JP3756222B2 - Semiconductor integrated circuit device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、半導体集積回路装置に関し、特に、半導体基板の表面上にゲート絶縁膜を介在してゲート電極が形成された電界効果トランジスタを有する半導体集積回路装置に適用して有効な技術に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
半導体基板の表面上にゲート絶縁膜を介在してゲート電極が形成された電界効果トランジスタを塔載する半導体集積回路装置として、例えばMOSFET(Metal Oxide Semicoductor Field Effect Transistor)を塔載する半導体集積回路装置の開発が行なわれている。
【0003】
前記MOSFETは半導体集積回路装置の集積度を高める目的として微細化の傾向にある。このMOSFETの微細化に伴い、特に、ゲート長寸法がサブミクロンに達するMOSFETにおいては、例えば特公昭62−31506号公報に記載されているように、ドレイン領域のチャネル形成領域側の一部の領域がその他の領域の不純物濃度に比べて低い不純物濃度に設定されたLDD(Lightly Doped Drain)構造の採用が必須要件になる。LDD構造を採用するMOSFETは、ドレイン領域のチャネル形成領域側への拡散量を低減し、チャネル長寸法を確保することができるので、短チャネル効果の発生を抑えることができる。また、LDD構造を採用するMOSFETは、ドレイン領域とチャネル形成領域との間に形成されるpn接合部の不純物濃度分布の勾配を緩和し、この領域に発生する電界強度を弱めることができるので、ホットキャリアの発生量を低減することができる。ホットキャリアの発生量の低減化は、MOSFETの経時的なしきい値電圧(Vth)の変動を抑えることができる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
前記LDD構造のMOSFET(電界効果トランジスタ)は、ゲート絶縁膜に注入され捕獲されるホットキャリア(電子、正孔)の発生量を低減し、経時的なしきい値電圧の変動を抑えている。しかしながら、MOSFETの経時的なしきい値電圧の変動は、インパクトアイオニゼーションで発生した高エネルギーの電子や正孔がゲート絶縁膜に注入され捕獲される場合と、最終保護膜や層間絶縁膜中に含まれている水素イオン(−H+ )や水酸イオン(−OH)等がゲート絶縁膜に侵入し捕獲される場合がある。水素イオンや水酸イオン等は、ゲート絶縁膜の側壁面から膜中に侵入する場合と、ゲート電極を透過してゲート絶縁膜中に侵入する場合がある。特に、水素イオンや水酸イオン等はゲート絶縁膜の側壁面から侵入する割合が高い。即ち、LDD構造のMOSFETは、ホットキャリアに起因する経時的なしきい値電圧の変動を抑えられるが、水素イオンや水酸イオン等に起因する経時的なしきい値電圧の変動を抑えることができない。近年、半導体集積回路装置の製造プロセスが低温化されており、低温度で形成された層間絶縁膜には多量の水素イオンや水酸イオン等が含まれているので、水素イオンや水酸イオン等に起因するMOSFETの経時的なしきい値電圧の変動を抑えることは重要である。
【0005】
また、前記LDD構造のMOSFETは、経時的なしきい値電圧の変動を抑えられるが、ドレイン領域のチャネル形成領域側の一部の領域をその他の領域の不純物濃度に比べて低い不純物濃度に設定しているので、ソース領域−ドレイン領域間に流れる電流量が低下し、MOSFETの電流利得が低下する。このMOSFETの電流利得の低下は、MOSFETを塔載する半導体集積回路装置の動作速度の低下を意味する。
【0006】
本発明の目的は、半導体基板の表面上にゲート絶縁膜を介在してゲート電極が形成された電界効果トランジスタを有する半導体集積回路装置において、前記電界効果トランジスタのホットキャリアに起因する経時的なしきい値電圧(Vth)の変動を抑えると共に、水素イオンや水酸イオン等に起因する経時的なしきい値電圧(Vth)の変動を抑えることが可能な技術を提供することにある。
【0007】
また、本発明の他の目的は、前記目的を達成すると共に、前記電界効果トランジスタの電流利得を高めることが可能な技術を提供することにある。
【0008】
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らかになるであろう。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記のとおりである。
【0010】
(1)半導体基板の表面上にゲート絶縁膜を介在してゲート電極が形成された電界効果トランジスタを有する半導体集積回路装置において、前記半導体基板と前記ゲート絶縁膜との間に窒化絶縁膜を設けると共に、前記ゲート絶縁膜の側壁面上に窒化絶縁膜を設ける。前記半導体基板と前記ゲート絶縁膜との間に設けられる窒化絶縁膜は、酸窒化処理で形成された酸窒化珪素膜であり、前記ゲート絶縁膜の側壁面上に設けられる窒化絶縁膜は、気相化学成長法で形成された窒化珪素膜である。
【0011】
(2)半導体基板の表面上にゲート絶縁膜を介在してゲート電極が形成された電界効果トランジスタを有する半導体集積回路装置において、
前記ゲート電極のゲート長方向の両側に酸化珪素膜からなるサイドウォールスペーサを設け、
前記半導体基板と前記ゲート絶縁膜との間に第1の窒化絶縁膜を設け、
前記ゲート電極、前記ゲート絶縁膜、前記第1の窒化絶縁膜及び前記半導体基板と前記サイドウォールスペーサとの間に第2の窒化珪素膜を設け、
前記第2の窒化珪素膜は、前記ゲート絶縁膜の側壁面上に形成されている。
前記手段において、前記ゲート電極に自己整合でソース領域及びドレイン領域となる一対の半導体領域が前記半導体基板に形成され、前記半導体基板の全面に層間絶縁膜が形成されている。
【0012】
【作用】
上述した手段(1)によれば、ゲート絶縁膜直下の半導体基板の表面に存在する未結合手(ダングリングボンド:不対電子)の数を窒化絶縁膜で低減することができるので、ゲート絶縁膜中に捕獲されるホットキャリアの量を低減することができる。また、窒化絶縁膜は水素イオン(−H+ )や水酸イオン(−OH)等に対して非透過性を有するので、層間絶縁膜に含まれている水素イオンや水酸イオン等がゲート絶縁膜の側壁面からその膜中に侵入するのを防止することができる。この結果、電界効果トランジスタのホットキャリアに起因する経時的なしきい値電圧(Vth)の変動を抑えることができると共に、水素イオンや水酸イオン等に起因する経時的なしきい値電圧(Vth)の変動を抑えることができる。
【0013】
また、ドレイン領域とチャネル形成領域との間に形成されるpn接合部の不純物濃度分布の勾配を緩和し、この領域に発生する電界強度を弱めることなく、ホットキャリアに起因する電界効果トランジスタの経時的なしきい値電圧(Vth)の変動を抑えることができるので、ドレイン領域のチャネル形成領域側の一部の領域をその他の領域の不純物濃度に比べて低い不純物濃度に設定しなくてもよい。この結果、ソース領域−ドレイン領域間に流れる電流量を高めることができるので、電界効果トランジスタの電流利得を高めることができる。
【0015】
【実施例】
以下、本発明の構成について、電界効果トランジスタを有する半導体集積回路装置に本発明を適用した実施例とともに説明する。
【0016】
なお、実施例を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【0017】
(実 施 例 1)
本発明の実施例1であるMOSFETを有する半導体集積回路装置の概略構成を図1(要部断面図)に示す。
【0018】
図1に示すように、半導体集積回路装置に塔載されるMOSFET(電界効果トランジスタ)Qは、例えば単結晶珪素からなるp型半導体基板1の素子形成領域(活性領域)の表面部に構成される。素子形成領域は、p型半導体基板1の素子分離領域(非活性領域)の表面上に形成された素子分離用絶縁膜2で周囲を規定され、他の素子形成領域と互いに絶縁分離される。
【0019】
前記MOSFETQは、主に、チャネル形成領域であるp型半導体基板1、ゲート絶縁膜3、ゲート電極5、ソース領域及びドレイン領域である一対のn型半導体領域8で構成される。ゲート絶縁膜3は、p型半導体基板1の表面上に形成され、例えば熱酸化珪素膜で形成される。ゲート電極5は、ゲート絶縁膜3の表面上に形成され、例えば抵抗値を低減する不純物が導入された多結晶珪素膜で形成される。即ち、MOSFETQは、p型半導体基板1の表面上にゲート絶縁膜3を介在してゲート電極5が形成された電界効果トランジスタで構成される。
【0020】
