JP3326717B2 - 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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【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、シリコンMOSデ
バイスに於けるゲートの形成方法を改善した半導体装置
の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】現在、シリコンMOSデバイスは、その
微細化にともなって、種々な物理的、及び、技術的な限
界に直面している状態に在り、これを打開する為の技術
イノベーションが必要とされている。
【0003】シリコンMOSデバイスを高性能化する為
の一手段として、ゲート酸化膜の薄膜化が挙げられ、学
会発表論文では、直接トンネリングが起こってしまうよ
うな1.5〔nm〕の極薄ゲート酸化膜を用いた高速動
作トランジスタの動作について報告がなされている。
【0004】然しながら、例えばデュアル・ゲートCM
OS、即ち、pチャネルMOSトランジスタに於ける多
結晶シリコン・ゲートに硼素を、また、nチャネルMO
Sトランジスタに於ける多結晶シリコン・ゲートに燐を
それぞれ導入したCMOSに於いて、ゲート酸化膜を薄
膜化した場合、pチャネルMOSトランジスタに於ける
+ ゲートからチャネル領域へ硼素が突き抜け易い。
【0005】前記のような不純物イオンの突き抜けを抑
制するには、ゲート酸化膜の窒化が有効であるとされて
いる。
【0006】例えば、ゲート酸化膜を温度500〔℃〕
以上でアンモニアに曝した場合、アンモニアの熱分解で
生成された水素に依ってゲート酸化膜が還元され、そこ
で発生したシリコンのダングリング・ボンドに窒素原子
が容易に結合して酸窒化層となるものである。
【0007】酸窒化層は酸化膜に比較して緻密な構造に
なるので、硼素の拡散を阻止する機能があり、しかも、
金属との反応が少ない旨の長所をもっているが、前記し
たように、アンモニアを用いた場合、10〔原子%〕〜
20〔原子%〕もの窒素が取り込まれた「重い」窒化と
なる為、高密度の固定電荷、界面準位が発生し、電子の
チャネル移動度が劣化する旨の問題を生じ、また、アン
モニアが分解することで必然的に発生する水素を多く取
り込んでしまう為、電子トラップが多くなる欠点もあ
る。
【0008】そこで、亜酸化窒素(N2 O)を用いたR
TP(rapid thermalprocess)に
依って、1〔原子%〕前後の「軽い」窒化を行って、硼
素の拡散を抑制する試みがなされた。
【0009】N2 Oを用いることに依って、水素を取り
込まない窒化が可能になると同時にN2 Oの窒化力が弱
い為に結果的に「軽い」窒化になるのである。
【0010】「軽い」窒化を行うことで、酸化膜と比較
した場合には、若干のVthシフトが見られるが、「重
い」窒化の場合に見られたキャリヤ移動度の低下は、キ
ャリヤ移動度のピーク値が若干低下するものの、高電界
に於いては逆にキャリヤ移動度が向上する旨の現象が見
られた。また、ホット・キャリヤ・ストレスに依る増幅
度gm 劣化はpチャネル又はnチャネルの両方とも抑制
できることが判った。この理由は、N2 O酸窒化が水素
結合を作らず、界面に強固なSi−N結合を生成する為
である。
【0011】ところで、N2 Oを用いた酸窒化では、最
初、N2 O+O→2NO、なる熱分解反応が起こって一
酸化窒素(NO)が発生して始めて窒化が可能になるも
のであり、従って、1〔%〕以上の窒素を制御性良く導
入するには、1000〔℃〕以上の高温が必要となり、
CMOSに於けるチャネルの不純物濃度プロファイルを
変えてしまう旨の問題があり、また、N2 O酸窒化を短
時間でRTP処理しようとすると熱分解が不完全とな
り、面内の酸窒化が不均一になる。
【0012】そこで、NOガスを用いた酸窒化技術が開
発された。NOガスは、N2 O酸窒化と同様に水素を取
り込む心配がない上、N2 O酸窒化で必要となるNO生
成熱反応が不要であることから、比較的、低温で窒化す
ることができ、また、均一性も良好である。
【0013】然しながら、N2 O酸窒化も同じである
が、NO酸窒化では、シリコン基板と酸化膜との界面に
窒化層が生成される為、多結晶シリコンから拡散した硼
素が酸化膜中に滞留する旨の問題がある。
【0014】酸化膜中に存在する硼素は、TDDB(t
