JP3090089B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
半導体装置の製造方法Info
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の製造
方法に関し、特にＭＩＳ（Metal-Insulator-Semiconduc
tor）型電界効果トランジスタの製造方法に関する。
方法に関し、特にＭＩＳ（Metal-Insulator-Semiconduc
tor）型電界効果トランジスタの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】Ｐ型ポリシリコンゲート電極を有するＭ
ＯＳ型電界効果トランジスタにおいては、ゲート酸化膜
を薄膜化するに伴い、後工程の熱処理時にゲートポリシ
リコン中のボロンがゲート酸化膜を突き抜けて、トラン
ジスタの電気特性を変動させたり、信頼性を低下させる
という問題がある。ゲート酸化膜に窒素を混入すること
でボロンの突き抜けを抑制できることが知られており、
従来、一酸化二窒素（Ｎ 2Ｏ）雰囲気中で熱処理を行う
ことによって酸化膜の形成と同時に膜中に窒素を導入す
る（特開平４−１９９６８３号公報）、あるいは、シリ
コン表面に窒素をイオン注入法によって導入し、その
後、酸素雰囲気中で熱処理を行うことで酸化膜中に窒素
を導入する方法（１９９６・シンポジウム・オン・ブイ
エルエスアイ・テクノロジー・ダイジェスト・オブ・テ
クニカル・ペーパーズ（1996 Symposium on VLSI Techn
ology,Digest of Technical Papers）、１８〜１９頁、
１９９６年、６月１１日）が開示されている。
ＯＳ型電界効果トランジスタにおいては、ゲート酸化膜
を薄膜化するに伴い、後工程の熱処理時にゲートポリシ
リコン中のボロンがゲート酸化膜を突き抜けて、トラン
ジスタの電気特性を変動させたり、信頼性を低下させる
という問題がある。ゲート酸化膜に窒素を混入すること
でボロンの突き抜けを抑制できることが知られており、
従来、一酸化二窒素（Ｎ 2Ｏ）雰囲気中で熱処理を行う
ことによって酸化膜の形成と同時に膜中に窒素を導入す
る（特開平４−１９９６８３号公報）、あるいは、シリ
コン表面に窒素をイオン注入法によって導入し、その
後、酸素雰囲気中で熱処理を行うことで酸化膜中に窒素
を導入する方法（１９９６・シンポジウム・オン・ブイ
エルエスアイ・テクノロジー・ダイジェスト・オブ・テ
クニカル・ペーパーズ（1996 Symposium on VLSI Techn
ology,Digest of Technical Papers）、１８〜１９頁、
１９９６年、６月１１日）が開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】トランジスタの高性能
化を図るために、さらなるゲート酸化膜の薄膜化が進ん
でいるが、膜厚が薄くなるにつれて、ボロンの突き抜け
を抑制するために必要な膜中の窒素濃度はさらに高くす
る必要がある。
化を図るために、さらなるゲート酸化膜の薄膜化が進ん
でいるが、膜厚が薄くなるにつれて、ボロンの突き抜け
を抑制するために必要な膜中の窒素濃度はさらに高くす
る必要がある。
【０００４】しかしながら、Ｎ2Ｏガスを用いた製造方
法では、ゲート酸化膜の成長と膜中への窒素導入を同時
に行っているため、酸化膜厚を薄くし、なおかつ、膜中
の窒素濃度を濃くすることが困難である。
法では、ゲート酸化膜の成長と膜中への窒素導入を同時
に行っているため、酸化膜厚を薄くし、なおかつ、膜中
の窒素濃度を濃くすることが困難である。
【０００５】一方、イオン注入でシリコン表面に窒素を
導入し、その後に酸化を行う方法においては、注入量に
よって窒素量を独立に制御できるため、Ｎ2Ｏガスを用
いた方法よりも窒素濃度を濃くすることができる。
導入し、その後に酸化を行う方法においては、注入量に
よって窒素量を独立に制御できるため、Ｎ2Ｏガスを用
いた方法よりも窒素濃度を濃くすることができる。
【０００６】しかしながら、イオン注入によって導入さ
れた窒素はシリコン表面からある広がりを持って存在す
るため、その後の酸化によって窒素は酸化膜中に取り込
まれていくものの、シリコン中に残留するという問題が
生じる。また、イオン注入によって格子欠陥が誘発され
る。これらの原因で不純物が異常拡散を起こし、その結
果、トランジスタの設計が困難になるという問題が生じ
る。
れた窒素はシリコン表面からある広がりを持って存在す
るため、その後の酸化によって窒素は酸化膜中に取り込
まれていくものの、シリコン中に残留するという問題が
