で、上記工
程で形成されたSiO2 (熱酸化膜)中にピンホールが
存在しても、それを充分に埋め込み、ピンホールが補償
される。
【0011】次に上記のようにして形成されたCVD法
によるSiO2膜/熱酸化膜にFイオンを注入する。こ
の場合、両者の膜の界面付近にイオン注入のLSS理論
に従った注入プロファイルのピークがくるようにフッ素
イオンを注入する。フッ素イオンの注入エネルギーは、
HTO膜厚50Åに対し5keV以下の低加速エネルギ
ーで注入量は約1016/cm2 以上とする。
【0012】次いで上記工程で得られた基板を不活性ガ
ス雰囲気下熱処理に付される。不活性ガスとして窒素、
アルゴンなどが用いられる。熱処理は約900〜100
0℃で約30〜60分間行なう。
【0013】上記の熱処理によって、前記CVD法によ
るSiO2 膜内、およびこのSiO2 膜と熱処理酸化膜
の界面のSi未結合手がターミネートされ、トラップ準
位が減少する。このようにして形成された絶縁膜上に
は、その上に必要な各素子を常法にしたがって形成され
るが、この発明の絶縁膜は長期にわたって安定した絶縁
性を提供する。
【0014】
【実施例】次に実施例によってこの発明を説明するがこ
の発明を限定するものではない。まずP(100)Si
基板1を約1%の希フッ化水素水溶液で洗浄後、105
0℃で1〜2時間処理してSiO2 酸化膜を形成し、上
記希フッ化水素水溶液で除去した。次に塩化水素/酸素
雰囲気下、900℃の温度にて約100Åの厚みでSi
2 の熱酸化膜2をSi基板1上に形成させた(図1a
参照)。この熱酸化膜2の上に、SiH4 +N2 Oを用
い850℃、200mTorr でのCVD法にてSiO2
4を約50Åの厚みで形成させた(図1b参照)。
【0015】次に5keVの注入エネルギーで1×10
16/cm2 の注入量でフッ素イオン5を注入した(図1c
参照)。次いで電気炉を用いて実質的に窒素ガスのみ含
有する雰囲気下約950℃で約30分間熱処理した。
【0016】上記のように処理して得たSi基板(a)
と、CVD法によるSiO2 膜の積層とフッ素イオンの
注入を行わずに、窒素雰囲気下での熱処理を行ったSi
基板(b)の両者を用いてMOSバラクターを作製し、
次のようにして絶縁破壊耐性特性を比較した。
【0017】リンをドープしたポリシリコンをパターン
形成して試料のゲートSiO2 膜上の電極とし、電極面
積Sを4mm2 とし、8MV/cm以上の電界強度で破壊す
るに至る前記Cモード不良のMOSバラクターを良品と
し、1つのSiウェハー上の約100ヶのMOSバラク
ターを母数として、これに対する上記良品バラクターの
数の比率すなわち良品比をPとしたときの欠陥密度ρを
計算した。ρは、欠陥がアトランダムに存在する領域に
発生し、その領域に発生した欠陥が複数個あっても1個
の欠陥と仮定するいわゆるポアソンの式ρ=−1nP/
Sを用いて算出した。その結果は以下の表のとおりであ
った。
【0018】
【表1】 上記の結果からこの発明の方法による試料(a)は、対
象試料(b)に比べてAモード不良が著しく少なく、欠
陥密度が小さくなっている。また界面準位密度Qss/
qも〜10-10 /cm2 となっており、ゲート絶縁膜と
しても良好な値となっている。さらに電流電圧特性から
みて、Fowler−Nordheimトンネル電流に
至るまでの中電界領域付近にみられるリーク電流成分
(伝導帯とトラップ準位を介してのホッピング電流)が
大幅に減少した。
【0019】
【発明の効果】この発明を用いれば、大面積ゲート絶縁
膜の欠陥密度を大幅に低減させることが可能となり、大
容量MOSメモリーに用いた場合良品数が著しく向上す
ることが期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の方法の効果を示す説明図である。
【符号の説明】
1 Si基板 2 熱酸化法によるSiO2膜 3 ピンホール 4 CVD法によるSiO2 膜 5 フッ素イオン
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 27/108 H01L 21/822 H01L 21/8242 H01L 27/04

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】Si基板上に熱酸化法でSiO2 の熱酸化
    膜を形成し、該熱酸化膜の上にCVD法で酸化膜を形成
    し、生成した積層膜の上から前記熱酸化膜と酸化膜との
    界面付近に注入プロファイルのピークがくるようにフッ
    素イオンを注入し、次いで不活性気体中で熱処理を行う
    ことを特徴とする半導体装置の酸化膜の製造方法。
  2. 【請求項2】酸化膜が高温酸化膜である請求項1記載の
    半導体装置の酸化膜の製造方法。
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