JP2997599B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

Semiconductor device and manufacturing method thereof

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JP2997599B2
JP2997599B2 JP4109212A JP10921292A JP2997599B2 JP 2997599 B2 JP2997599 B2 JP 2997599B2 JP 4109212 A JP4109212 A JP 4109212A JP 10921292 A JP10921292 A JP 10921292A JP 2997599 B2 JP2997599 B2 JP 2997599B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は半導体装置およびその
製造方法に関し、特に、ホットキャリア注入に対して強
い耐性を有するMIS型半導体装置の構造、またその製
造方法に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a structure of a MIS type semiconductor device having high resistance to hot carrier injection and a method of manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】図5は従来のMOS型トランジスタの構
造を示す断面図である。図において、501はシリコン
基板、502はゲート絶縁膜、503はゲート電極、5
04はドレイン領域、505はソース領域、512はチ
ャネル領域である。
2. Description of the Related Art FIG. 5 is a sectional view showing the structure of a conventional MOS transistor. In the figure, 501 is a silicon substrate, 502 is a gate insulating film, 503 is a gate electrode, 5
04 is a drain region, 505 is a source region, and 512 is a channel region.

【0003】シリコン基板501は例えばボロン濃度1
×1016〜1×1017/cm3 のP型(001)基板であ
る。502はゲート絶縁膜であり、約4〜15nmの膜
厚を持つシリコン酸化膜を950℃〜1000℃の純ア
ンモニア雰囲気中で10〜60秒窒化したものである。
また、この窒化シリコン酸化膜を1000℃程度の純酸
化雰囲気中で10〜120秒再酸化するか、同様の温度
の不活性ガス雰囲気中で同程度アニールしてもよい。ゲ
ート電極503は高濃度N型にドープされた多結晶シリ
コン層または金属である。ドレイン領域504,ソース
領域505は1×1020/cm3 以上にドープされたN型
シリコン領域である。
A silicon substrate 501 has, for example, a boron concentration of 1.
It is a P-type (001) substrate of × 10 16 to 1 × 10 17 / cm 3 . Reference numeral 502 denotes a gate insulating film formed by nitriding a silicon oxide film having a thickness of about 4 to 15 nm in a pure ammonia atmosphere at 950 ° C. to 1000 ° C. for 10 to 60 seconds.
The silicon nitride oxide film may be reoxidized in a pure oxidation atmosphere at about 1000 ° C. for 10 to 120 seconds, or may be annealed to the same degree in an inert gas atmosphere at a similar temperature. The gate electrode 503 is a polycrystalline silicon layer or metal doped with a high concentration N-type. The drain region 504 and the source region 505 are N-type silicon regions doped at 1 × 10 20 / cm 3 or more.

【0004】この時、ゲート絶縁膜内の窒素原子の濃度
分布は例えば図7(b) に示す、1990年インターナシ
ョナル エレクトロン デバイス ミーティング テク
ニカル ダイジェスト 427頁(1990 International
Electron Devices Meeting,Technical Digest p.427
)に示されているように、シリコン基板と絶縁膜界面
で1022/cm3 と最も高くなっている。また、膜の大部
分の領域は1020/cm3程度の窒素原子を含んでいる。
At this time, the concentration distribution of nitrogen atoms in the gate insulating film is shown in, for example, FIG. 7B, 1990 International Electron Device Meeting Technical Digest, p. 427 (1990 International).
Electron Devices Meeting, Technical Digest p.427
As shown in (), the highest value is 10 22 / cm 3 at the interface between the silicon substrate and the insulating film. Most regions of the film contain about 10 20 / cm 3 of nitrogen atoms.

【0005】また、この文献では、薄いシリコン酸化膜
を形成した後、1100℃のN2 O雰囲気中で30秒窒
化した場合の窒素濃度プロファイルについても示してい
る。この図を図7(c) に示す。これによると、シリコン
基板と絶縁膜界面での窒素濃度はアンモニアで窒化した
場合と変化はないが、膜内の窒素濃度は1019/cm3
下となっている。また、同文献は純シリコン酸化膜の窒
素濃度プロファイルについても示しており、これを図7
(a) に示す。
This document also shows a nitrogen concentration profile in the case where a thin silicon oxide film is formed and then nitrided in an N 2 O atmosphere at 1100 ° C. for 30 seconds. This figure is shown in FIG. According to this, the nitrogen concentration at the interface between the silicon substrate and the insulating film is not changed from the case of nitriding with ammonia, but the nitrogen concentration in the film is 10 19 / cm 3 or less. This document also shows a nitrogen concentration profile of a pure silicon oxide film, which is shown in FIG.
(a).