生じる。また、イオン注入によって格子欠陥が誘発され
る。これらの原因で不純物が異常拡散を起こし、その結
果、トランジスタの設計が困難になるという問題が生じ
る。
【０００７】そこで本発明の目的は、ゲート絶縁膜の薄
膜化を、従来の製造方法に比べて不純物が異常拡散せず
安定かつ容易に実現でき、さらに、絶縁膜中の窒素濃度
が高濃度であるゲート絶縁膜を有する半導体装置の製造
方法を提供することである。
膜化を、従来の製造方法に比べて不純物が異常拡散せず
安定かつ容易に実現でき、さらに、絶縁膜中の窒素濃度
が高濃度であるゲート絶縁膜を有する半導体装置の製造
方法を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明者は、上記の目的
を達成するために種々の検討を重ねた結果、本発明を完
成した。
を達成するために種々の検討を重ねた結果、本発明を完
成した。
【０００９】第１の発明は、半導体基板上へのゲート絶
縁膜の形成において、基板上にシリコン窒化膜を形成
し、続いて、該シリコン窒化膜を、膜厚増加がほとんど
起きないように水蒸気雰囲気中で熱処理することによっ
て窒素を多量に含んだ膜厚３ｎｍ以下のゲート絶縁膜を
形成することを特徴とする半導体装置の製造方法に関す
る。
縁膜の形成において、基板上にシリコン窒化膜を形成
し、続いて、該シリコン窒化膜を、膜厚増加がほとんど
起きないように水蒸気雰囲気中で熱処理することによっ
て窒素を多量に含んだ膜厚３ｎｍ以下のゲート絶縁膜を
形成することを特徴とする半導体装置の製造方法に関す
る。
【００１０】第２の発明は、前記シリコン窒化膜の水蒸
気雰囲気中での熱処理を、９００℃より低い温度で行う
第１の発明の半導体装置の製造方法に関する。
気雰囲気中での熱処理を、９００℃より低い温度で行う
第１の発明の半導体装置の製造方法に関する。
【００１１】第３の発明は、半導体基板上へのシリコン
窒化膜の形成を、シリコン基板をアンモニア雰囲気中、
８００〜１２００℃で熱処理することによって行う第１
又は第２の発明の半導体装置の製造方法に関する。
窒化膜の形成を、シリコン基板をアンモニア雰囲気中、
８００〜１２００℃で熱処理することによって行う第１
又は第２の発明の半導体装置の製造方法に関する。
【００１２】
【発明の実施形態】本発明の実施の形態について図面を
参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態を示す
製造工程断面図である。
参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態を示す
製造工程断面図である。
【００１３】まず、シリコン基板１上に素子分離領域
（素子分離酸化膜）２を形成する（図１（ａ））。続い
て、シリコン表面を清浄化した後、８００〜１２００℃
のアンモニア雰囲気中で熱処理を行ってシリコン窒化膜
３を形成する（図１（ｂ））。
（素子分離酸化膜）２を形成する（図１（ａ））。続い
て、シリコン表面を清浄化した後、８００〜１２００℃
のアンモニア雰囲気中で熱処理を行ってシリコン窒化膜
３を形成する（図１（ｂ））。
【００１４】図２に、シリコン窒化膜厚の窒化処理温度
依存性を示す。８００〜１２００℃の範囲に温度を設定
することで、３ｎｍ以下のシリコン窒化膜を形成できる
ことがわかる。
依存性を示す。８００〜１２００℃の範囲に温度を設定
することで、３ｎｍ以下のシリコン窒化膜を形成できる
ことがわかる。
【００１５】さらに、水蒸気の酸化性雰囲気中で９００
℃より低い温度、好ましくは３５０℃以上９００℃未満
の熱処理を行い、窒素を多量に含んだゲート絶縁膜４を
形成する（図１（ｃ））。９００℃より低い温度で熱処
理をする理由は、図３に示す実験結果から、９００℃以
上で熱処理を行うと、膜中への酸素の拡散が激しくなっ
て膜厚の増加が顕著になるからである。
℃より低い温度、好ましくは３５０℃以上９００℃未満
の熱処理を行い、窒素を多量に含んだゲート絶縁膜４を
形成する（図１（ｃ））。９００℃より低い温度で熱処
理をする理由は、図３に示す実験結果から、９００℃以
上で熱処理を行うと、膜中への酸素の拡散が激しくなっ
て膜厚の増加が顕著になるからである。
【００１６】その後、ポリシリコンゲート電極５の形成
（図１（ｄ））、次いでイオン注入と活性化用の熱処理
によってＰ型ポリシリコンゲート電極６及びソース・ド
レイン領域７を形成する（図１（ｅ））。
（図１（ｄ））、次いでイオン注入と活性化用の熱処理
によってＰ型ポリシリコンゲート電極６及びソース・ド
レイン領域７を形成する（図１（ｅ））。