前記ソース領域及びドレイン領域である一対のn型半導体領域8の夫々は、p型半導体基板1の表面部に形成され、ゲート電極5に対して自己整合で形成される。この一対のn型半導体領域8の夫々の表面部にはシリサイド層10が形成される。即ち、本実施例のMOSFETQのソース領域及びドレイン領域は、n型半導体領域8及びその表面部に形成されたシリサイド層10で構成される。このように、ソース領域及びドレイン領域をn型半導体領域8及びシリサイド層10で構成することにより、n型半導体領域8のシート抵抗は数十(50〜100の間)Ω/□程度であり、シリサイド層10のシート抵抗は数Ω/□程度であるので、ソース領域、ドレイン領域の夫々の抵抗値を低減することができ、ソース領域−ドレイン領域間に流れる電流量を高めることができるので、MOSFETQの電流利得を高めることができる。
【0021】
前記ゲート電極5の上面部にはシリサイド層10が形成される。このように、ゲート電極5の上面部にシリサイド層10を形成することにより、不純物が導入された多結晶珪素膜からなるゲート電極5のシート抵抗は数十(50〜100の間)Ω/□であり、シリサイド層10のシート抵抗は数Ω/□程度であるので、ゲート電極5の抵抗値を低減することができ、MOSFETの動作速度の高速化を図ることができる。
【0022】
前記一対のn型半導体領域8の夫々の表面部に形成されるシリサイド層10は、ゲート電極5のゲート長方向の側壁面上に形成されたサイドウォールスペーサ9に対して自己整合で形成される。また、前記ゲート電極5の上面部に形成されるシリサイド層10は、ゲート電極5のゲート長方向の側壁面上に形成されたサイドウォールスペーサ9に対して自己整合で形成される。即ち、n型半導体領域8の表面部及びゲート電極5の上面部に形成されるシリサイド層10はサリサイド(Salicide:Salf A ligned Silicide)技術で形成される。
【0023】
前記ソース領域及びドレイン領域である一対のn型半導体領域8のうち、一方のn型半導体領域8の表面部に形成されたシリサイド層10には、層間絶縁膜11に形成された接続孔11Aを通して配線12が電気的に接続され、他方のn型半導体領域8の表面部に形成されたシリサイド層10には、層間絶縁膜11に形成された接続孔11Bを通して配線12が電気的に接続される。層間絶縁膜11はゲート電極5と配線12との絶縁分離を行う目的で形成され、例えば気相化学成長法(CVD:Chemical Vapor Deposition)で形成された酸化珪素膜で形成される。この層間絶縁膜11は半導体集積回路装置の低温化プロセスに基づいて低温度で形成されるので、層間絶縁膜11には多量の水素イオンや水酸イオン等が含まれている。配線12は例えばアルミニウム膜又はアルミニウム合金膜で形成される。
【0024】
前記配線12上には層間絶縁膜13が形成される。層間絶縁膜13は、配線12と図示していないが上層配線との絶縁分離を行う目的で形成され、例えば気相化学成長法で形成された酸化珪素膜で形成される。この層間絶縁膜13は、前述の層間絶縁膜12と同様に、半導体集積回路装置の低温化プロセスに基づいて低温度で形成されるので、層間絶縁膜13には多量の水素イオンや水酸イオン等が含まれている。
【0025】
前記p型半導体基板1とゲート絶縁膜3との間には窒化絶縁膜4が設けられている。この窒化絶縁膜4はゲート絶縁膜3直下のp型半導体基板1の表面に存在する未結合手(ダングリングボンド:不対電子)の数を低減することができるので、ゲート絶縁膜4中に捕獲されるホットキャリアの量を低減することができる。
【0026】
前記窒化絶縁膜4は酸窒化処理で形成された酸窒化珪素膜で形成される。この酸窒化珪素膜は、気相化学成長法で形成される窒化珪素膜(Si3N4、SixNx)に比べて膜質が良く、密着性が高い。
【0027】
前記ゲート絶縁膜3の側壁面とサイドウォールスペーサ9との間、即ち、ゲート絶縁膜3の側壁面上には窒化絶縁膜7が設けられている。この窒化絶縁膜7は水素イオン(−H+ )や水酸イオン(−OH)等に対して非透過性を有するので、層間絶縁膜11及び層間絶縁膜13に含まれている水素イオンや水酸イオン等がゲート絶縁膜3の側壁面からその膜中に侵入するのを防止することができる。
【0028】
前記ゲート電極5の側壁面とサイドウォールスペーサ9との間、即ち、ゲート電極5の側壁面上には窒化絶縁膜7が設けられている。この窒化絶縁膜7は水素イオンや水酸イオン等に対して非透過性を有するので、層間絶縁膜11及び層間絶縁膜13に含まれている水素イオンや水酸イオン等がゲート電極5の側壁面からその膜中を透過してゲート絶縁膜3中に侵入するのを防止することができる。
【0029】
前記窒化絶縁膜7は酸窒化処理で形成された酸窒化珪素膜又は気相化学成長法で形成された窒化珪素膜で形成される。本実施例において、窒化珪素膜7は気相化学成長法で形成された窒化珪素膜で形成される。
【0030】
このように構成されるMOSFETQは、例えばCMOSインバータ回路の構成素子として使用される。
【0031】
次に、前記半導体集積回路装置に塔載されるMOSFETQの製造方法について、図2乃至図6(各製造工程毎に示す要部断面図)を用いて説明する。
【0032】
まず、単結晶珪素からなるp型半導体基板1を用意する。
【0033】
次に、周知の選択酸化法を使用し、前記p型半導体基板1の素子分離領域(非活性領域)の表面上に酸化珪素膜からなる素子分離用絶縁膜2を形成する。
【0034】
次に、熱酸化処理を施し、前記p型半導体基板1の素子形成領域(活性領域)の表面上に熱酸化珪素膜からなるゲート絶縁膜3Aを形成する。
【0035】
次に、酸窒化処理を施し、図2に示すように、前記p型半導体基板1とゲート絶縁膜3Aとの間に酸窒化珪素膜からなる窒化絶縁膜4Aを形成する。この酸窒絶縁膜4Aは、例えば、希釈した窒素ガス雰囲気中又は100[%]の窒素ガス雰囲気中おいて、約1000[℃]の熱処理を約30分間行うことにより形成される。
【0036】
次に、前記ゲート絶縁膜3Aの表面上を含むp型半導体基板1上の全面に例えば気相化学成長法で多結晶珪素膜を形成する。この多結晶珪素膜にはその堆積中又は堆積後に抵抗値を低減する不純物が導入される。
【0037】
次に、前記多結晶珪素膜、ゲート絶縁膜3A、窒化絶縁膜4Aの夫々に順次パターンニングを施し、図3に示すように、p型半導体基板1の素子形成領域の表面上にゲート絶縁膜3、ゲート絶縁膜3の表面上にゲート電極5、p型半導体基板1とゲート絶縁膜3との間に窒化絶縁膜4を形成する。この工程において、ゲート電極5下のp型半導体基板1の素子形成領域の表面を除くその他の素子形成領域の表面は露出される。
【0038】
次に、前記ゲート電極5の上面上及びその側壁面上を含むp型半導体基板1上の全面に窒化絶縁膜7を形成する。窒化絶縁膜7は例えば気相化学成長法で形成された窒化珪素膜(Si3N4、SixNx)で形成される。
【0039】
次に、前記p型半導体基板1の素子形成領域の表面部に、ゲート電極5及び素子分離用絶縁膜2に対して自己整合でn型不純物を例えばイオン打込み法で導入し、図4に示すように、ソース領域及びドレイン領域である一対のn型半導体領域8を形成する。この工程において、n型不純物の導入は窒化絶縁膜7を通して行なわれるので、不純物の導入によるp型半導体基板1の素子形成領域の表面の物理的な損傷を抑えることができる。
【0040】
次に、図5に示すように、前記ゲート電極5のゲート長方向の側壁面上にサイドウォールスペーサ9を形成する。サイドウォールスペーサ9は、ゲート電極5の上面上を含むp型半導体基板1上の全面に例えば気相化学成長法で酸化珪素膜を形成した後、この酸化珪素膜の膜厚及び窒化絶縁膜7の膜厚に相当する分、この酸化珪素膜及び窒化絶縁膜7にRIE(Reactive Ion Etching)等の異方性エッチングを施すことにより形成される。この工程において、ゲート電極5の上面は露出される。また、サイドウォールスペーサ9の周囲であるp型半導体基板1の素子形成領域の表面は露出される。
【0041】
次に、前記ゲート電極5の上面上を含むp型半導体基板1上の全面に、Ti膜、W膜、Mo膜等からなる高融点金属膜10Aをスパッタ法で形成する。本実施例において、高融点金属膜10AとしてはTi膜を使用する。
【0042】
次に、500〜600[℃]程度の低温熱処理を施し、ゲート電極5、n型半導体領域8の夫々のSiと高融点金属膜10AのTiとを反応させ、図6に示すように、ゲート電極5の上面部、n型半導体領域8の表面部にシリサイド層(TiSix層)10を形成する。
【0043】
次に、Siと反応していない未反応の高融点金属膜10Aを例えばウエットエッチング法で選択的に除去する。
【0044】
次に、900〜1000[℃]程度の高温熱処理を施し、シリサイド層10の反応を促進させ、シリサイド層10の低抵抗化を図る。この工程により、MOSFETQがほぼ完成する。
【0045】