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】従来の半導体装置は以
上のように構成されているので、アンモニア雰囲気で窒
化した場合、ゲート絶縁膜内に窒素が高濃度に存在する
ため、固定電荷量が多くなり、閾値電圧がシフトすると
いう問題があった。一般にアンモニアで窒化した場合、
1989年 インターナショナル エレクトロン デバ
イス ミーティング テクニカル ダイジェスト 26
9頁の表2(1989 International Electron Devices Me
eting, Technical Digest p.269, Table 2)に示された
ように、また、同文献の267頁右段第2行ないし第3
行目に書かれたように、固定電荷は純シリコン酸化膜の
場合よりも1011/cm2 〜1012/cm2 多くなり、閾値
電圧は負側に0.1〜0.4Vシフトする。
Since the conventional semiconductor device is configured as described above, when nitriding in an ammonia atmosphere, a large amount of fixed charge is generated because nitrogen is present at a high concentration in the gate insulating film. This causes a problem that the threshold voltage shifts. Generally, when nitriding with ammonia,
1989 International Electron Device Meeting Technical Digest 26
Table 2 on page 9 (1989 International Electron Devices Me
eting, Technical Digest, p. 269, Table 2), as well as the second line or third line on the right column on page 267 of the same document.
As described in the line, the fixed charge is higher than that of the pure silicon oxide film by 10 11 / cm 2 to 10 12 / cm 2, and the threshold voltage is shifted to the negative side by 0.1 to 0.4 V.

【0007】また、窒素濃度が高いと酸化膜トラップが
多くなり、ドレイン電圧とゲート電圧を等しくした場合
のホットキャリア劣化、即ちチャネルホットエレクトロ
ン注入による劣化が著しいという問題があった。このこ
とは、1991年 インターナショナル エレクトロン
デバイス ミーティング テクニカル ダイジェスト
362頁の図10及び651頁の図3,図4,図6
(1991 International Electron Devices Meeting Tec
hnical Digest p.362, Fig.10, p.651, Fig.3, Fig.4,
and Fig.6)に示してある。また、PMOSトランジスタ
においては、ゲート電流最大条件でホットキャリア劣化
が著しくなるという問題点があった。
Further, when the nitrogen concentration is high, the number of oxide film traps increases, and there is a problem that hot carrier deterioration when the drain voltage and the gate voltage are equalized, that is, deterioration due to channel hot electron injection is remarkable. This is illustrated in FIG. 10 on page 362 and FIGS. 3, 4 and 6 on page 661 of the 1991 International Electron Device Meeting Technical Digest.
(1991 International Electron Devices Meeting Tec
hnical Digest p.362, Fig.10, p.651, Fig.3, Fig.4,
and Fig.6). Further, in the PMOS transistor, there is a problem that hot carrier deterioration is remarkable under a maximum gate current condition.

【0008】また、さらにN2 O雰囲気中で窒化を行う
場合、絶縁膜厚が10nm程度の場合には、前述したよ
うに、膜中の窒素濃度は低いが、絶縁膜厚を5nm以下
にすると、膜の窒素濃度を1019/cm3 以下にするのは
困難である。それは窒素濃度が高い領域は少なくとも5
nm程度に広がるので、膜厚が薄くなればなるほど、膜
中の窒素濃度は低くすることができなくなるためであ
る。また、N2 O雰囲気で窒化する場合、高温でかなり
長時間の熱処理が必要であるため、微小デバイスを作製
するのは困難であるという問題があった。
When nitriding is further performed in an N 2 O atmosphere, when the insulating film thickness is about 10 nm, as described above, the nitrogen concentration in the film is low, but when the insulating film thickness is 5 nm or less, It is difficult to reduce the nitrogen concentration of the film to 10 19 / cm 3 or less. It should be at least 5 for regions with high nitrogen
This is because the nitrogen concentration in the film cannot be reduced as the film thickness decreases. Further, when nitriding in an N2 O atmosphere, there is a problem that it is difficult to manufacture a micro device because a heat treatment for a considerably long time is required at a high temperature.

【0009】また、従来からホットキャリア効果を緩和
する方法として、ドレイン近傍の電界の緩和、即ちホッ
トエレクトロンの発生数を減少させるためのデバイス構
造としてLDD(Lightly Doped Drain)がある。このL
DD構造の一部断面図を他の従来例として図6に示す。
図において、601はシリコン基板、602はゲート絶
縁膜、603はゲート電極、604は高濃度ドレイン領
域、608はサイドウォール、609は低濃度ドレイン
領域、612はチャネル領域である。
Conventionally, as a method of alleviating the hot carrier effect, there is an LDD (Lightly Doped Drain) as a device structure for alleviating the electric field near the drain, that is, reducing the number of generated hot electrons. This L
FIG. 6 shows a partial cross-sectional view of the DD structure as another conventional example.
In the figure, 601 is a silicon substrate, 602 is a gate insulating film, 603 is a gate electrode, 604 is a high-concentration drain region, 608 is a sidewall, 609 is a low-concentration drain region, and 612 is a channel region.

