JP2950101B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置の製造方法

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JP2950101B2 JP13550893A JP13550893A JP2950101B2 JP 2950101 B2 JP2950101 B2 JP 2950101B2 JP 13550893 A JP13550893 A JP 13550893A JP 13550893 A JP13550893 A JP 13550893A JP 2950101 B2 JP2950101 B2 JP 2950101B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はMIS構造の半導体素子
を含む半導体装置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】MIS構造の半導体素子を含む半導体装
置では、素子分離は主に選択酸化(LOCOS)法によ
り行なわれている。半導体装置の断面図である図6を参
照すると、従来のLOCOS法では、まず、酸化シリコ
ン膜202を介してシリコン基板201の素子形成領域
209に、選択的に窒化シリコン膜203が設けられ
る。次に、この窒化シリコン膜203をマスクにして、
シリコン基板201表面が熱酸化され、素子形成領域2
09を囲む素子分離端207の外側の素子分離領域のみ
に膜厚の厚い酸化シリコン膜204が形成される。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】半導体素子の微細化に
関して、その素子寸法を縮小する場合、比例縮小則が提
案されている。この比例縮小則では、素子の寸法の縮小
に伴って素子に印加される電源電圧も低くすることによ
り、素子内部の電界は増加せずに一定に保たれることが
前提となっている。しかし現実には、素子の微細化が上
記比例縮小則に沿って行なわれているわけではなく、電
源電圧の低下が素子寸法の縮小に比較して遅れている。
そのため、半導体素子内の電界が増加し、種々の信頼性
の劣化が問題となっている。その1つとして、MIS構
造におけるゲート絶縁膜の薄膜化に伴ない、ゲート絶縁
膜内電界が増大して絶縁破壊耐圧特性が劣化する。
【0004】またMIS構造では、ゲート絶縁膜の膜厚
の場所による均一性が重要であり、他の部分に比較して
局所的に薄い部分が存在するとその部分での絶縁破壊の
発生頻度が高くなる。したがってゲート絶縁膜中に膜厚
の薄い部分が多く存在するならば、絶縁破壊耐圧特性が
劣化することになる。
【0005】図5に示した従来のLOCOS法は、シリ
コン基板201表面が部分的に酸化されることにより素
子分離領域の膜厚の厚い酸化シリコン膜204が形成さ
れるものである。それゆえ素子分離構造形成時には、窒
化シリコン膜203の残留応力,およびシリコン基板2
01が部分的に酸化される際の堆積膨張による応力等
が、素子分離端207近傍に集中する。図5に示した素
子分離構造を形成し、窒化シリコン膜204,酸化シリ
コン膜202を除去した後にMIS構造のゲート絶縁膜
の形成が行なわれる。半導体装置の断面図である図6を
参照すると、このゲート絶縁膜が(素子形成領域209
の)シリコン基板201表面の熱酸化によるゲート酸化
シリコン膜206からなる場合、上記素子分離端207
近傍では、ゲート酸化シリコン膜206の膜厚が局所的
に薄くなる傾向がある。これは、上述した素子分離構造
形成時に素子分離端207近傍への応力集中が起り、素
子分離端207近傍のシリコン基板201の結晶構造が
変化してしまうことが原因である。
【0006】このようにLOCOS法による素子分離構
造を有するMIS構造の半導体素子では、ゲート絶縁膜
が少なくともシリコン基板表面の熱酸化による酸化シリ
コン膜を含む場合、ゲート絶縁膜の素子分離端近傍での
絶縁破壊が発生する可能性が高くなり、ゲート絶縁膜の
絶縁破壊特性が劣化するという問題が生じる。
【0007】絶縁破壊耐圧分布(絶縁破壊電界に対する
絶縁破壊頻度)を示すグラフである図7を参照すると、
ゲート絶縁膜が7nmのゲート酸化シリコン膜,対向面
積が0.1mm2 および周囲長が1.3mmからなるM
IS構造の容量素子を形成し、これを測定すると、5M
V/cm付近の比較的低い絶縁破壊電界を示す試料が存
在することが明白になる。この5MV/cm付近の比較
的低い電界で生じる絶縁破壊は、素子分離端近傍でのゲ
ート酸化シリコン膜の薄膜化が原因である。LOCOS
法の後に熱酸化を含めた方法によりゲート絶縁膜を形成
する従来の方法では、優れた絶縁破壊耐圧特性を有する