次に、前記p型半導体基板1上の全面に層間絶縁膜11、この層間絶縁膜11上に配線12、この配線12上に層間絶縁膜13の夫々を形成することにより、図1に示す半導体集積回路装置が形成される。
【0046】
このように、本実施例によれば、以下の作用効果が得られる。
【0047】
(1)p型半導体基板1の表面上にゲート絶縁膜3を介在してゲート電極5が形成されたMOSFET(電界効果トランジスタ)Qを有する半導体集積回路装置において、前記p型半導体基板1と前記ゲート絶縁膜3との間に窒化絶縁膜4を設けると共に、前記ゲート絶縁膜3の側壁面上に窒化絶縁膜7を設ける。
【0048】
この構成により、ゲート絶縁膜3直下のp型半導体基板1の表面に存在する未結合手(ダングリングボンド:不対電子)の数を窒化絶縁膜4で低減することができるので、ゲート絶縁膜3中に捕獲されるホットキャリアの量を低減することができる。また、窒化絶縁膜7は水素イオン(−H+ )や水酸イオン(−OH)等に対して非透過性を有するので、層間絶縁膜11及び層間絶縁膜13に含まれている水素イオンや水酸イオン等がゲート絶縁膜3の側壁面からその膜中に侵入するのを防止することができる。この結果、MOSFET(電界効果トランジスタ)Qのホットキャリアに起因する経時的なしきい値電圧(Vth)の変動を抑えることができると共に、水素イオンや水酸イオン等に起因する経時的なしきい値電圧(Vth)の変動を抑えることができる。
【0049】
また、MOSFET(電界効果トランジスタ)Qのホットキャリアに起因する経時的なしきい値電圧(Vth)の変動を抑えることができると共に、水素イオンや水酸イオン等に起因する経時的なしきい値電圧(Vth)の変動を抑えることができるので、MOSFET(電界効果トランジスタ)Qを有する半導体集積回路装置の電気的信頼性を高めることができる。
【0050】
また、ドレイン領域とチャネル形成領域との間に形成されるpn接合部の不純物濃度分布の勾配を緩和し、この領域に発生する電界強度を弱めることなく、ホットキャリアに起因するMOSFET(電界効果トランラスタ)Qの経時的なしきい値電圧(Vth)の変動を抑えることができるので、ドレイン領域のチャネル形成領域側の一部の領域をその他の領域の不純物濃度に比べて低い不純物濃度に設定しなくてもよい。この結果、ソース領域−ドレイン領域間に流れる電流量を高めることができるので、MOSFET(電界効果トランジスタ)Qの電流利得を高めることができる。
【0051】
また、MOSFET(電界効果トランジスタ)Qの電流利得を高めることができるので、MOSFET(電界効果トランジスタ)Qを有する半導体集積回路装置の動作速度の高速化を図ることができる。
【0052】
また、本実施例において、MOSFETQのソース領域及びドレイン領域をn型半導体領域8及びシリサイド層10で構成した場合、ドレイン領域とチャネル形成領域との間に発生する電界強度は強くなっているが、電界強度を弱めることなく、ホットキャリアに起因するMOSFET(電界効果トランラスタ)Qの経時的なしきい値電圧(Vth)の変動を抑えることができるので、MOSFETQの電力利得を高めることができる。
【0053】
(2)前記ゲート電極5の側壁面上に窒化絶縁膜7を設ける。この構成により、窒化絶縁膜7は水素イオン(−H+ )や水酸イオン(−OH)に対して非透過性を有するので、層間絶縁膜11及び層間絶縁膜13に含まれている水素イオンや水酸イオン等がゲート電極5の側壁面からその膜中を透過してゲート絶縁膜3中に侵入するのを防止することができる。この結果、MOSFET(電界効果トランジスタ)Qの水素イオンや水酸イオン等に起因する経時的なしきい値電圧(Vth)の変動を更に抑えることができる。
【0054】
なお、前記半導体集積回路装置に塔載されるMOSFETQの製造方法において、前記ゲート電極5を形成する工程の後であって、前記窒化絶縁膜7を形成する工程の前に、熱酸化処理又は酸窒化処理を施し、図7に示すように、前記ゲート電極5の上面上及びその側壁面上に、熱酸化珪素膜又は酸窒化珪素膜からなる絶縁膜6を形成する工程を備えてもよい。この場合、ゲート電極5を形成する工程において、サイドエッチングで除去されたゲート絶縁膜3の除去分を補うことができる。
【0055】
また、前記ソース領域及びドレイン領域である一対のn型半導体領域8を形成する工程は、前記ゲート電極5を形成する工程の後であって、前記窒化絶縁膜7を形成する工程の前に行ってもよい。
【0056】
また、前記ソース領域及びドレイン領域である一対のn型半導体領域8を形成する工程は、前記サイドウォールスペーサ9を形成する工程の後であって、前記高融点金属膜10Aを形成する工程の前に行ってもよい。
【0057】
(実 施 例 2)
本発明の実施例2であるMOSFETを有する半導体集積回路装置の概略構成を図8(要部断面図)に示す。
【0058】
図8に示すように、半導体集積回路装置に塔載されるMOSFET(電界効果トランジスタ)Qは、例えば単結晶珪素からなるp型半導体基板1の素子形成領域(活性領域)の表面部に構成される。MOSFETQは、主に、チャネル形成領域であるp型半導体基板1、ゲート絶縁膜3、ゲート電極5、ソース領域及びドレイン領域である一対のn型半導体領域8で構成される。即ち、本実施例のMOSFETQは、前述の実施例1と同様に、p型半導体基板1の表面上にゲート絶縁膜3を介在してゲート電極5が形成された電界効果トランジスタで構成される。
【0059】
前記p型半導体基板1とゲート絶縁膜3との間には窒化絶縁膜4が設けられている。また、前記ゲート絶縁膜3の側壁面とサイドウォールスペーサ9との間、即ち、ゲート絶縁膜3の側壁面上には窒化絶縁膜7が設けられている。また、前記ゲート電極5の側壁面とサイドウォールスペーサ9との間、即ち、ゲート電極5の側壁面上には窒化絶縁膜7が設けられている。また、前記ゲート電極5の上面上には窒化絶縁膜7が設けられている。即ち、本実施例のMOSFETQのゲート電極5は表面が窒化絶縁膜7で被覆されている。
【0060】
このように、ゲート電極5の上面上及びその側壁面上に窒化絶縁膜7を設けることにより、窒化絶縁膜7は水素イオン(−H+ )や水酸イオン(−OH)等に対して非透過性を有するので、層間絶縁膜11及び層間絶縁膜13に含まれている水素イオンや水酸イオン等がゲート電極の上面及び側壁面からその膜中を透過してゲート絶縁膜3中に侵入するのを防止することができる。この結果、MOSFET(電界効果トランジスタ)Qの水素イオンや水酸イオン等に起因する経時的なしきい値電圧(Vth)の変動を更に抑えることができる。
【0061】
(実 施 例 3)
本発明の実施例3である不揮発性記憶素子を有する半導体集積回路装置の概略構成を図9に示す。
【0062】
図9に示すように、半導体集積回路装置に塔載される不揮発性記憶素子(電界効果トランジスタ)Qeは、例えば単結晶珪素からなるp型半導体基板1の素子形成領域(活性領域)の表面部に構成される。素子形成領域は、p型半導体基板1の素子分離領域(非活性領域)の表面上に形成された素子分離用絶縁膜2で周囲を規定され、他の素子形成領域と互いに絶縁分離される。
【0063】
前記不揮発性記憶素子Qeは、主に、チャネル形成領域であるp型半導体基板1、ゲート絶縁膜3、電荷蓄積ゲート電極(フローティングゲート電極)5、ゲート絶縁膜14、制御ゲート電極(コントロールゲート電極)15、ソース領域及びドレイン領域である一対のn型半導体領域8で構成される。ゲート絶縁膜3は、p型半導体基板1の表面上に形成され、例えば熱酸化珪素膜で形成される。電荷蓄積ゲート電極5は、ゲート絶縁膜3の表面上に形成され、例えば抵抗値を低減する不純物が導入された多結晶珪素膜で形成される。ゲート絶縁膜14は、電荷蓄積ゲート電極の上面上に形成され、例えば熱酸化珪素膜で形成される。制御ゲート電極15は、ゲート絶縁膜14を介在して電荷蓄積ゲート電極5の上面上に形成され、例えば抵抗値を低減する不純物が導入された多結晶珪素膜で形成される。即ち、不揮発性記憶素子Qeは、p型半導体基板1の表面上にゲート絶縁膜3を介在して電荷蓄積ゲート電極5が形成された電界効果トランジスタで構成される。
【0064】
前記ソース領域及びドレイン領域である一対のn型半導体領域8の夫々は、p型半導体基板1の素子形成領域の表面部に形成され、制御ゲート電極15及び電荷蓄積ゲート電極5に対して自己整合で形成される。
【0065】
前記電荷蓄積ゲート電極5、制御ゲート電極15の夫々のゲート長方向の側壁面上にはサイドウォールスペーサ9が形成される。
【0066】
前記ソース領域及びドレイン領域である一対のn型半導体領域8のうち、一方のn型半導体領域8には、層間絶縁膜11に形成された接続孔11Aを通して配線12が電気的に接続される。層間絶縁膜11は制御ゲート電極15と配線12との絶縁分離を行う目的で形成され、例えば気相化学成長法(CVD法)で形成された酸化珪素膜で形成される。この層間絶縁膜11は半導体集積回路装置の低温化プロセスに基づいて低温度で形成されるので、層間絶縁膜11には多量の水素イオンや水酸イオン等が含まれている。