【0010】本構造は高濃度ドレイン領域604のゲー
ト近傍に低濃度なドレイン領域609を設ける方法で、
このような構造にするとドレイン近傍でのP/N接合が
階段接合から傾斜接合となり、空乏層が広がり易くな
り、さらに接合の曲率が大きくなるので強電界や電界集
中が緩和される。
In this structure, a low-concentration drain region 609 is provided near the gate of the high-concentration drain region 604.
With such a structure, the P / N junction near the drain becomes a graded junction from a step junction, the depletion layer is easily spread, and the curvature of the junction is increased, so that the strong electric field and the electric field concentration are reduced.

【0011】このようなLDD構造では、ドレインアバ
ランシェホットキャリアがサイドウォール部に注入され
るため、サイドウォール部を窒化酸化膜としてドレイン
アバランシェホットキャリア耐性を向上させることがで
きる。しかしながらこのLDDにおいても、上述のよう
、サイドウォール内に窒素が高濃度に存在するため、
固定電荷量が多くなり、閾値電圧がシフトするという問
題があり、さらには、サイドウォール領域にホットキャ
リアが注入され、負電荷トラップが生じることによって
ゲート電圧の制御を受けないこのサイドウォール直下で
電流経路が曲がり、トランスコンダクタンスの劣化や飽
和電流の減少が生じるという問題がある。
In such an LDD structure, the drain
Lanche hot carrier is injected into the sidewall
As a result, the side wall is
Avalanche hot carrier resistance can be improved
Wear. However, even in this LDD, as described above, since nitrogen in the service id wall is present at a high concentration,
There is a problem that the fixed charge amount increases and the threshold voltage shifts. Furthermore, hot carriers are injected into the sidewall region, and a negative charge trap occurs. There is a problem that the path is bent, and the transconductance is deteriorated and the saturation current is reduced.

【0012】この発明は上記のような種々の問題点を解
消するためになされたもので、ゲート絶縁膜の固定電荷
を減らし、閾値電圧のシフトを少なくするとともに、酸
化膜トラップを減らし、チャネルホットエレクトロン注
入によるホットキャリア劣化を抑えることができるMI
SFETの構造を得ることを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned various problems. The present invention has been made to reduce the fixed charge of the gate insulating film, reduce the shift of the threshold voltage, reduce the oxide film trap, and improve the channel hot. MI that can suppress hot carrier deterioration due to electron injection
It is intended to obtain the structure of the SFET.

【0013】また、この発明はサイドウォール領域の固
定電荷を減らし、固定電荷による低濃度ドレイン領域の
電界変調を抑えることができるLDDトランジスタの構
造を得ることを目的とする。さらに、この発明は上記の
構造を実現する絶縁膜を備えた半導体装置の製造方法を
提供することを目的とする。
Another object of the present invention is to provide an LDD transistor structure capable of reducing fixed charges in the side wall region and suppressing electric field modulation in the low concentration drain region due to the fixed charges. Still another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor device having an insulating film realizing the above structure.

【0014】[0014]

【課題を解決するための手段】この発明に係る半導体装
置は、半導体層の一主面に適当な距離を隔てて形成され
た第1導電型半導体よりなるソース,ドレイン領域と、
ソース領域とドレイン領域に挟まれたチャネル領域と、
チャネル領域の表面に設けられたゲート絶縁膜とを有
かつ上記ドレイン領域が高濃度領域と低濃度領域よりな
MIS型半導体装置において、上記低濃度ドレイン領
域上に、低濃度領域との界面に接する低濃度の水素原子
と1019/cm3 以上の窒素原子を含む第一の膜と、少な
くとも上記第一の膜の1.5倍以上の厚さを有し、上記
第一の膜に接し1019/cm3 以下の窒素原子を含む第二
の膜とを具備するものである。
According to the present invention, there is provided a semiconductor device comprising: a source / drain region formed of a first conductivity type semiconductor formed on one main surface of a semiconductor layer at an appropriate distance;
A channel region sandwiched between a source region and a drain region;
Have a gate insulating film provided on the surface of the channel region
In addition, the drain region is formed between the high concentration region and the low concentration region.
In the MIS type semiconductor device described above,
A first film containing low-concentration hydrogen atoms and 10 19 / cm 3 or more nitrogen atoms in contact with the interface with the low-concentration region, and at least 1.5 times the thickness of the first film. And a second film in contact with the first film and containing 10 19 / cm 3 or less of nitrogen atoms.

【0015】また、この発明に係る半導体装置の製造方
法は、シリコン層表面に第1の酸化膜を形成し、この第
1の酸化膜をアンモニアを含む雰囲気中で窒化し窒素原
子を濃度10 19 /cm 3 以上含む窒化酸化膜を形成し、こ
の窒化酸化膜をアニールまたは酸化して膜中の水素濃度
を下げた後、この窒化酸化膜上に窒素原子を濃度10 19
/cm 3 以下で含む第2の酸化膜を堆積するようにした
のである。
Further, a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention is provided.
The method forms a first oxide film on the surface of the silicon layer,
The oxide film of No. 1 is nitrided in an atmosphere containing ammonia to form a nitrogen source.
A nitrided oxide film containing a concentration of 10 19 / cm 3 or more is formed.
Annealing or oxidizing the nitrided oxide film in
After lowering, and the nitrogen atom to the oxynitride film density 10 19
/ Cm 3 was to deposit a second oxide layer comprising the following is also <br/> of.