ゲート絶縁膜は得られないことになる。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体装置の製
造方法は、第1の酸化シリコン膜を介してシリコン基板
の素子形成領域上に選択的に形成された窒化シリコン膜
をマスクにした選択酸化法により,このシリコン基板表
面の素子分離領域に第2の酸化シリコン膜を形成する工
程と、上記窒化シリコン膜をマスクにした斜め回転イオ
ン注入法により,5×1015cm-2〜5×1016cm-2
のドーズ量のフッ素を上記素子形成領域と上記素子分離
領域との境界の近傍の上記シリコン基板表面に導入する
工程と、上記窒化シリコン膜および第1の酸化シリコン
膜を除去し,少なくとも熱酸化を含む方法により上記素
子形成領域の上記シリコン基板表面にゲート絶縁膜を形
成する工程とを有する。
【0009】
【実施例】次に、本発明について図面を参照して説明す
る。
【0010】半導体装置の製造工程の断面図である図1
を参照すると、本発明の一実施例によるMIS構造のト
ランジスタは、以下のように形成される。
【0011】まず、950℃の熱酸化により、シリコン
基板101表面に膜厚50nm程度の(第1の酸化シリ
コン膜である)酸化シリコン膜102を形成する。CV
D法により、この酸化シリコン膜102上に膜厚300
nm程度の窒化シリコン膜を形成する。リソグラフィと
エッチングとによりこの窒化シリコン膜のパターニング
を行ない、シリコン基板101表面の素子が形成される
領域(素子形成領域)上にのみ窒化シリコン膜103を
残留形成する〔図1(a)〕。
【0012】次に、LOCOS法による上記窒化シリコ
ン膜103をマスクにした900℃の熱酸化を行なうこ
とにより、窒化シリコン膜103の無い部分のシリコン
基板101表面(素子分離領域)には膜厚400nm程
度の(第2の酸化シリコン膜である)酸化シリコン膜1
04が形成され、LOCOS法による素子分離構造が得
られる〔図1(b)〕。
【0013】続いて、窒化シリコン膜103(および酸
化シリコン膜104)をマスクにして、シリコン基板1
01の基板法線方向に対して約40°の打ち込み角度,
加速電圧約105keV,ドーズ量約5×1015cm-2
の条件下で、シリコン基板101に対してフッ素イオン
の斜め回転イオン注入を行なう。上記条件のイオン注入
では、実効的な膜厚は、酸化シリコン膜102と酸化シ
リコン膜104との境界をなす素子分離端107の部分
が最も薄くなる。このため、シリコン基板101表面に
おけるこの素子分離端107近傍に、約1×1020cm
-3のフッ素を含んだフッ素含有領域105が形成される
〔図1(c)〕。
【0014】その後、上記窒化シリコン膜103,酸化
シリコン膜102(および酸化シリコン膜104の一
部)を除去し、900℃の新たな熱酸化によりシリコン
基板101表面に膜厚7nm程度のゲート酸化シリコン
膜106が形成される〔図1(d)〕。ここで、素子分
離端107近傍にはフッ素含有領域105が存在してい
たため、本実施例の製造方法によると従来の製造方法
(図6参照)とは異なり、素子分離端107近傍におけ
るゲート酸化シリコン膜106の膜厚が素子分離端10
7近傍以外の部分の膜厚より少なくとも薄くならない構
造となる。
【0015】さらに、CVD法等により全面にポリシリ
コン膜を形成し、このポリシリコン膜をリソグラフィお
よびエッチングによりパターニングしてゲートポリシリ
コン電極108を形成する〔図1(e)〕。さらに本実
施例によるMISトランジスタを形成する場合には、こ
のゲートポリシリコン電極108をマスクにしたイオン
注入により、ソース,ドレイン領域(図示せず)を形成
する。
【0016】絶縁破壊耐圧分布(絶縁破壊電界に対する
絶縁破壊頻度)を示すグラフである図2を参照すると、
上記一実施例により形成されたMIS構造の容量素子
(対向面積0.1mm2 ,周囲長1.3mm)の絶縁破
壊電界は8MV/cm以上あり、図7に示した従来の製
造方法によるMIS構造の容量素子のような5MV/c
m程度の比較的低い電界での絶縁破壊は発生しなくな
る。
【0017】なお、上記一実施例では、ゲート絶縁膜と
して熱酸化のみにより形成した酸化シリコン膜を用いた
が、このような酸化シリコン膜以外にも、熱酸化による
酸化シリコン膜の表面を窒化して窒化シリコン膜で表面
を覆った積層膜等の酸化シリコン系の絶縁膜を用いても
よい。また、ゲートポリシリコン電極を有するMIS構
造のトランジスタの場合のみ示したが、ポリシリコン膜
以外に他の金属膜からなるゲート電極を用いてもよい。
【0018】次に、本発明における数値限定の論拠につ
いて図面を参照して説明する。
【0019】フッ素を含有するシリコン基板を熱酸化し
て得られる酸化シリコン膜は、フッ素を含んでいる。フ
ッ素を含有しない酸化シリコン膜の膜厚および比誘電率
を基準としたフッ素を含有する酸化シリコン膜の膜厚の