【0067】
前記配線12上には層間絶縁膜13が形成される。層間絶縁膜13は、配線12と図示していないが上層配線との絶縁分離を行う目的で形成され、例えば気相化学成長法で形成された酸化珪素膜で形成される。この層間絶縁膜13は、前述の層間絶縁膜12と同様に、半導体集積回路装置の低温化プロセスに基づいて低温度で形成されるので、層間絶縁膜13には多量の水素イオンや水酸イオン等が含まれている。
【0068】
前記p型半導体基板1とゲート絶縁膜3との間には窒化絶縁膜4が設けられている。この窒化絶縁膜4はゲート絶縁膜3直下のp型半導体基板1の表面に存在する未結合手(ダングリングボンド:不対電子)の数を低減することができるので、ゲート絶縁膜3中に捕獲されるホットキャリアの量を低減することができる。
【0069】
前記窒化絶縁膜4は酸窒化処理で形成された酸窒化珪素膜で形成される。この酸窒化珪素膜は、気相化学成長法で形成される窒化珪素膜(Si3N4、SixNx)に比べて膜質が良く、密着性が高い。
【0070】
前記ゲート絶縁膜3の側壁面とサイドウォールスペーサ9との間、即ち、ゲート絶縁膜3の側壁面上には窒化絶縁膜7が設けられている。この窒化絶縁膜7は水素イオン(−H+ )や水酸イオン(−OH)等に対して非透過性を有するので、層間絶縁膜11及び層間絶縁膜13に含まれている水素イオンや水酸イオン等がゲート絶縁膜3の側壁面からその膜中に侵入するのを防止することができる。
【0071】
前記電荷蓄積ゲート電極5の側壁面とサイドウォールスペーサ9との間、即ち、電荷蓄積ゲート電極5の側壁面上には窒化絶縁膜7が設けられている。この窒化絶縁膜7は水素イオン(−H+ )や水酸イオン(−OH)等に対して非透過性を有するので、層間絶縁膜11及び層間絶縁膜13に含まれている水素イオンや水酸イオン等が電荷蓄積ゲート電極5の側壁面からその膜中を透過してゲート絶縁膜3中に侵入するのを防止することができる。
【0072】
前記ゲート絶縁膜14の側壁面とサイドウォールスペーサ9との間、即ち、ゲート絶縁膜14の側壁面上には窒化絶縁膜7が設けられている。この窒化絶縁膜7は水素イオン(−H+ )や水酸イオン(−OH)等に対して非透過性を有するので、層間絶縁膜11及び層間絶縁膜13に含まれている水素イオンや水酸イオン等がゲート絶縁膜14の側壁面からその膜中を透過してゲート絶縁膜3中に侵入するのを防止することができる。
【0073】
前記制御ゲート電極15の側壁面とサイドウォールスペーサ9との間、即ち、制御ゲート電極15の側壁面上には窒化絶縁膜7が設けられている。この窒化絶縁膜7は水素イオン(−H+ )や水酸イオン(−OH)等に対して非透過性を有するので、層間絶縁膜11及び層間絶縁膜13に含まれている水素イオンや水酸イオン等が制御ゲート電極15の側壁面からその膜中を透過してゲート絶縁膜3中に侵入するのを防止することができる。
【0074】
前記窒化絶縁膜7は酸窒化処理で形成された酸窒化珪素膜又は気相化学成長法で形成された窒化珪素膜で形成される。本実施例において、窒化珪素膜7は気相化学成長法で形成された窒化珪素膜で形成される。
【0075】
次に、前記半導体集積回路装置に塔載される不揮発性記憶素子Qeの製造方法について、図10乃至図13(各製造工程毎に示す要部断面図)を用いて説明する。
【0076】
まず、単結晶珪素からなるp型半導体基板1を用意する。
【0077】
次に、周知の選択酸化法を使用し、前記p型半導体基板1の素子分離領域(非活性領域)の表面上に酸化珪素膜からなる素子分離用絶縁膜2を形成する。
【0078】
次に、熱酸化処理を施し、前記p型半導体基板1の素子形成領域(活性領域)の表面上に熱酸化珪素膜からなるゲート絶縁膜3Aを形成する。
【0079】
次に、酸窒化処理を施し、前記p型半導体基板1とゲート絶縁膜3Aとの間に酸窒化珪素膜からなる窒化絶縁膜4Aを形成する。
【0080】
次に、前記ゲート絶縁膜3Aの表面上を含むp型半導体基板1上の全面に例えば気相化学成長法で多結晶珪素膜5Aを形成する。この多結晶珪素膜5Aにはその堆積中又は堆積後に抵抗値を低減する不純物が導入される。
【0081】
次に、前記多結晶珪素膜5Aの表面上に例えば気相化学成長法で酸化珪素膜からなるゲート絶縁膜14Aを形成し、その後、前記ゲート絶縁膜14Aの表面上に気相化学成長法で多結晶珪素膜15Aを形成する。この多結晶珪素膜15Aにはその堆積中又は堆積後に抵抗値を低減する不純物が導入される。
【0082】
次に、図10に示すように、前記p型半導体基板1の素子形成領域の表面上である多結晶珪素膜15Aの表面上にマスク16を形成する。マスク16は例えばフォトレジスト膜で形成される。
【0083】
次に、前記マスク16をエッチングマスクとして使用し、前記多結晶珪素膜15A、ゲート絶縁膜14A、多結晶珪素膜5A、ゲート絶縁膜3A、窒化絶縁膜4Aの夫々に順次パターンニングを施し、図11に示すように、p型半導体基板1の素子形成領域の表面上にゲート絶縁膜3、ゲート絶縁膜3の表面上に電荷蓄積ゲート電極5、p型半導体基板1とゲート絶縁膜3との間に窒化絶縁膜4、電荷蓄積ゲート電極5の上面上にゲート絶縁膜14、ゲート絶縁膜14の表面上に制御ゲート電極15を形成する。この工程において、電荷蓄積ゲート電極5下であるp型半導体基板1の素子形成領域の表面を除くその他の素子形成領域の表面は露出される。
【0084】
次に、前記制御ゲート電極15の上面上及びその側壁面上並びに前記電荷蓄積ゲート電極5の側壁面上を含むp型半導体基板1上の全面に窒化絶縁膜7を形成する。
【0085】
次に、前記p型半導体基板1の素子形成領域の表面部に、ゲート電極5及び素子分離用絶縁膜2に対して自己整合でn型不純物を例えばイオン打込み法で導入し、図12に示すように、ソース領域及びドレイン領域である一対のn型半導体領域8を形成する。この工程において、n型不純物の導入は窒化絶縁膜7を通して行なわれるので、不純物の導入によるp型半導体基板1の素子形成領域の表面の物理的な損傷を抑えることができる。
【0086】
次に、図13に示すように、前記電荷蓄積ゲート電極5、制御ゲート電極15の夫々のゲート長方向の側壁面上にサイドウォールスペーサ9を形成する。サイドウォールスペーサ9は、制御ゲート電極15の上面上を含むp型半導体基板1上の全面に例えば気相化学成長法で酸化珪素膜を形成した後、この酸化珪素膜の膜厚及び窒化絶縁膜7の膜厚に相当する分、この酸化珪素膜及び窒化絶縁膜7にRIE(Reactive Ion Etching)等の異方性エッチングを施すことにより形成される。この工程において、制御ゲート電極15の上面は露出される。また、サイドウォールスペーサ9の周囲であるp型半導体基板1の素子形成領域の表面は露出される。この工程により、不揮発性記憶素子Qeがほぼ完成する。
【0087】
次に、前記p型半導体基板1上の全面に層間絶縁膜11、この層間絶縁膜11上に配線12、この配線12上に層間絶縁膜13の夫々を形成することにより、図9に示す半導体集積回路装置が形成される。
【0088】
このように、本実施例によれば、以下の作用効果が得られる。
【0089】
(1)p型半導体基板1の表面上にゲート絶縁膜3を介在して電荷蓄積ゲート電極5が形成された不揮発性記憶素子(電界効果トランジスタ)Qeを有する半導体集積回路装置において、前記p型半導体基板1と前記ゲート絶縁膜3との間に窒化絶縁膜4を設けると共に、前記ゲート絶縁膜3の側壁面上に窒化絶縁膜7を設ける。
【0090】
この構成により、ゲート絶縁膜3直下のp型半導体基板1の表面に存在する未結合手(ダングリングボンド:不対電子)の数を窒化絶縁膜4で低減することができるので、ゲート絶縁膜3中に捕獲されるホットキャリアの量を低減することができる。また、窒化絶縁膜7は水素イオン(−H+ )や水酸イオン(−OH)等に対して非透過性を有するので、層間絶縁膜11及び層間絶縁膜13に含まれている水素イオンや水酸イオン等がゲート絶縁膜3の側壁面からその膜中に侵入するのを防止することができる。この結果、不揮発性記憶素子(電界効果トランジスタ)Qeのホットキャリアに起因する経時的なしきい値電圧(Vth)の変動を抑えることができると共に、水素イオンや水酸イオン等に起因する経時的なしきい値電圧(Vth)の変動を抑えることができる。
【0091】
また、不揮発性記憶素子(電界効果トランジスタ)Qeのホットキャリアに起因する経時的なしきい値電圧(Vth)の変動を抑えることができると共に、水素イオンや水酸イオン等に起因する経時的なしきい値電圧(Vth)の変動を抑えることができるので、データ書き込み特性、データ消去特性、データ保持特性等の電気特性を安定化することができる。
【0092】