【0016】[0016]

【0017】[0017]

【作用】この発明における半導体装置は、MOSFET
のLDD構造の少なくとも低濃度領域表面に窒素を含有
する絶縁膜を設け、該絶縁膜を、低濃度領域との界面付
近では10 19 /cm 3 以上の濃度の窒素原子を含み、それ
以外の大部分の領域では10 19 /cm 3 以下の濃度の窒素
原子を含むものとしたため、低濃度領域界面に設けられ
た窒素濃度の高い絶縁層はドレインアバランシェホット
キャリア注入による界面準位の生成に対して高い耐性を
有し、また、それ以外の窒素原子濃度の低い絶縁層は、
絶縁膜全体の平均の窒素濃度を下げ、サイドウォール領
域の固定電荷を減少させるとともに酸化膜トラップを少
なくし、低濃度領域の電界変調が抑制される。
The semiconductor device according to the present invention comprises a MOSFET.
Contains nitrogen on at least low concentration region surface of LDD structure
To provide an interface with the low-concentration region.
Recently , it contains nitrogen atoms at a concentration of 10 19 / cm 3 or more.
In most areas other than nitrogen, the concentration of nitrogen is 10 19 / cm 3 or less.
Because it contains atoms, it is provided at the interface of the low concentration region.
Drain avalanche hot
High resistance to generation of interface states due to carrier injection
Having, and the other insulating layer having a low nitrogen atom concentration,
Lower the average nitrogen concentration of the entire insulating film,
And reduce oxide traps.
The electric field modulation in the low concentration region is suppressed.

【0018】また、この発明における半導体装置の製造
方法は、シリコン層表面に酸化膜を形成し、この酸化膜
をアンモニアを含む雰囲気中で窒化し窒素原子を濃度1
19 /cm 3 以上含む窒化酸化膜を形成し、この窒化酸化
膜をアニールまたは酸化して膜中の水素濃度を下げた
後、この窒化酸化膜上に窒素原子を濃度10 19 /cm 3
下で含む酸化膜を堆積するようにしたから、ドレインア
バランシェホットキャリア注入による界面準位の生成に
対して高い耐性を有し、かつ固定電荷の少ない絶縁膜を
容易に形成することができる。
Further, the manufacture of the semiconductor device according to the present invention
In the method, an oxide film is formed on a silicon layer surface, and the oxide film is formed.
Is nitrided in an atmosphere containing ammonia and the nitrogen atom concentration is 1
A nitrided oxide film containing at least 0 19 / cm 3 is formed.
Annealed or oxidized film to reduce hydrogen concentration in film
Thereafter, a nitrogen atom concentration of 10 19 / cm 3 or less is formed on the nitrided oxide film.
Since an oxide film, which is included below, is deposited,
For generation of interface states by balunche hot carrier injection
An insulating film that has high resistance to
It can be easily formed.

【0019】[0019]

【0020】[0020]

【実施例】以下、この発明の一実施例を図について説明
する。図1は本発明の第1の実施例による半導体装置で
あるNMOSトランジスタの構造を示す断面図である。
図1において、101はシリコン基板、102はゲート
絶縁膜でこれは膜中のほとんどの部分で窒素濃度が10
19/cm3 以上、好ましくは1020/cm3 以上ある窒化酸
化膜106と、該窒化酸化膜106上に形成された、膜
中のほとんどの部分で窒素濃度が1019/cm3 以下のシ
リコン酸化膜107とからなる。また、103はゲート
電極、104はドレイン領域、105はソース領域、1
12はチャネル領域である。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS One embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a sectional view showing a structure of an NMOS transistor which is a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention.
In FIG. 1, 101 is a silicon substrate, 102 is a gate insulating film, which has a nitrogen concentration of 10 in most of the film.
19 / cm 3 or more, preferably 10 and 20 / cm 3 or more is nitride oxide film 106 was formed on the nitride oxide film 106, most of the nitrogen concentration is 10 19 / cm 3 or less of silicon in the film And an oxide film 107. 103 is a gate electrode, 104 is a drain region, 105 is a source region, 1
Reference numeral 12 denotes a channel region.

【0021】そして、窒化酸化膜106の膜厚は4n
m、シリコン酸化膜107の膜厚は例えば8nmであ
る。また、この時の窒素濃度のプロファイルは図2に示
すようなものとなる。即ち、シリコン基板101に近い
約4nmのほとんどの領域で窒素濃度が1020/cm3
上含み、ゲート電極103に近い約8nmのほとんどの
領域で窒素濃度が1019/cm3 以下含まれる。
The thickness of the nitrided oxide film 106 is 4 n
m, the thickness of the silicon oxide film 107 is, for example, 8 nm. The profile of the nitrogen concentration at this time is as shown in FIG. That is, most of the region of about 4 nm near the silicon substrate 101 contains a nitrogen concentration of 10 20 / cm 3 or more, and most of the region of about 8 nm near the gate electrode 103 .
The region contains a nitrogen concentration of 10 19 / cm 3 or less.