【００１７】次いで、層間絶縁膜８の堆積、コンタクト
孔の開口、アルミニウムの堆積とパターニングによりア
ルミ配線９を形成する（図１（ｆ））。
孔の開口、アルミニウムの堆積とパターニングによりア
ルミ配線９を形成する（図１（ｆ））。
【００１８】図４は、この製造方法で作製したトランジ
スタのしきい値電圧のソース・ドレイン熱処理温度依存
性を示したものである。ゲート酸化膜を通常の熱酸化膜
で形成した場合、膜厚が４ｎｍであっても１０５０℃で
はしきい値電圧が大きく変化しているが、本発明で形成
した絶縁膜では２．５ｎｍと薄くしても１０５０℃でし
きい値電圧変化は小さく、ボロンの突き抜けが抑制でき
ていることが分かる。
スタのしきい値電圧のソース・ドレイン熱処理温度依存
性を示したものである。ゲート酸化膜を通常の熱酸化膜
で形成した場合、膜厚が４ｎｍであっても１０５０℃で
はしきい値電圧が大きく変化しているが、本発明で形成
した絶縁膜では２．５ｎｍと薄くしても１０５０℃でし
きい値電圧変化は小さく、ボロンの突き抜けが抑制でき
ていることが分かる。
【００１９】以上のように本発明は、シリコン基板上に
シリコン窒化膜を形成し、その後、酸化雰囲気中で熱処
理することによってゲート絶縁膜を形成する。
シリコン窒化膜を形成し、その後、酸化雰囲気中で熱処
理することによってゲート絶縁膜を形成する。
【００２０】このシリコン窒化膜はアンモニア雰囲気中
の熱処理によってシリコンを窒化することで形成する
が、シリコン窒化膜が成長するためには、窒素がシリコ
ン窒化膜中を拡散してシリコン窒化膜とシリコンとの界
面に到達し、そこで窒化反応を起こす必要がある。その
際、シリコン窒化膜中における窒素の拡散は遅いため、
窒化膜厚は窒化時間に対して飽和する。そのため、窒化
温度を制御するだけで３ｎｍ以下の極薄シリコン窒化膜
を容易に形成することができる。
の熱処理によってシリコンを窒化することで形成する
が、シリコン窒化膜が成長するためには、窒素がシリコ
ン窒化膜中を拡散してシリコン窒化膜とシリコンとの界
面に到達し、そこで窒化反応を起こす必要がある。その
際、シリコン窒化膜中における窒素の拡散は遅いため、
窒化膜厚は窒化時間に対して飽和する。そのため、窒化
温度を制御するだけで３ｎｍ以下の極薄シリコン窒化膜
を容易に形成することができる。
【００２１】また、絶縁膜として、このようなシリコン
窒化膜を用いることによって、１０ 22ｃｍ-3程度の非常
に高濃度の窒素を絶縁膜中にだけに導入でき、しかも、
窒素イオン注入に比べてシリコン基板中の欠陥を低減で
きる。
窒化膜を用いることによって、１０ 22ｃｍ-3程度の非常
に高濃度の窒素を絶縁膜中にだけに導入でき、しかも、
窒素イオン注入に比べてシリコン基板中の欠陥を低減で
きる。
【００２２】但し、熱窒化を行うと、シリコン窒化膜中
に固定電荷や、シリコン窒化膜とシリコンとの界面に界
面準位をもたらすおそれがある。そこで、窒化後に水蒸
気の酸化雰囲気中で熱処理を行うと、窒化膜中に酸素や
水素が浸透して不飽和結合手が終端されて構造緩和が生
じ、固定電荷や界面準位が低減される。
に固定電荷や、シリコン窒化膜とシリコンとの界面に界
面準位をもたらすおそれがある。そこで、窒化後に水蒸
気の酸化雰囲気中で熱処理を行うと、窒化膜中に酸素や
水素が浸透して不飽和結合手が終端されて構造緩和が生
じ、固定電荷や界面準位が低減される。
【００２３】
【実施例】以下、本発明の実施例を図１を参照して説明
する。
する。
【００２４】はじめに、Ｎ型シリコン基板１上に、選択
酸化法を用いて３００ｎｍの素子分離酸化膜２を形成し
た（図１（ａ））。次いで、シリコン表面をＲＣＡ洗浄
およびＤＨＦ溶液によって清浄化した後、１０５０℃の
アンモニア雰囲気中で１分間熱処理を行って、２．５ｎ
ｍの窒化膜３を形成した（図１（ｂ））。
酸化法を用いて３００ｎｍの素子分離酸化膜２を形成し
た（図１（ａ））。次いで、シリコン表面をＲＣＡ洗浄
およびＤＨＦ溶液によって清浄化した後、１０５０℃の
アンモニア雰囲気中で１分間熱処理を行って、２．５ｎ
ｍの窒化膜３を形成した（図１（ｂ））。
【００２５】次に、７５０℃の水蒸気雰囲気中で３０分
の熱処理を行うことで、窒素を多量に含むゲート絶縁膜
４を形成した（図１（ｃ））。７５０℃、３０分の熱処
理では、膜厚増加はほとんど起きなかった。
の熱処理を行うことで、窒素を多量に含むゲート絶縁膜
４を形成した（図１（ｃ））。７５０℃、３０分の熱処
理では、膜厚増加はほとんど起きなかった。
【００２６】その後、１５０ｎｍのノンドープポリシリ
コンを堆積した後、フォトリソグラフィー工程とエッチ
ング工程によってポリシリコンゲート電極５を形成した