また、MOSFET(電界効果トランジスタ)Qのホットキャリアに起因する経時的なしきい値電圧(Vth)の変動を抑えることができると共に、水素イオンや水酸イオン等に起因する経時的なしきい値電圧(Vth)の変動を抑えることができるので、不揮発性記憶素子(電界効果トランジスタ)Qeを有する半導体集積回路装置の電気的信頼性を高めることができる。
【0093】
また、ドレイン領域とチャネル形成領域との間に形成されるpn接合部の不純物濃度分布の勾配を緩和し、この領域に発生する電界強度を弱めることなく、ホットキャリアに起因する不揮発性記憶素子(電界効果トランラスタ)Qeの経時的なしきい値電圧(Vth)の変動を抑えることができるので、ドレイン領域のチャネル形成領域側の一部の領域をその他の領域の不純物濃度に比べて低い不純物濃度に設定しなくてもよい。この結果、ソース領域−ドレイン領域間に流れる電流量を高めることができるので、不揮発性記憶素子(電界効果トランジスタ)Qeの電流利得を高めることができる。
【0094】
また、不揮発性記憶素子(電界効果トランジスタ)Qeの電流利得を高めることができるので、不揮発性記憶素子(電界効果トランジスタ)Qeを有する半導体集積回路装置の動作速度の高速化を図ることができる。
【0095】
(2)前記電荷蓄積ゲート電極5の側壁面上に窒化絶縁膜7を設ける。この構成により、窒化絶縁膜7は水素イオン(−H+ )や水酸イオン(−OH)等に対して非透過性を有するので、層間絶縁膜11及び層間絶縁膜13に含まれている水素イオンや水酸イオン等が電荷蓄積ゲート電極5の側壁面からその膜中を透過してゲート絶縁膜3中に侵入するのを防止することができる。この結果、不揮発性記憶素子(電界効果トランジスタ)Qeの水素イオンや水酸イオン等に起因する経時的なしきい値電圧(Vth)の変動を更に抑えることができる。
【0096】
(3)前記ゲート絶縁膜14の側壁面上に窒化絶縁膜7を設ける。この構成により、窒化絶縁膜7は水素イオン(−H+ )や水酸イオン(−OH)等に対して非透過性を有するので、層間絶縁膜11及び層間絶縁膜13に含まれている水素イオンや水酸イオン等がゲート絶縁膜14の側壁面からその膜中を透過してゲート絶縁膜3中に侵入するのを防止することができる。この結果、不揮発性記憶素子(電界効果トランジスタ)Qeの水素イオンや水酸イオン等に起因する経時的なしきい値電圧(Vth)の変動を更に抑えることができる。
【0097】
(4)前記制御ゲート電極15の側壁面上に窒化絶縁膜7を設ける。この構成により、窒化絶縁膜7は水素イオン(−H+ )や水酸イオン(−OH)等に対して非透過性を有するので、層間絶縁膜11及び層間絶縁膜13に含まれている水素イオンや水酸イオン等が制御ゲート電極15の側壁面からその膜中を透過してゲート絶縁膜3中に侵入するのを防止することができる。この結果、不揮発性記憶素子(電界効果トランジスタ)Qeの水素イオンや水酸イオン等に起因する経時的なしきい値電圧(Vth)の変動を更に抑えることができる。
【0098】
本発明の参考例である不揮発性記憶素子を有する半導体集積回路装置の概略構成を図14(要部断面図)に示す。
【0099】
図14に示すように、半導体集積回路装置に搭載される不揮発性記憶素子(電界効果トランジスタ)Qeは、例えば単結晶珪素からなるp型半導体基板1の素子形成領域(活性領域)の表面部に構成される。不揮発性記憶素子Qeは、主に、チャネル形成領域であるp型半導体基板1、ゲート絶縁膜3、電荷蓄積ゲート電極5、ゲート絶縁膜14、制御ゲート電極15、ソース領域及びドレイン領域である一対のn型半導体領域8で構成される。即ち、本参考例の不揮発性記憶素子Qeは、前述の実施例3と同様に、p型半導体基板1の表面上にゲート絶縁膜3を介在してゲート電極5が形成された電界効果トランジスタで構成される。
【0100】
前記p型半導体基板1とゲート絶縁膜3との間には窒化絶縁膜4が設けられている。また、前記ゲート絶縁膜3の側壁面とサイドウォールスペーサ9との間、即ち、ゲート絶縁膜3の側壁面上には窒化絶縁膜7が設けられている。また、前記ゲート電極5の側壁面とサイドウォールスペーサ9との間、即ち、ゲート電極5の側壁面上には窒化絶縁膜7が設けられている。また、前記ゲート絶縁膜14の側面とサイドウォールスペーサ9との間、即ち、ゲート絶縁膜14の側壁面上には窒化絶縁膜7が設けられている。また、前記制御ゲート電極15の側壁面とサイドウォールスペーサ9との間、即ち、制御ゲート電極15の側壁面上には窒化絶縁膜7が設けられている。また、前記制御ゲート電極15の上面上には窒化絶縁膜7が設けられている。即ち、本参考例の不揮発性記憶素子Qeの制御ゲート電極15は表面が窒化絶縁膜7で被覆されている。
【0101】
このように、制御ゲート電極5の上面上及びその側壁面上に窒化絶縁膜7を設けることにより、窒化絶縁膜7は水素イオン(−H+ )や水酸イオン(−OH)等に対して非透過性を有するので、層間絶縁膜11及び層間絶縁膜13に含まれている水素イオンや水酸イオン等が制御ゲート電極15の上面及び側壁面からその膜中を透過してゲート絶縁膜3中に侵入するのを防止することができる。この結果、不揮発性記憶素子(電界効果トランジスタ)Qeの水素イオンや水酸イオン等に起因する経時的なしきい値電圧(Vth)の変動を更に抑えることができる。
【0102】
以上、本発明者によってなされた発明を、前記実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。
【0103】
例えば、本発明は、ソース領域及びドレイン領域が一対のp型半導体領域で構成された電界効果トランジスタを有する半導体集積回路装置に適用できる。
【0104】
【発明の効果】
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下記のとおりである。
【0105】
半導体基板の表面上にゲート絶縁膜を介在してゲート電極が形成された電界効果トランジスタを有する半導体集積回路装置において、前記電界効果トランジスタのホットキャリアに起因する経時的なしきい値電圧(Vth)の変動を抑えることができると共に、水素イオンや水酸イオン等に起因する経時的なしきい値電圧(Vth)の変動を抑えることができる。
【0106】
また、前記電界効果トランジスタの電流利得を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例1であるMOSFET(電界効果トランジスタ)を有する半導体集積回路装置の要部断面図である。
【図2】前記MOSFETの製造方法を説明するための要部断面図である。
【図3】前記MOSFETの製造方法を説明するための要部断面図である。
【図4】前記MOSFETの製造方法を説明するための要部断面図である。
【図5】前記MOSFETの製造方法を説明するための要部断面図である。
【図6】前記MOSFETの製造方法を説明するための要部断面図である。
【図7】前記MOSFETの製造方法を説明するための要部断面図である。
【図8】本発明の実施例2であるMOSFET(電界効果トランジスタ)を有する半導体集積回路装置の要部断面図である。
【図9】本発明の実施例3である不揮発性記憶素子(電界効果トランジスタ)を有する半導体集積回路装置の要部断面図である。
【図10】前記不揮発性記憶素子の製造方法を説明するための要部断面図である。
【図11】前記不揮発性記憶素子の製造方法を説明するための要部断面図である。
【図12】前記不揮発性記憶素子の製造方法を説明するための要部断面図である。
【図13】前記不揮発性記憶素子の製造方法を説明するための要部断面図である。
【図14】 本発明の参考例である不揮発性記憶素子(電界効果トランジスタ)を有する半導体集積回路装置の要部断面図である。
【符号の説明】
1…p型半導体基板、2…素子分離用絶縁膜、3…ゲート絶縁膜、4…窒化絶縁膜、5…ゲート電極,電荷蓄積ゲート電極、6…絶縁膜、7…窒化絶縁膜、8…n型半導体領域、9…サイドウォールスペーサ、10…シリサイド層、11,13…層間絶縁膜、11A,11B…接続孔、12…配線、14…ゲート絶縁膜、15…制御ゲート電極、16…マスク。[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a semiconductor integrated circuit device, and more particularly to a technology effective when applied to a semiconductor integrated circuit device having a field effect transistor having a gate electrode formed on a surface of a semiconductor substrate with a gate insulating film interposed. is there.