【0022】このような本実施例では、ゲート絶縁膜1
02を2層構造とし、シリコン基板101に近い約4n
のほとんどの領域で、窒素濃度が1020/cm3 以上含
む窒化酸化膜106、また、ゲート電極103に近い約
8nmのほとんどの領域で窒素濃度が1019/cm3 以下
含むシリコン酸化膜107から構成したので、チャネル
領域112との界面に設けられた窒素濃度の高い絶縁層
106がドレインアバランシェホットキャリア注入によ
る界面準位の生成に対して高い耐性を示し、また、それ
以外の部分に設けた窒素濃度の低い絶縁層107が、ゲ
ート絶縁膜102全体の平均の窒素濃度を下げ、固定電
荷を減少させるとともに酸化膜トラップを少なくし、ゲ
ート電圧とドレイン電圧がほぼ等しい条件でのチャネル
ホットエレクトロン注入を抑制するという効果がある。
In this embodiment, the gate insulating film 1
02 has a two-layer structure, and is approximately 4n close to the silicon substrate 101.
In most areas of m, nitride oxide film 106 nitrogen concentration includes 10 20 / cm 3 or more also, the silicon oxide film 107 which nitrogen concentration in most region of about 8nm near the gate electrode 103 includes 10 19 / cm 3 or less , The insulating layer 106 having a high nitrogen concentration provided at the interface with the channel region 112 has high resistance to the generation of the interface state due to the injection of the drain avalanche hot carrier. The insulating layer 107 having a low nitrogen concentration lowers the average nitrogen concentration of the entire gate insulating film 102, reduces fixed charges, reduces oxide film traps, and reduces the channel under the condition that the gate voltage and the drain voltage are almost equal.
This has the effect of suppressing hot electron injection.

【0023】また、図3は本発明の他の実施例による半
導体装置の一部断面構造を示しており、本実施例はLD
D構造に本発明を適用したものの一例である。図3にお
いて、301はシリコン基板、302はゲート絶縁膜、
303はゲート電極、304は高濃度ドレイン領域、3
09は低濃度ドレイン領域、306は窒素濃度が1019
/cm3 以上、好ましくは1020/cm3 以上ある窒化酸化
膜、307は窒化酸化膜306上に形成された、膜中の
ほとんどの部分で窒素濃度が1019/cm3 以下のシリコ
ン酸化膜、また、308はサイドウォール絶縁膜、31
2はチャネル領域である。
FIG. 3 shows a partial cross-sectional structure of a semiconductor device according to another embodiment of the present invention.
This is an example in which the present invention is applied to a D structure. In FIG. 3, 301 is a silicon substrate, 302 is a gate insulating film,
303 is a gate electrode; 304 is a high concentration drain region;
09 is a low concentration drain region, 306 is a nitrogen concentration of 10 19
/ Cm 3 or more, preferably 10 20 / cm 3 or more, 307 is a silicon oxide film formed on the nitrided oxide film 306 and having a nitrogen concentration of 10 19 / cm 3 or less in most of the film. 308 is a side wall insulating film;
2 is a channel region.

【0024】そして、窒化酸化膜306の膜厚は4n
m、シリコン酸化膜307の膜厚は例えば8nmであ
る。また、この時のサイドウォール部の窒化酸化膜30
6とシリコン酸化膜307の部分の窒素濃度プロファイ
ルは図2と同様になる。
The thickness of the nitrided oxide film 306 is 4n.
m, the thickness of the silicon oxide film 307 is, for example, 8 nm. Also, at this time, the nitrided oxide film 30 in the sidewall portion is formed.
6 and the silicon oxide film 307 have the same nitrogen concentration profile as in FIG.