ime dependent dielectric
breakdown)寿命を短くすると共にストレス・
リーク電流を増加させる旨の問題もある。
【0015】また、低濃度であるとはいえ、界面に窒素
が存在すれば、キャリヤ移動度が低下してオン電流が減
少する旨の問題も起こる。
【0016】前記した酸窒化技術とは別に、多結晶シリ
コン・ゲートに窒素イオンを打ち込んで、多結晶シリコ
ンと酸化膜との界面に窒化層を形成する方法も提案され
ているが、そのようにした場合、多結晶シリコン中に窒
素原子が多量に残留して多結晶シリコンの抵抗を上昇さ
せてしまう旨の問題がある。
【0017】また、ゲート酸化膜上にゲート窒化層を堆
積する方法もあるが、信頼性を充分に確保する為には、
ゲート絶縁膜の膜厚が厚くなりすぎてしまう旨の問題が
あった。
【0018】
【発明が解決しようとする課題】本発明では、多結晶シ
リコン・ゲートとゲート酸化膜との界面で硼素などの不
純物が通過するのを阻止できるようにして、不純物がチ
ャネル領域に突き抜けることがないようにする。
【0019】
【課題を解決するための手段】従来の技術に見られるよ
うに、シリコン基板表面を酸化してゲート酸化膜を形成
してから窒化を行っても、ゲート酸化膜の表面のみに窒
素を偏在させることは困難であり、それを実現するに
は、一工夫が必要である。
【0020】本発明では、当初、シリコン基板表面を熱
酸化してゲート酸化膜を形成する点では従来の技術と変
わりないが、その後、ゲート酸化膜に於けるシリコンと
酸素との結合を切断してから窒化を行うことが基本にな
っている。
【0021】前記したところから、本発明に依る半導体
装置の製造方法では、シリコン半導体基板(例えばシリ
コン・ウエハ1)上にゲート酸化膜(例えば酸化膜2)
を形成してから稀ガス(Ar,Ne,He,Xe,K
r)雰囲気中でプラズマ照射してゲート酸化膜に於ける
シリコンと酸素の結合を切断する工程と、次いで、N2
を含む雰囲気中でプラズマ照射して窒素とシリコンとを
結合させゲート酸化膜表面上に窒化層(例えば窒化層
3)を生成させる工程と、次いで、N2 を含む雰囲気中
で熱処理を行ってプラズマ・ダメージを回復させる工程
と、その後、前記窒化層が生成されたゲート酸化膜上に
多結晶シリコン膜を形成する工程とが含まれてなること
を特徴とする。
【0022】前記手段を採ることに依り、多結晶シリコ
ンと酸化膜との界面に於ける窒素濃度は高く、且つ、酸
化膜とシリコン基板との界面に於ける窒素濃度は低く維
持した窒素濃度プロファイルが実現され、従って、多結
晶シリコンから拡散する不純物が酸化膜を突き抜けるこ
とはなくなり、また、酸化膜中に該不純物が滞留するこ
ともなくなる。
【0023】その結果、半導体装置のしきい値Vthが変
動することはなくなり、また、Qbdで表される電荷量、
即ち、TDDB寿命を測定して得られる破壊に到るまで
の通過電荷量が低下することもなく、更にまた、チャネ
ル領域に窒素が存在するとしても、ごく微量であって、
チャネルに於けるキャリヤ移動度を低下させるようなこ
とはなく、しかも、ホット・エレクトロン劣化を抑止す
るのにも有効である。
【0024】
【発明の実施の形態】図1は本発明に於ける一実施の形
態を説明する為の工程要所に於ける半導体装置を表す要
部切断側面図であり、以下、図を参照しつつ説明する。
【0025】図1(A)参照 1−(1) 熱酸化法を適用することに依り、シリコン・ウエハ1に
厚さが26〔Å〕の酸化膜2を形成する。
【0026】1−(2) ダウン・フロー型プラズマ発生装置内に酸化膜2をもつ
シリコン・ウエハ1をセットし、流量を100〔scc
m〕としたArを流し、圧力を10〔Torr〕、プラ
ズマ・パワーを1〔kW〕、時間を60〔秒〕としてプ
ラズマ照射を行う。
【0027】この表面処理に依って、酸化膜2に於ける
シリコンと酸素の結合はArの励起エネルギ(11.6
〔eV〕)に依って切断されてしまう。
【0028】図1(B)参照 1−(3) 流量を500〔sccm〕としたN2 を流し、圧力を1
0〔Torr〕、プラズマ・パワーを1〔kW〕、時間
を60〔秒〕として窒素プラズマに曝すことで、酸化膜
2の表面に於けるシリコンのボンドに窒素ラジカル或い
は窒素イオンを結合させて窒化層3を形成する。
【0029】プラズマ・ダメージを回復させる為、N2
雰囲気中で時間30〔分〕の熱処理を行なう。
【0030】CVD(chemical vapor
deposition)法を適用して多結晶シリコン膜