[0002]
[Prior art]
As a semiconductor integrated circuit device mounting a field effect transistor having a gate electrode formed on a surface of a semiconductor substrate with a gate insulating film interposed, for example, a MOSFET (MetalOxideSemicoductorFieldEffectTA semiconductor integrated circuit device mounting a ransistor is being developed.
[0003]
The MOSFET tends to be miniaturized for the purpose of increasing the degree of integration of the semiconductor integrated circuit device. With the miniaturization of the MOSFET, in particular, in a MOSFET whose gate length dimension reaches submicron, as described in, for example, Japanese Examined Patent Publication No. Sho 62-31506, a partial region on the channel formation region side of the drain region Is set to a lower impurity concentration than the impurity concentration in other regions.LightlyDopedDrain) structure is an essential requirement. A MOSFET employing an LDD structure can reduce the amount of diffusion of the drain region to the channel formation region side and ensure the channel length dimension, thereby suppressing the occurrence of the short channel effect. Further, a MOSFET adopting the LDD structure can relax the gradient of the impurity concentration distribution of the pn junction formed between the drain region and the channel formation region, and can weaken the electric field strength generated in this region. The amount of hot carriers generated can be reduced. The reduction in the amount of hot carriers generated can suppress fluctuations in the threshold voltage (Vth) of the MOSFET over time.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
The MOSFET (field effect transistor) having the LDD structure reduces the generation amount of hot carriers (electrons and holes) injected and trapped in the gate insulating film, and suppresses the fluctuation of the threshold voltage with time. However, fluctuations in the threshold voltage of the MOSFET over time include the case where high energy electrons and holes generated by impact ionization are injected and captured in the gate insulating film, and in the final protective film and interlayer insulating film. In some cases, hydrogen ions (-H +), hydroxide ions (-OH), and the like contained in the gate insulating film enter and are trapped. Hydrogen ions, hydroxide ions, and the like may enter the film from the side wall surface of the gate insulating film, or may penetrate the gate electrode and enter the gate insulating film. In particular, hydrogen ions, hydroxide ions, and the like have a high rate of penetration from the side wall surface of the gate insulating film. That is, the LDD-structured MOSFET can suppress a change in threshold voltage over time due to hot carriers, but cannot suppress a change in threshold voltage over time due to hydrogen ions, hydroxide ions, or the like. In recent years, the manufacturing process of semiconductor integrated circuit devices has been reduced in temperature, and since the interlayer insulating film formed at a low temperature contains a large amount of hydrogen ions, hydroxide ions, etc., hydrogen ions, hydroxide ions, etc. It is important to suppress fluctuations in the threshold voltage of the MOSFET over time due to.
[0005]
In addition, although the LDD structure MOSFET can suppress a change in threshold voltage with time, a part of the drain region on the channel formation region side is set to a lower impurity concentration than the impurity concentration of other regions. Therefore, the amount of current flowing between the source region and the drain region is reduced, and the current gain of the MOSFET is reduced. This decrease in the current gain of the MOSFET means a decrease in the operation speed of the semiconductor integrated circuit device on which the MOSFET is mounted.
[0006]
An object of the present invention is to provide a threshold over time caused by hot carriers of a field effect transistor in a semiconductor integrated circuit device having a field effect transistor having a gate electrode formed on a surface of a semiconductor substrate with a gate insulating film interposed therebetween. It is an object of the present invention to provide a technique capable of suppressing fluctuations in threshold voltage (Vth) over time caused by hydrogen ions, hydroxide ions, and the like while suppressing fluctuations in value voltage (Vth).
[0007]
Another object of the present invention is to provide a technique capable of achieving the object and increasing the current gain of the field effect transistor.
[0008]
The above and other objects and novel features of the present invention will be apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
Of the inventions disclosed in this application, the outline of typical ones will be briefly described as follows.
[0010]
(1) In a semiconductor integrated circuit device having a field effect transistor having a gate electrode formed on a surface of a semiconductor substrate with a gate insulating film interposed, a nitride insulating film is provided between the semiconductor substrate and the gate insulating film At the same time, a nitride insulating film is provided on the side wall surface of the gate insulating film. The nitride insulating film provided between the semiconductor substrate and the gate insulating film is a silicon oxynitride film formed by oxynitriding, and the nitride insulating film provided on the side wall surface of the gate insulating film is,spiritIt is a silicon nitride film formed by a phase chemical growth method.
[0011]
(2)In a semiconductor integrated circuit device having a field effect transistor having a gate electrode formed on a surface of a semiconductor substrate with a gate insulating film interposed therebetween,
Side wall spacers made of a silicon oxide film are provided on both sides of the gate electrode in the gate length direction,
Providing a first nitride insulating film between the semiconductor substrate and the gate insulating film;
A second silicon nitride film is provided between the gate electrode, the gate insulating film, the first nitride insulating film, and the semiconductor substrate and the sidewall spacer;
The second silicon nitride film is formed on the side wall surface of the gate insulating film.
In the above means, a pair of semiconductor regions which are self-aligned with the gate electrode to be a source region and a drain region are formed in the semiconductor substrate, and an interlayer insulating film is formed on the entire surface of the semiconductor substrate.
[0012]
[Action]
According to the means (1) described above, the number of dangling bonds (dangling bonds: unpaired electrons) existing on the surface of the semiconductor substrate immediately below the gate insulating film can be reduced by the nitride insulating film. The amount of hot carriers trapped in the film can be reduced. In addition, since the nitride insulating film is impermeable to hydrogen ions (-H +) and hydroxide ions (-OH), hydrogen ions and hydroxide ions contained in the interlayer insulating film are gate-insulated. Intrusion into the film from the side wall surface of the film can be prevented. As a result, the temporal threshold voltage (Vth) fluctuation caused by hot carriers of the field effect transistor can be suppressed, and the temporal threshold voltage (Vth) caused by hydrogen ions, hydroxide ions, etc. can be suppressed. Variation can be suppressed.
[0013]
In addition, the gradient of the impurity concentration distribution at the pn junction formed between the drain region and the channel formation region is relaxed, and the field effect transistor caused by hot carriers over time is reduced without weakening the electric field strength generated in this region. Therefore, it is not necessary to set a part of the drain region on the channel formation region side to a lower impurity concentration than the impurity concentration of other regions. As a result, the amount of current flowing between the source region and the drain region can be increased, so that the current gain of the field effect transistor can be increased.
[0015]
【Example】
The configuration of the present invention will be described below together with an embodiment in which the present invention is applied to a semiconductor integrated circuit device having a field effect transistor.
[0016]
In all the drawings for explaining the embodiments, parts having the same functions are given the same reference numerals, and repeated explanation thereof is omitted.
[0017]
(Example 1)
A schematic configuration of a semiconductor integrated circuit device having a MOSFET according to a first embodiment of the present invention is shown in FIG.
[0018]
As shown in FIG. 1, a MOSFET (field effect transistor) Q mounted on a semiconductor integrated circuit device is configured on the surface portion of an element formation region (active region) of a p-
[0019]
The MOSFET Q is mainly composed of a p-
[0020]
Each of the pair of n-
[0021]
A
[0022]
The silicide layers 10 formed on the respective surface portions of the pair of n-
[0023]
Of the pair of n-
[0024]
An interlayer insulating
[0025]
A
[0026]
The
[0027]
A
[0028]
A
[0029]
The
[0030]
The MOSFET Q configured as described above is used as a constituent element of a CMOS inverter circuit, for example.