【0025】このような本実施例では、LDD構造の少
なくとも低濃度領域表面とサイドウォール絶縁膜との間
に、窒素を含有する絶縁膜を設け、この絶縁膜を2層か
ら構成し、低濃度ドレイン領域309に接して1019
cm3 以上の窒素濃度を有する薄い窒化酸化膜306を、
また、サイドウォール絶縁膜308に接して1019/cm
3 以下の窒素濃度を有するシリコン酸化膜307を設け
るようにしたので、低濃度ドレイン領域309界面に設
けられた窒素濃度の高い窒素酸化膜306がドレインア
バランシェホットキャリア注入による界面準位の生成に
対して高い耐性を示し、また、その上部の窒素原子の低
いシリコン酸化膜307が絶縁膜全体の平均の窒素濃度
を下げ、サイドウォール領域の固定電荷を減少させ、固
定電荷による低濃度ドレイン領域309の電界変調を抑
制する効果がある。
In this embodiment, an insulating film containing nitrogen is provided between at least the surface of the low-concentration region of the LDD structure and the sidewall insulating film, and this insulating film is composed of two layers. 10 19 / in contact with the drain region 309
a thin nitrided oxide film 306 having a nitrogen concentration of at least 3 cm 3 ,
Further, it is in contact with the sidewall insulating film 308 and 10 19 / cm
3 since the provided silicon oxide film 307 having the following nitrogen concentration, the lightly doped drain region 309 high nitrogen oxide film 306 having a nitrogen concentration which is provided at the interface Dorein'a
The silicon oxide film 307 having low nitrogen atoms thereon has a high resistance to the generation of interface states due to the injection of valanche hot carriers. This has the effect of suppressing the electric field modulation of the low concentration drain region 309 due to the fixed charge.

【0026】また、図4に本発明に係る半導体装置の製
造方法、特にシリコン基板上に図2に示す窒素濃度プロ
ファイルを有する絶縁膜を形成する方法の各主要工程の
断面図を示す。図において、401はシリコン基板、4
11は第1のシリコン酸化膜、406は第2のシリコン
酸化膜、407は窒化酸化膜である。
FIG. 4 is a cross-sectional view showing the main steps of a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, in particular, a method of forming an insulating film having a nitrogen concentration profile shown in FIG. 2 on a silicon substrate. Is shown. In the figure, 401 is a silicon substrate, 4
Reference numeral 11 denotes a first silicon oxide film, 406 denotes a second silicon oxide film, and 407 denotes a nitrided oxide film.

【0027】以下、本実施例の製造方法を図に従って説
明する。まず、図4(a) に示すように、シリコン基板4
01上に第1のシリコン酸化膜411を4nm形成す
る。
Hereinafter, the manufacturing method of this embodiment will be described with reference to the drawings. First, as shown in FIG.
A first silicon oxide film 411 is formed to a thickness of 4 nm on the substrate 01.

【0028】次に、図4(b) に示すように、例えば95
0℃の純アンモニア雰囲気中で10〜60秒窒化を行
い、例えば1000℃程度の純酸素雰囲気中で30秒程
度再酸化する。この再酸化による膜厚増加は1nm以下
である。こうすることによって、窒化酸化膜406を形
成する。
Next, as shown in FIG.
Nitriding is performed for 10 to 60 seconds in a pure ammonia atmosphere at 0 ° C., and reoxidation is performed in a pure oxygen atmosphere at about 1000 ° C. for about 30 seconds. The increase in film thickness due to this re-oxidation is 1 nm or less. Thus, a nitrided oxide film 406 is formed.

【0029】ここで、アンモニア雰囲気中で窒化後、酸
素雰囲気中で再酸化するのは、アンモニア雰囲気での窒
化により窒素と同時に形成された膜中の水素濃度を下
げ、水素によるトラップ準位の発生を防止するためであ
る。
Here, nitriding in an ammonia atmosphere and then re-oxidizing in an oxygen atmosphere are performed because nitriding in an ammonia atmosphere lowers the concentration of hydrogen in a film formed simultaneously with nitrogen to generate trap levels due to hydrogen. This is to prevent

【0030】次に、図4(c) に示すように、窒化酸化膜
406上に900℃以下の低温で第2のシリコン酸化膜
407を8nm堆積する。これにより、図2に示した窒
素濃度プロファイルを持つ絶縁膜が形成される。ここ
で、窒化酸化膜406の形成とシリコン酸化膜407の
形成は同一の装置内で行ってもよい。
Next, as shown in FIG. 4C, a second silicon oxide film 407 is deposited on the nitrided oxide film 406 at a low temperature of 900.degree. Thus, an insulating film having the nitrogen concentration profile shown in FIG. 2 is formed. Here, the formation of the nitrided oxide film 406 and the formation of the silicon oxide film 407 may be performed in the same apparatus.