（図１（ｄ））。続いて、フッ化ボロンを注入エネルギ
ー３０ｋｅＶ、ドーズ量３×１０15ｃｍ-2でイオン注入
し、１０５０℃、１分の急速熱処理によってＰ型ポリシ
リコンゲート電極６とソース・ドレイン領域７を形成し
た（図１（ｅ））。
コンを堆積した後、フォトリソグラフィー工程とエッチ
ング工程によってポリシリコンゲート電極５を形成した
（図１（ｄ））。続いて、フッ化ボロンを注入エネルギ
ー３０ｋｅＶ、ドーズ量３×１０15ｃｍ-2でイオン注入
し、１０５０℃、１分の急速熱処理によってＰ型ポリシ
リコンゲート電極６とソース・ドレイン領域７を形成し
た（図１（ｅ））。
【００２７】次に、５００ｎｍの層間絶縁膜８の堆積、
フォトリソグラフィー工程とエッチング工程を用いたコ
ンタクト孔の開口、アルミニウムの堆積とパターニング
によってアルミ配線９を形成することで、Ｐチャネルト
ランジスタを完成した（図１（ｆ））。
フォトリソグラフィー工程とエッチング工程を用いたコ
ンタクト孔の開口、アルミニウムの堆積とパターニング
によってアルミ配線９を形成することで、Ｐチャネルト
ランジスタを完成した（図１（ｆ））。
【００２８】本実施例のトランジスタを評価した結果、
１０５０℃で熱処理した場合のしきい値電圧変動は従来
の１Ｖ以上から０．１Ｖ程度に低減した。また、固定電
荷による電圧変動も０．１Ｖ程度に低減し、界面準位の
増加も見られなかった。さらに、ストレス電圧を加えて
ホットキャリアに起因するトランジスタ特性の時間変動
を評価した結果、本実施例においては通常の熱酸化膜で
形成したトランジスタに比べて１０倍以上素子寿命が向
上した。
１０５０℃で熱処理した場合のしきい値電圧変動は従来
の１Ｖ以上から０．１Ｖ程度に低減した。また、固定電
荷による電圧変動も０．１Ｖ程度に低減し、界面準位の
増加も見られなかった。さらに、ストレス電圧を加えて
ホットキャリアに起因するトランジスタ特性の時間変動
を評価した結果、本実施例においては通常の熱酸化膜で
形成したトランジスタに比べて１０倍以上素子寿命が向
上した。
【００２９】本実施例ではＰチャネルトランジスタの製
造例を示したが、本発明はＮチャネルトランジスタや、
ＮチャネルとＰチャネルトランジスタの両方を含むＣＭ
ＯＳトランジスタに対しても適用できる。
造例を示したが、本発明はＮチャネルトランジスタや、
ＮチャネルとＰチャネルトランジスタの両方を含むＣＭ
ＯＳトランジスタに対しても適用できる。
【００３０】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように本発明に
よれば、１０５０℃で熱処理を行ってもボロンの突き抜
けが生じない、３ｎｍ以下の極薄ゲート絶縁膜を形成で
きることが可能である。
よれば、１０５０℃で熱処理を行ってもボロンの突き抜
けが生じない、３ｎｍ以下の極薄ゲート絶縁膜を形成で
きることが可能である。
【００３１】さらに、絶縁膜中の窒素濃度が高いため、
トランジスタの長期信頼性が向上する。長期信頼性の一
つに、トランジスタの動作中に高エネルギーを得たキャ
リアがシリコンと絶縁膜の界面を破壊することによって
特選変動を引き起こすホットキャリア効果があるが、シ
リコンと窒素の結合は、シリコンと酸素の結合やシリコ
ンと水素の結合に比べて安定であるため、界面が堅固に
なってホットキャリア効果を改善できる。別の長期信頼
性の尺度として、ＢＴ（Bias Temperature）信頼性やＴ
ＤＤＢ（Time Dependent Dielectric Breakdown）信頼
性があり、ボロンが突き抜けることによって信頼性が劣
化することが知られているが、本発明によればボロン突
き抜けが生じないため、これらの信頼性も向上する。
トランジスタの長期信頼性が向上する。長期信頼性の一
つに、トランジスタの動作中に高エネルギーを得たキャ
リアがシリコンと絶縁膜の界面を破壊することによって
特選変動を引き起こすホットキャリア効果があるが、シ
リコンと窒素の結合は、シリコンと酸素の結合やシリコ
ンと水素の結合に比べて安定であるため、界面が堅固に
なってホットキャリア効果を改善できる。別の長期信頼
性の尺度として、ＢＴ（Bias Temperature）信頼性やＴ
ＤＤＢ（Time Dependent Dielectric Breakdown）信頼
性があり、ボロンが突き抜けることによって信頼性が劣
化することが知られているが、本発明によればボロン突
き抜けが生じないため、これらの信頼性も向上する。
【００３２】また、窒素導入にイオン注入を用いないた
め、不純物の異常拡散が起きないという利点がある。
め、不純物の異常拡散が起きないという利点がある。