比および比誘電率の比と、シリコン基板に含有されるフ
ッ素濃度との関係を示すグラフである図3を参照する
と、以下のことが明かになる。
【0020】まず、シリコン基板に含有されるフッ素濃
度が1×1020cm-3より低いときには熱酸化における
増速酸化はあまり明瞭ではないが、このフッ素濃度が1
×1020cm-3以上あれば熱酸化における増速酸化効果
が顕著である。したがって、シリコン基板に含有される
フッ素濃度が1×1020cm-3以上あれば、上記一実施
例と同様に、素子分離端近傍でのゲート酸化シリコン膜
の膜厚が素子分離端近傍以外の部分の膜厚より少なくと
も薄くならないことになり、絶縁破壊耐圧特性が改善さ
れる。次に、シリコン基板に含有されるフッ素濃度が1
×1021cm-3を越えると、酸化シリコン膜の比誘電率
の減少が顕著になり、同一の電気特性を確保するにはゲ
ート酸化シリコン膜の膜厚を薄くする必要が生じ、これ
により絶縁破壊耐圧特性が低下することになる。このた
め、シリコン基板に含有されるフッ素濃度は1×1021
cm-3以下であることが必要である。これらの結果、シ
リコン基板に含有されるフッ素濃度は、1×1020cm
-3〜1×1021cm-3の範囲であることが好ましいこと
になる。
【0021】フッ素イオン打ち込みドーズ量に対するシ
リコン基板に含有されるフッ素濃度を示すグラフである
図4を参照すると、シリコン基板に含有されるフッ素濃
度が1×1020cm-3〜1×1021cm-3の範囲である
ためには、フッ素イオン打ち込みドーズ量が5×1015
cm-2〜5×1016cm-2の範囲であればよい。
【0022】
【発明の効果】以上説明したように本発明の半導体装置
の製造方法によると、LOCOS法による素子分離構造
を含むMIS構造を有する半導体装置において、少なく
とも熱酸化による酸化シリコン膜を含んだゲート絶縁膜
の素子分離端近傍における膜厚が、この素子分離端近傍
のみに打ち込まれたフッ素の増速酸化効果により、素子
分離端近傍以外の領域のゲート絶縁膜の膜厚と比較し
て、少なくとも薄くならない。
【0023】このため本発明の適用により、素子分離端
におけるゲート絶縁膜の局所的薄膜下が原因で生じるゲ
ート絶縁膜の絶縁破壊耐圧特性の劣化を防止することが
可能となり、高信頼性を有する半導体装置を実現するこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の製造工程の断面図である。
【図2】上記一実施例の効果を説明するための図であ
り、絶縁破壊耐圧分布を示すグラフである。
【図3】本発明の数値限定の論拠を説明するための図で
あり、フッ素を含有しない酸化シリコン膜の膜厚および
比誘電率を基準としたフッ素を含有する酸化シリコン膜
の膜厚の比および比誘電率の比とシリコン基板に含有さ
れるフッ素濃度との関係を示すグラフである。
【図4】本発明の数値限定の論拠を補足的に説明するた
めの図であり、フッ素イオン打ち込みドーズ量に対する
シリコン基板に含有されるフッ素濃度を示すグラフであ
る。
【図5】従来の技術を説明するための断面図である。
【図6】従来の技術の問題点を説明するための断面図で
ある。
【図7】従来の技術の問題点を説明するための図であ
り、絶縁破壊耐圧分布を示すグラフである。
【符号の説明】
101,201 シリコン基板 102,104,202,204 酸化シリコン膜 103,203 窒化シリコン膜 105 フッ素含有領域 106,206 ゲート酸化シリコン膜 107,207 素子分離端 108,208 ゲートポリシリコン電極 209 素子形成領域
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 29/78

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 第1の酸化シリコン膜を介してシリコン
    基板の素子形成領域上に選択的に形成された窒化シリコ
    ン膜をマスクにした選択酸化法により、該シリコン基板
    表面の素子分離領域に第2の酸化シリコン膜を形成する
    工程と、 前記窒化シリコン膜をマスクにした斜め回転イオン注入
    法により、5×1015cm-2〜5×1016cm-2のドー
    ズ量のフッ素を前記素子形成領域と前記素子分離領域と
    の境界の近傍の前記シリコン基板表面に導入する工程
    と、 前記窒化シリコン膜および第1の酸化シリコン膜を除去
    し、少なくとも熱酸化を含む方法により前記素子形成領
    域の前記シリコン基板表面にゲート絶縁膜を形成する工
    程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
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