【0031】このような図2に示した窒素濃度プロファ
イルを持つ絶縁膜をドレインアバランシェホットキャリ
ア注入される領域に用いると、前述したように、界面準
位生成に対する耐性は強くなり、また固定電荷や酸化膜
トラップは少なくなる。固定電荷が閾値電圧に及ぼす影
響はシリコン基板に近いほど著しくなるので、窒化酸化
膜406はできるだけ薄くすることが望ましい。但し、
ゲート絶縁膜全体の厚みが4nmよりも薄い場合にはト
ンネリング電流が流れるので全体の厚みは4nm以上
するのが適当である。酸化膜トラップへの電子のトラッ
プはシリコン基板401からどちらかというと遠い領域
を中心に起きるので、シリコン酸化膜407の膜厚が窒
化酸化膜よりも厚いならば十分効果を発揮する。界面準
位の生成に対する耐性向上は、窒化酸化膜406がシリ
コン基板401と界面を有することで十分である。
When such an insulating film having the nitrogen concentration profile shown in FIG. 2 is used in a region into which a drain avalanche hot carrier is injected, as described above, the resistance to the generation of the interface state is increased, and the fixed charge and Oxide traps are reduced. Since the effect of the fixed charge on the threshold voltage becomes more significant as it approaches the silicon substrate, it is desirable to make the nitrided oxide film 406 as thin as possible. However,
When the thickness of the entire gate insulating film is smaller than 4 nm, a tunneling current flows. Therefore, the total thickness is appropriately set to 4 nm or more . Since the trapping of electrons into the oxide film trap occurs mainly in a region which is rather far from the silicon substrate 401, a sufficient effect is exerted if the silicon oxide film 407 is thicker than the nitrided oxide film. It is sufficient that the nitride oxide film 406 has an interface with the silicon substrate 401 to improve the resistance to the generation of the interface state.

【0032】また、ゲート絶縁膜厚が、例えば20nm
以上と厚い場合、これを窒化し、シリコン基板とゲート
絶縁膜界面に窒素濃度の高い領域を作ることは困難であ
ったし、多くの熱処理を必要とした。しかし、本実施例
によれば少ない熱処理で効率的に窒素原子が高濃度の窒
化酸化膜/シリコン基板界面を形成することができる。
The thickness of the gate insulating film is, for example, 20 nm.
When the thickness is as thick as above, it was difficult to nitride the nitrided material to form a region having a high nitrogen concentration at the interface between the silicon substrate and the gate insulating film, and required a lot of heat treatment. However, according to this embodiment, the interface between the nitrided oxide film and the silicon substrate with a high concentration of nitrogen atoms can be efficiently formed with a small amount of heat treatment.

【0033】なお、以上の実施例ではNMOSトランジ
スタについて述べたが、PMOSトランジスタでも窒化
酸化膜は界面準位生成に対して耐性を持っていること、
シリコン酸化膜は酸化膜トラップや固定電荷量が少ない
ことに変わりはないことから、同様の効果が得られる。
Although the above embodiments have been described with reference to an NMOS transistor, the nitrided oxide film of a PMOS transistor is resistant to the generation of interface states.
The same effect can be obtained because the silicon oxide film has a small oxide film trap and a small fixed charge amount.

【0034】[0034]

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、サイ
ドウォール絶縁膜とシリコン基板界面に界面準位生成に
対する耐性の高い窒化酸化膜を用い、サイドウォール絶
縁膜との界面に酸化膜トラップと固定電荷の少ないシリ
コン酸化膜を用いたので、ホットキャリア耐性を向上で
きるとともに、固定電荷や酸化膜トラップにトラップさ
れた電子による電流変調を小さくできるという効果があ
る。
As described above, according to the present invention, the size
For generation of interface states at the interface between the wall insulating film and the silicon substrate
Use a nitrided oxide film that is highly resistant to
An oxide trap and a silicon with a small fixed charge are placed at the interface with the edge film.
Improved hot carrier resistance due to the use of a Kon oxide film
As well as trapped by fixed charges and oxide traps.
The effect is that the current modulation by the trapped electrons can be reduced.
You.

【0035】[0035]

【0036】また、この発明によれば、シリコン層表面
に酸化膜を形成してこれをアンモニアを含む雰囲気中で
窒化後、これをアニールまたは酸化し、この窒化酸化膜
上に窒素原子を濃度1019/cm3 以下で含む酸化膜を堆
積したので、ホットキャリア注入による界面準位の生成
に対して高い耐性を有し、かつ固定電荷の少ない絶縁膜
少ない熱処理で形成できる効果がある。
Further, according to the present invention, an oxide film is formed on the surface of the silicon layer, nitrided in an atmosphere containing ammonia, and then annealed or oxidized. Since an oxide film containing 19 / cm 3 or less is deposited, there is an effect that an insulating film having high resistance to generation of interface states due to hot carrier injection and having a small fixed charge can be formed by a small heat treatment .

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】この発明の第1の実施例による半導体装置の断
面図である。
FIG. 1 is a sectional view of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention.

【図2】この発明の第1の実施例による半導体装置のゲ
ート絶縁膜内の窒素濃度プロファイルを示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing a nitrogen concentration profile in a gate insulating film of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.

【図3】この発明の第2の実施例による半導体装置の一
部の断面図である。
FIG. 3 is a partial cross-sectional view of a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.

【図4】この発明の第3の実施例による半導体装置の製
造方法を示す断面図である。
FIG. 4 is a sectional view illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention.

【図5】従来例による半導体装置の断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view of a conventional semiconductor device.

【図6】他の従来例による半導体装置の一部の断面図で
ある。
FIG. 6 is a sectional view of a part of a semiconductor device according to another conventional example.

