JP4063567B2 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置およびその製造方法に関し、特にオーバラップするゲート電極およびゲート絶縁膜の構造とその形成方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体装置は、その高集積化あるいは高密度化と共に、その多機能化あるいは高機能化が種々に検討されている。このような半導体装置は、主にメモりデバイス、ロジックデバイスあるいはアナログデバイスがそれぞれ混載して構成される。そして、近年では、CCD(Charge Coupled Device)のような固体撮像素子を混載する半導体装置も検討され始めた。
【0003】
このCCDで構成される電荷の転送部には、通常、2層のゲート電極でもってNMOS構造のトランジスタが形成される。ここで、第1層のゲート電極と第2層のゲート電極の一部は、絶縁膜を挟んで積層するように形成される。すなわち、2層のゲート電極は互いにオーバラップするように設けられる。このような構造にすることで、電荷の転送効率が向上することになる。
【0004】
以下、図面を参照して、上述したような2層のゲート電極の形成について概略説明する。図6は、第1のゲート電極および第2のゲート電極の製造工程順の略断面図である。
【0005】
図6(a)に示すように、シリコン基板101表面に第1のゲート絶縁膜102を熱酸化で形成する。ここで、第1のゲート絶縁膜の膜厚は100nm程度である。そして、リン不純物を含有する多結晶シリコン膜を化学気相成長(CVD)法で堆積させる。公知のリソグラフィ技術とドライエッチング技術とで上記多結晶シリコン膜を加工し、第1のゲート電極103を形成する。なお、上記リン不純物を含有する多結晶シリコン膜の形成では、初めにノンドープの多結晶シリコン膜を成膜しその後にリンの熱拡散を行って形成してもよい。
【0006】
次に、図6(b)に示すように、希フッ酸溶液を用いたウェットエッチングにより、第1のゲート電極103の下部以外にあるシリコン基板101上に残存していた絶縁膜を除去する。上記ウェットエッチング工程で、第1のゲート電極103端部の第1のゲート絶縁膜102は等方的なエッチイングを受けてその領域にアンダーカット104が生じる。
【0007】
次に、酸化雰囲気中、例えば、H2 O雰囲気中での熱酸化を施す。この熱酸化で、図6(c)に示すようにシリコン基板101表面に膜厚が100nm程度の第2のゲート絶縁膜105を形成する。同時に、第1のゲート電極103表面も酸化され、その領域に側面酸化膜106が形成されることになる。
【0008】
しかし、従来の熱酸化では、上記側面酸化膜106はオーバーハング形状になる。そして、第1のゲート電極103の端部において酸化膜窪み107が形成されることになる。
【0009】
次に、全面にCVD法で再度リン不純物を含有する多結晶シリコン膜を成膜させる。そして、第1のゲート電極103と同様に上記多結晶シリコン膜を加工し第2のゲート電極108を形成する。
【0010】
このようにして、図6(d)に示すように、シリコン基板101上に第1のゲート絶縁膜102を介して第1のゲート電極103を形成し、第2のゲート絶縁膜105を介して第2のゲート電極108を形成する。しかし、従来の技術では、図6(c)で説明した酸化膜窪み107領域にシリコン残り109が形成されることになる。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
従来の技術では、図6(d)に説明したように、シリコン残り109が第1のゲート電極103の端部に沿って形成されるようになる。このようなシリコン残り109が発生すると、以降の半導体装置の製造工程で剥離し導電性のある長大なパーティクルとなってしまう。そして、半導体装置の製造歩留まりを大幅に低下させることがある。更に、場合によっては、このシリコン残り109が複数の第2のゲート電極108間を短絡し、半導体装置の動作不良を引き起こす。
【0012】
そこで、第2のゲート電極108を形成後に、等方的なエッチングを追加して上記シリコン残り109を除去する必要がある。しかし、このような追加エッチングでは、上記第2のゲート電極108も追加エッチングされ、第2のゲート電極108のゲート寸法が変動することになる。このために、ゲート寸法が微細になってくると上記の追加エッチングの手法は使用できない。
【0013】
また、従来の技術では、図6(c)に示すように、第1のゲート電極103の端部でその断面形状が変形し上部に反り上がるような形状になる。このような変形は、上述したCCDでの電荷の転送効率を大幅に低下させるようになる。
【0014】