【００３３】さらに、絶縁膜中の窒素濃度が高いため、
トランジスタの長期信頼性が向上する。
トランジスタの長期信頼性が向上する。
【図１】本発明の製造方法を説明するための工程断面図
である。
である。
【図２】シリコン窒化膜厚の窒化処理温度依存性を示す
グラフである。
グラフである。
【図３】シリコン窒化膜を酸化した場合の、膜厚の酸化
時間依存性および酸化温度依存性を示すグラフである。
時間依存性および酸化温度依存性を示すグラフである。
【図４】しきい値電圧のソース・ドレイン熱処理温度依
存性を示すグラフである。
存性を示すグラフである。
１ シリコン基板 ２ 素子分離酸化膜 ３ シリコン窒化膜 ４ 窒素を多量に含むゲート絶縁膜 ５ ポリシリコンゲート電極 ６ Ｐ型ポリシリコンゲート電極 ７ ソース・ドレイン領域 ８ 層間絶縁膜 ９ アルミ配線
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 H01L 21/318 H01L 21/336
Claims (3)
- 【請求項１】 半導体基板上へのゲート絶縁膜の形成に
おいて、基板上にシリコン窒化膜を形成し、続いて、該
シリコン窒化膜を、膜厚増加がほとんど起きないように
水蒸気雰囲気中で熱処理することによって窒素を多量に
含んだ膜厚３ｎｍ以下のゲート絶縁膜を形成することを
特徴とする半導体装置の製造方法。 - 【請求項２】 前記水蒸気雰囲気中での熱処理を、９０
０℃より低い温度で行う請求項１記載の半導体装置の製
造方法。 - 【請求項３】 半導体基板上へのシリコン窒化膜の形成
は、シリコン基板をアンモニア雰囲気中、８００〜１２
００℃で熱処理することによって行う請求項１又は２記
載の半導体装置の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP09138602A JP3090089B2 (ja) | 1997-05-28 | 1997-05-28 | 半導体装置の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP09138602A JP3090089B2 (ja) | 1997-05-28 | 1997-05-28 | 半導体装置の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10335639A JPH10335639A (ja) | 1998-12-18 |
| JP3090089B2 true JP3090089B2 (ja) | 2000-09-18 |
Family
ID=15225933
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP09138602A Expired - Lifetime JP3090089B2 (ja) | 1997-05-28 | 1997-05-28 | 半導体装置の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3090089B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TW533489B (en) * | 2000-06-30 | 2003-05-21 | Hitachi Ltd | Semiconductor device and production method thereof |
| US20020187651A1 (en) * | 2001-06-11 | 2002-12-12 | Reid Kimberly G. | Method for making a semiconductor device |
-
1997
- 1997-05-28 JP JP09138602A patent/JP3090089B2/ja not_active Expired - Lifetime
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 伊藤隆司，外２名著，電子材料シリーズ，ＶＬＳＩの薄膜技術，丸善（昭６１−０９−３０）ｐ．１９，２１ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH10335639A (ja) | 1998-12-18 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20070721 Year of fee payment: 7 |
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