【図7】従来例による半導体装置のゲート絶縁膜内の窒
素濃度プロファイルを示す図である。
FIG. 7 is a diagram showing a nitrogen concentration profile in a gate insulating film of a semiconductor device according to a conventional example.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

101 シリコン基板 102 ゲート絶縁膜 103 ゲート電極 104 ドレイン領域 105 ソース領域 106 窒化酸化膜 107 シリコン酸化膜 112 チャネル領域 301 シリコン基板 302 ゲート絶縁膜 303 ゲート電極 304 高濃度ドレイン領域 306 窒化酸化膜 307 シリコン酸化膜 308 サイドウォール絶縁膜 309 低濃度ドレイン領域 312 チャネル領域 401 シリコン基板 406 窒化酸化膜 407 第2のシリコン酸化膜 411 第1のシリコン酸化膜Reference Signs List 101 silicon substrate 102 gate insulating film 103 gate electrode 104 drain region 105 source region 106 nitrided oxide film 107 silicon oxide film 112 channel region 301 silicon substrate 302 gate insulating film 303 gate electrode 304 high concentration drain region 306 nitrided oxide film 307 silicon oxide film 308 Sidewall insulating film 309 Low-concentration drain region 312 Channel region 401 Silicon substrate 406 Nitride oxide film 407 Second silicon oxide film 411 First silicon oxide film

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 29/78 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) H01L 29/78

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 半導体層の一主面に適当な距離を隔てて
形成された第1導電型半導体よりなるソース,ドレイン
領域と、上記ソース領域とドレイン領域に挟まれたチャ
ネル領域と、上記チャネル領域の表面に設けられたゲー
ト絶縁膜とを有し、かつ上記ドレイン領域が高濃度領域
と低濃度領域とからなるMIS型半導体装置において、上記低濃度ドレイン領域表面に、該低濃度領域 との界面
に接する低濃度の水素原子と1019/cm3 以上の窒素原
子を含む第一の膜と、少なくとも上記第一の膜の1.5
倍以上の厚さを有し、上記第一の膜に接する1019/cm
3 以下の窒素原子を含む第二の膜とを具備することを特
徴とする半導体装置。
A source and drain region formed of a first conductivity type semiconductor at an appropriate distance from one main surface of a semiconductor layer; a channel region sandwiched between the source and drain regions; It has a gate insulating film provided on the surface of the region, and the drain region is heavily doped region
And the MIS type semiconductor device comprising a low concentration region, the low concentration drain region surface, the first containing a low concentration of hydrogen atoms and 10 19 / cm 3 or more nitrogen atoms in contact with the interface between the low density region A membrane and at least 1.5 of the first membrane
10 times more than 10 19 / cm in contact with the first film
3 to and a second film containing less nitrogen atoms wherein a.
【請求項2】 シリコン層表面に第1の酸化膜を形成す
る工程と、 上記第1の酸化膜をアンモニアを含む雰囲気中で窒化
し、窒素原子を濃度10 19 /cm 3 以上含む窒化酸化膜を
形成する工程と、 上記窒化酸化膜をアニールまたは酸化し、膜中の水素濃
度を下げる工程と、 上記窒化酸化膜上に窒素原子を濃度10 19 /cm 3 以下で
含む第2の酸化膜を堆積する工程とを含むことを特徴と
する半導体装置の製造方法。
2. A first oxide film is formed on a surface of a silicon layer.
And nitriding the first oxide film in an atmosphere containing ammonia.
To form a nitrided oxide film containing nitrogen atoms at a concentration of 10 19 / cm 3 or more.
Forming and annealing or oxidizing the nitrided oxide film to form a hydrogen concentration layer in the film.
And lowering the nitrogen atoms on the oxynitride film at a concentration of 10 19 / cm 3 or less.
Depositing a second oxide film containing
Semiconductor device manufacturing method.
【請求項3】 第2の酸化膜は、窒化酸化膜の膜厚の少
なくとも1.5倍以上の膜厚で堆積されることを特徴と
する請求項2記載の半導体装置の製造方法。
3. A method according to claim 1 , wherein the second oxide film has a small thickness.
Characterized in that it is deposited in a thickness of at least 1.5 times
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 2.
【請求項4】 さらに、第2の酸化膜は、窒化酸化膜と4. The method according to claim 1, wherein the second oxide film is formed of a nitrided oxide film.
合わせた全体の膜厚が4nm以上になるように堆積されDeposited so that the total thickness of the combined film becomes 4 nm or more.
ることを特徴とする請求項3記載の半導体装置の製造方4. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 3, wherein
法。Law.
【請求項5】 窒化酸化膜は、シリコン層表面との界面5. An interface between the nitrided oxide film and the silicon layer surface.
付近での窒素原子濃度が濃度10Nitrogen atom concentration around 10 21twenty one /cm/cm 3 Three 以上となるよThat's all
うに形成されることを特徴とする請求項2記載の半導体3. The semiconductor according to claim 2, wherein the semiconductor is formed as follows.
装置の製造方法。Device manufacturing method.
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