[0031]
Next, a method for manufacturing the MOSFET Q mounted on the semiconductor integrated circuit device will be described with reference to FIGS. 2 to 6 (cross-sectional views of main parts shown for each manufacturing process).
[0032]
First, a p-
[0033]
Next, an element
[0034]
Next, a thermal oxidation process is performed to form a
[0035]
Next, an oxynitriding process is performed to form a
[0036]
Next, a polycrystalline silicon film is formed on the entire surface of the p-
[0037]
Next, the polycrystalline silicon film, the
[0038]
Next, a
[0039]
Next, n-type impurities are introduced into the surface portion of the element formation region of the p-
[0040]
Next, as shown in FIG. 5,
[0041]
Next, a
[0042]
Next, a low temperature heat treatment of about 500 to 600 [° C.] is performed to react each Si in the
[0043]
Next, the unreacted
[0044]
Next, a high-temperature heat treatment of about 900 to 1000 [° C.] is performed to promote the reaction of the
[0045]
Next, an
[0046]
Thus, according to the present embodiment, the following effects can be obtained.
[0047]
(1) In a semiconductor integrated circuit device having a MOSFET (Field Effect Transistor) Q in which a
[0048]
With this configuration, since the number of dangling bonds (dangling bonds: unpaired electrons) existing on the surface of the p-
[0049]
In addition, fluctuations in threshold voltage (Vth) over time caused by hot carriers in MOSFET (field effect transistor) Q can be suppressed, and threshold voltages over time caused by hydrogen ions, hydroxide ions, etc. ( Therefore, the electrical reliability of the semiconductor integrated circuit device having the MOSFET (field effect transistor) Q can be improved.
[0050]
In addition, the MOSFET (field effect transistor) caused by hot carriers is relaxed without reducing the gradient of the impurity concentration distribution of the pn junction formed between the drain region and the channel formation region and weakening the electric field strength generated in this region. ) Since variation in threshold voltage (Vth) over time of Q can be suppressed, a part of the drain region on the side of the channel formation region is not set to a lower impurity concentration than the impurity concentration of other regions. May be. As a result, the amount of current flowing between the source region and the drain region can be increased, so that the current gain of the MOSFET (field effect transistor) Q can be increased.
[0051]
Further, since the current gain of the MOSFET (field effect transistor) Q can be increased, the operation speed of the semiconductor integrated circuit device having the MOSFET (field effect transistor) Q can be increased.
[0052]
In the present embodiment, when the source region and the drain region of the MOSFET Q are configured by the n-
[0053]
(2) A
[0054]
In the method of manufacturing MOSFETQ mounted on the semiconductor integrated circuit device, thermal oxidation treatment or acid treatment is performed after the step of forming the
[0055]
The step of forming the pair of n-
[0056]
The step of forming the pair of n-
[0057]
(Example 2)
A schematic configuration of a semiconductor integrated circuit device having a MOSFET according to
[0058]
As shown in FIG. 8, a MOSFET (field effect transistor) Q mounted on a semiconductor integrated circuit device is formed on the surface portion of an element formation region (active region) of a p-
[0059]
A
[0060]
As described above, by providing the
[0061]
(Example 3)
FIG. 9 shows a schematic configuration of a semiconductor integrated circuit device having a nonvolatile memory element according to
[0062]
As shown in FIG. 9, a nonvolatile memory element (field effect transistor) Qe mounted on a semiconductor integrated circuit device is a surface portion of an element formation region (active region) of a p-
[0063]
The nonvolatile memory element Qe mainly includes a p-
[0064]
Each of the pair of n-
[0065]
[0066]
Of the pair of n-
[0067]
An interlayer insulating
[0068]
A
[0069]
The
[0070]
A
[0071]
A
[0072]
A
[0073]
A
[0074]
The
[0075]
Next, a method of manufacturing the nonvolatile memory element Qe mounted on the semiconductor integrated circuit device will be described with reference to FIGS. 10 to 13 (main part cross-sectional views shown for each manufacturing process).
[0076]
First, a p-
[0077]
Next, an element
[0078]
Next, a thermal oxidation process is performed to form a
[0079]
Next, an oxynitriding process is performed to form a
[0080]
Next, a
[0081]
Next, a
[0082]
Next, as shown in FIG. 10, a
[0083]
Next, using the
[0084]
Next, a
[0085]
Next, n-type impurities are introduced into the surface portion of the element formation region of the p-
[0086]
Next, as shown in FIG. 13,
[0087]
Next, an
[0088]
Thus, according to the present embodiment, the following effects can be obtained.
[0089]
(1) In a semiconductor integrated circuit device having a nonvolatile memory element (field effect transistor) Qe in which a charge
[0090]
With this configuration, since the number of dangling bonds (dangling bonds: unpaired electrons) existing on the surface of the p-
[0091]
In addition, the temporal threshold voltage (Vth) fluctuation caused by hot carriers of the nonvolatile memory element (field effect transistor) Qe can be suppressed, and the temporal threshold caused by hydrogen ions, hydroxide ions, etc. Since fluctuations in the value voltage (Vth) can be suppressed, electrical characteristics such as data write characteristics, data erase characteristics, and data retention characteristics can be stabilized.
[0092]
In addition, fluctuations in threshold voltage (Vth) over time caused by hot carriers in MOSFET (field effect transistor) Q can be suppressed, and threshold voltages over time caused by hydrogen ions, hydroxide ions, etc. ( Therefore, the electrical reliability of the semiconductor integrated circuit device having the nonvolatile memory element (field effect transistor) Qe can be improved.
[0093]
In addition, a nonvolatile memory element (due to hot carriers) is generated without reducing the gradient of the impurity concentration distribution in the pn junction formed between the drain region and the channel formation region and weakening the electric field strength generated in this region. (Field effect transistor) Since it is possible to suppress the variation of the threshold voltage (Vth) over time of Qe, a part of the drain region on the channel formation region side has a lower impurity concentration than the impurity concentration of other regions. It is not necessary to set. As a result, since the amount of current flowing between the source region and the drain region can be increased, the current gain of the nonvolatile memory element (field effect transistor) Qe can be increased.
[0094]
In addition, since the current gain of the nonvolatile memory element (field effect transistor) Qe can be increased, the operating speed of the semiconductor integrated circuit device having the nonvolatile memory element (field effect transistor) Qe can be increased.
[0095]
(2) A
[0096]
(3) The
[0097]
(4) The
[0098]
Of the present inventionReference exampleA schematic configuration of a semiconductor integrated circuit device having a nonvolatile memory element is shown in FIG.
[0099]
As shown in FIG. 14, the semiconductor integrated circuit deviceTowerThe mounted non-volatile memory element (field effect transistor) Qe is formed on the surface portion of the element formation region (active region) of the p-
[0100]
A
[0101]
Thus, by providing the
[0102]
As mentioned above, the invention made by the present inventor has been specifically described based on the above embodiments. However, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Of course.
[0103]
For example, the present invention can be applied to a semiconductor integrated circuit device having a field effect transistor in which a source region and a drain region are constituted by a pair of p-type semiconductor regions.
[0104]
【The invention's effect】
The effects obtained by the representative ones of the inventions disclosed in the present application will be briefly described as follows.
[0105]
In a semiconductor integrated circuit device having a field effect transistor in which a gate electrode is formed on a surface of a semiconductor substrate with a gate insulating film interposed, a threshold voltage (Vth) over time caused by hot carriers of the field effect transistor The fluctuation can be suppressed, and the fluctuation of the threshold voltage (Vth) with time due to hydrogen ions, hydroxide ions, or the like can be suppressed.
[0106]
In addition, the current gain of the field effect transistor can be increased.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a main part of a semiconductor integrated circuit device having a MOSFET (field effect transistor) that is
FIG. 2 is a fragmentary cross-sectional view for illustrating the method for manufacturing the MOSFET.
FIG. 3 is a fragmentary cross-sectional view for illustrating the method for manufacturing the MOSFET.
FIG. 4 is a fragmentary cross-sectional view for illustrating the method for manufacturing the MOSFET.
FIG. 5 is a fragmentary cross-sectional view for illustrating the method for manufacturing the MOSFET.
FIG. 6 is a fragmentary cross-sectional view for illustrating the method for manufacturing the MOSFET.
FIG. 7 is a fragmentary cross-sectional view for illustrating the method for manufacturing the MOSFET.
FIG. 8 is a cross-sectional view of a principal part of a semiconductor integrated circuit device having a MOSFET (field effect transistor) which is
FIG. 9 is a cross-sectional view of a principal part of a semiconductor integrated circuit device having a nonvolatile memory element (field effect transistor) that is
10 is a fragmentary cross-sectional view for illustrating the method of manufacturing the nonvolatile memory element. FIG.
11 is a fragmentary cross-sectional view for illustrating the method of manufacturing the nonvolatile memory element. FIG.