を形成し、パターニングして多結晶シリコン・ゲートを
形成する。
【0031】後の適当な段階に於ける他の領域の形成、
例えばソース領域及びドレイン領域の形成などに合わせ
て多結晶シリコン・ゲートにも例えば硼素を導入する。
【0032】以上のようにして形成した多結晶シリコン
・ゲートから、硼素がチャネル領域に突き抜けることは
なかった。
【0033】図2は図1について説明した半導体装置に
於ける窒素の深さプロファイルを表す線図であり、横軸
には深さ〔nm〕を、縦軸には窒素濃度をそれぞれ採っ
てある。尚、このデータは、SIMS(seconda
ry ion mass spectroscopy)
に依る解析で得られたものである。
【0034】図から明らかなように、多結晶シリコン・
ゲートと酸化膜との界面に於ける窒素濃度は3×1019
〔cm-3〕になっていることが看取されよう。
【0035】本発明では、前記実施の形態に限られるこ
となく、他に多くの改変を実現することができる。
【0036】例えば、前記実施の形態に於いては、酸化
膜中に於けるシリコンと酸素との結合を切断する為、A
r雰囲気中でプラズマを照射したが、これは、Ne雰囲
気、He雰囲気、Xe雰囲気、Kr雰囲気に代替しても
同効である。
【0037】
【発明の効果】本発明に依る半導体装置の製造方法に於
いては、シリコン半導体基板上にゲート酸化膜を形成し
てから稀ガス雰囲気中でプラズマ照射してゲート酸化膜
に於けるシリコンと酸素の結合を切断し、N2 を含む雰
囲気中でプラズマ照射して窒素とシリコンとを結合させ
ゲート酸化膜表面上に窒化層を生成させ、N2 を含む雰
囲気中で熱処理を行ってプラズマ・ダメージを回復さ
せ、窒化層が生成されたゲート酸化膜上に多結晶シリコ
ン膜を形成する。
【0038】前記構成を採ることに依り、多結晶シリコ
ンと酸化膜との界面に於ける窒素濃度は高く、且つ、酸
化膜とシリコン基板との界面に於ける窒素濃度は低く維
持した窒素濃度プロファイルが実現され、従って、多結
晶シリコンから拡散する不純物が酸化膜を突き抜けるこ
とはなくなり、また、酸化膜中に該不純物が滞留するこ
ともなくなる。
【0039】その結果、半導体装置のしきい値Vthが変
動することはなくなり、また、Qbdで表される電荷量、
即ち、TDDB寿命を測定して得られる破壊に到るまで
の通過電荷量が低下することもなく、更にまた、チャネ
ル領域に窒素が存在するとしても、ごく微量であって、
チャネルに於けるキャリヤ移動度を低下させるようなこ
とはなく、しかも、ホット・エレクトロン劣化を抑止す
るのにも有効である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に於ける一実施の形態を説明する為の工
程要所に於ける半導体装置を表す要部切断側面図であ
る。
【図2】図1について説明した半導体装置に於ける窒素
の深さプロファイルを表す線図である。
【符号の説明】
1 シリコン・ウエハ 2 酸化膜 3 窒化層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI H01L 27/092 (56)参考文献 特開 平11−16900(JP,A) 特開2000−216154(JP,A) 特開 平6−140392(JP,A) 特開 平7−50295(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 29/78 H01L 21/336 H01L 21/28 301 H01L 21/283 H01L 21/318 H01L 21/8238 H01L 27/092

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】シリコン半導体基板上にゲート酸化膜を形
    成してから稀ガス雰囲気中でプラズマ照射してゲート酸
    化膜に於けるシリコンと酸素の結合を切断する工程と、 次いで、N2 を含む雰囲気中でプラズマ照射して窒素と
    シリコンとを結合させゲート酸化膜表面上に窒化層を生
    成させる工程と、 次いで、N2 を含む雰囲気中で熱処理を行ってプラズマ
    ・ダメージを回復させる工程と、 その後、前記窒化層が生成されたゲート酸化膜上に多結
    晶シリコン膜を形成する工程とが含まれてなることを特
    徴とする半導体装置の製造方法。
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