FIG. 12 is a fragmentary cross-sectional view for illustrating the method for manufacturing the nonvolatile memory element.
FIG. 13 is a fragmentary cross-sectional view for illustrating the method for manufacturing the nonvolatile memory element.
FIG. 14 shows the present invention.Reference exampleFIG. 2 is a cross-sectional view of a main part of a semiconductor integrated circuit device having a nonvolatile memory element (field effect transistor) that is.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記ゲート電極のゲート長方向の両側に酸化珪素膜からなるサイドウォールスペーサを設け、
前記半導体基板と前記ゲート絶縁膜との間に第1の窒化絶縁膜を設け、
前記ゲート電極、前記ゲート絶縁膜、前記第1の窒化絶縁膜及び前記半導体基板と前記サイドウォールスペーサとの間に第2の窒化珪素膜を設け、
前記第2の窒化珪素膜は、前記ゲート絶縁膜の側壁面上に形成され、
前記ゲート電極に自己整合でソース領域及びドレイン領域となる一対の半導体領域が前記半導体基板に形成され、
前記半導体基板の全面に層間絶縁膜が形成されていることを特徴とする半導体集積回路装置。In a semiconductor integrated circuit device having a field effect transistor having a gate electrode formed on a surface of a semiconductor substrate with a gate insulating film interposed therebetween,
Side wall spacers made of a silicon oxide film are provided on both sides of the gate electrode in the gate length direction,
Providing a first nitride insulating film between the semiconductor substrate and the gate insulating film;
A second silicon nitride film is provided between the gate electrode, the gate insulating film , the first nitride insulating film, and the semiconductor substrate and the sidewall spacer;
The second silicon nitride film is formed on a side wall surface of the gate insulating film ;
A pair of semiconductor regions that are self-aligned with the gate electrode to form a source region and a drain region are formed in the semiconductor substrate
A semiconductor integrated circuit device, wherein an interlayer insulating film is formed on the entire surface of the semiconductor substrate .
前記ゲート電極のゲート長方向の両側に酸化珪素膜からなるサイドウォールスペーサを設け、
前記半導体基板と前記ゲート絶縁膜との間に第1の窒化絶縁膜を設け、
前記ゲート電極、前記ゲート絶縁膜、前記第1の窒化絶縁膜及び前記半導体基板と前記サイドウォールスペーサとの間に第2の窒化珪素膜を設け、
前記第2の窒化珪素膜は、前記ゲート絶縁膜の側壁面上に形成され、
前記ゲート電極に自己整合でソース領域及びドレイン領域となる一対の半導体領域が前記半導体基板に形成され、
前記半導体基板の表面部に形成された前記半導体領域の前記第2の窒化珪素膜で覆われていない表面部にシリサイド層が形成され、
前記半導体基板の全面に層間絶縁膜が形成されていることを特徴とする半導体集積回路装置。In a semiconductor integrated circuit device having a field effect transistor having a gate electrode formed on a surface of a semiconductor substrate with a gate insulating film interposed therebetween,
Side wall spacers made of a silicon oxide film are provided on both sides of the gate electrode in the gate length direction,
Providing a first nitride insulating film between the semiconductor substrate and the gate insulating film;
Said gate electrode, said gate insulating film, a second silicon nitride film between the first nitride insulating film and the semiconductor substrate and the sidewall spacers provided,
The second silicon nitride film is formed on a side wall surface of the gate insulating film;
A pair of semiconductor regions that are self-aligned with the gate electrode to form a source region and a drain region are formed in the semiconductor substrate
Shi Risaido layer is formed on the surface portion of the not covered with the second silicon nitride film of the semiconductor area formed in a surface portion of the semiconductor substrate,
A semiconductor integrated circuit device, wherein an interlayer insulating film is formed on the entire surface of the semiconductor substrate .
前記第2の窒化珪素膜は、気相化学成長法で形成された膜であることを特徴とする半導体集積回路装置。In the semiconductor integrated circuit device according to claim 1 or 2,
The semiconductor integrated circuit device, wherein the second silicon nitride film is a film formed by vapor phase chemical growth.
前記第1の窒化絶縁膜は、前記ゲート絶縁膜形成後に酸窒化処理を施して形成した酸窒化珪素膜で構成されることを特徴とする半導体集積回路装置。The semiconductor integrated circuit device according to any one of claims 1 to 3,
The semiconductor integrated circuit device, wherein the first nitride insulating film is formed of a silicon oxynitride film formed by performing an oxynitriding process after forming the gate insulating film .
半導体基板の表面上に第1の窒化絶縁膜及びゲート絶縁膜をこの順序で介在してゲート電極を形成し、前記ゲート電極下の前記半導体基板の素子形成領域の表面を除く素子形成領域の表面を露出する工程と、
前記半導体基板の全面に第2の窒化珪素膜を形成し、前記ゲート絶縁膜の側壁面を前記第2の窒化珪素膜で覆う工程と、
前記ゲート電極に自己整合でソース領域及びドレイン領域となる一対の半導体領域を形成する工程と、
前記半導体基板の全面に酸化珪素膜を形成する工程と、
前記第2の窒化珪素膜及び前記酸化珪素膜に異方性エッチングを施すことにより、前記ゲート電極、前記ゲート絶縁膜、前記第1の窒化絶縁膜及び前記半導体基板との間に前記第2の窒化珪素膜を介在させた前記酸化珪素膜からなるサイドウォールスペーサを形成する工程と、
前記半導体基板の全面に層間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集積回路装置の製造方法。In a method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device having a field effect transistor,
A gate electrode is formed by interposing a first nitride insulating film and a gate insulating film in this order on the surface of the semiconductor substrate, and the surface of the element forming region excluding the surface of the element forming region of the semiconductor substrate under the gate electrode Exposing the step,
Forming a second silicon nitride film on the entire surface of the semiconductor substrate, and covering a side wall surface of the gate insulating film with the second silicon nitride film;
Forming a pair of semiconductor regions to be a source region and a drain region in self-alignment with the gate electrode;
Forming a silicon oxide film on the entire surface of the semiconductor substrate;
By performing anisotropic etching on the second silicon nitride film and the silicon oxide film, the second silicon nitride film and the silicon nitride film are interposed between the gate electrode , the gate insulating film , the first nitride insulating film, and the semiconductor substrate . Forming a sidewall spacer made of the silicon oxide film with a silicon nitride film interposed therebetween;
And a step of forming an interlayer insulating film on the entire surface of the semiconductor substrate.
半導体基板の表面上に第1の窒化絶縁膜及びゲート絶縁膜をこの順序で介在してゲート電極を形成し、前記ゲート電極下の前記半導体基板の素子形成領域の表面を除く素子形成領域の表面を露出する工程と、
前記半導体基板の全面に第2の窒化珪素膜を形成し、前記ゲート絶縁膜の側壁面を前記第2の窒化珪素膜で覆う工程と、
前記ゲート電極に自己整合でソース領域及びドレイン領域となる一対の半導体領域を形成する工程と、
前記半導体基板の全面に酸化珪素膜を形成する工程と、
前記第2の窒化珪素膜及び前記酸化珪素膜に異方性エッチングを施すことにより、前記ゲート電極、前記ゲート絶縁膜、第1の窒化絶縁膜及び前記半導体基板との間に前記第2の窒化珪素膜を介在させた前記酸化珪素膜からなるサイドウォールスペーサを形成する工程と、
前記異方性エッチングにより露出した前記半導体領域の表面部にシリサイド層を形成する工程と、
前記半導体基板の全面に層間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集積回路装置の製造方法。In a method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device having a field effect transistor,
A gate electrode is formed by interposing a first nitride insulating film and a gate insulating film in this order on the surface of the semiconductor substrate, and the surface of the element forming region excluding the surface of the element forming region of the semiconductor substrate under the gate electrode Exposing the step,
Forming a second silicon nitride film on the entire surface of the semiconductor substrate, and covering a side wall surface of the gate insulating film with the second silicon nitride film;
Forming a pair of semiconductor regions to be a source region and a drain region in self-alignment with the gate electrode;
Forming a silicon oxide film on the entire surface of the semiconductor substrate;
By performing anisotropic etching on the second silicon nitride film and the silicon oxide film, the second nitride is interposed between the gate electrode , the gate insulating film , the first nitride insulating film, and the semiconductor substrate. Forming a sidewall spacer made of the silicon oxide film with a silicon film interposed therebetween;
Forming a silicide layer on a surface portion of the semiconductor region exposed by the anisotropic etching;
And a step of forming an interlayer insulating film on the entire surface of the semiconductor substrate.
前記第2の窒化珪素膜及び前記酸化珪素膜を気相化学成長法で形成することを特徴とする半導体集積回路装置の製造方法。In the manufacturing method of the semiconductor integrated circuit device according to claim 5,
A method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device, wherein the second silicon nitride film and the silicon oxide film are formed by vapor phase chemical growth.
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