本発明の目的は、互いにオーバラップするゲート電極を高精度に形成し上述した問題を全て解決することにある。そして、本発明の他の目的は、マルチオキサイド膜を簡便な方法で形成し、半導体装置の多機能化および高機能化を容易にすることにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明の半導体装置では、半導体基板上に第1のゲート絶縁膜を介して第1のゲート電極が形成され、前記半導体基板表面および第1のゲート電極表面の熱酸化で形成する第1酸化膜とCVD法で全面に堆積する第2酸化膜とがこの順に積層して第2のゲート絶縁膜が形成され、前記第1酸化膜と第2酸化膜を介して前記第1のゲート電極にオーバラップする第2のゲート電極が形成されている。
【0016】
あるいは、本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に第1のゲート絶縁膜を形成し該第1のゲート絶縁膜上の所定の領域に第1のゲート電極を形成する工程と、前記第1のゲート電極をエッチングマスクにし前記第1のゲート絶縁膜を選択的に除去する工程と、露出した前記半導体基板表面と前記第1のゲート電極表面を熱酸化し第1酸化膜を形成し、更に前記第1酸化膜を被覆する第2酸化膜をCVD法で成膜し、前記第1酸化膜と第2酸化膜とで第2のゲート絶縁膜を形成する工程と、前記第1酸化膜と第2酸化膜を介して前記第1のゲート電極にオーバラップする第2のゲート電極を形成する工程とを含む。
【0017】
あるいは、本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に第1のゲート絶縁膜を形成し該第1のゲート絶縁膜上の所定の領域に第1のゲート電極を形成する工程と、前記第1のゲート電極をエッチングマスクにし前記第1のゲート絶縁膜を選択的に除去する工程と、露出した前記半導体基板表面と前記第1のゲート電極表面を熱酸化し第1酸化膜を形成し、更に前記第1酸化膜を被覆する第2酸化膜をCVD法で成膜し、前記第1酸化膜と第2酸化膜とで第2のゲート絶縁膜を形成する工程と、前記半導体基板上の所定の領域において前記第2のゲート絶縁膜を選択的に除去する工程と、全面を酸素ガスで熱処理し、露出した前記半導体基板表面に第3のゲート絶縁膜を形成する工程と、前記第1酸化膜と第2酸化膜を介して前記第1のゲート電極にオーバラップし前記第2のゲート絶縁膜を被覆する第2のゲート電極を形成すると同時に前記第3のゲート絶縁膜を被覆する第3のゲート電極を形成する工程とを含む。
【0018】
ここで、前記第1酸化膜は、酸素の活性種による熱酸化で形成される。あるいは、前記第2酸化膜は、シランと亜酸化窒素とを反応ガスに含んだ減圧CVDで成膜したHTO膜である。
【0019】
本発明では、第1酸化膜は第1のゲート電極表面に一様に形成される。また、第2酸化膜の被覆性は非常に高く、その断面形状はコンフォーマルになる。このために、互いにオーバラップする第1のゲート電極および第2のゲート電極を高精度に形成できるようになる。そして、マルチオキサイド膜が簡便に形成でき、半導体装置の多機能化および高機能化が容易になる。
【0020】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の第1の実施の形態について図1と図2に基づいて説明する。ここで、図1と図2は、本発明の場合の、互いにオーバラップする第1のゲート電極および第2のゲート電極および第2のゲート絶縁膜の製造工程順の断面図である。
【0021】
図1(a)に示すように、従来の技術と同様に、シリコン基板1表面に膜厚が100nm程度の第1のゲート絶縁膜2を熱酸化法で形成する。そして、N型不純物(リン、ヒ素)を含有する多結晶シリコン膜をCVD法で堆積させ、公知のリソグラフィ技術とドライエッチング技術とで上記多結晶シリコン膜を加工し、第1のゲート電極3を形成する。ここで、第1のゲート電極3に含まれる不純物濃度は1019〜1020原子/cm3 程度である。なお、上記N型不純物を含有する多結晶シリコン膜の形成では、初めにノンドープの多結晶シリコン膜を成膜しその後にN型不純物の熱拡散を行って形成してもよい。
【0022】
次に、図1(b)に示すように、希フッ酸溶液を用いたウェットエッチングにより、第1のゲート電極3の下部以外にあるシリコン基板1上に残存していた絶縁膜を除去する。上記ウェットエッチング工程で、第1のゲート電極3端部の第1のゲート絶縁膜2は等方的なエッチイングを受けてその領域にアンダーカット4が生じる。
【0023】
次に、酸化雰囲気中、例えば、ラジカル酸素の雰囲気中での熱酸化を施す。この熱酸化で第1酸化膜を形成する。すなわち、図1(c)に示すようにシリコン基板1表面に膜厚が10nm程度シリコン酸化膜で下地絶縁膜5を形成する。この熱酸化では同時に、第1のゲート電極3表面も酸化され、その領域に側面酸化膜6が形成されることになる。ここで、第1のゲート電極3中には高濃度のN型不純物が含まれるために、上記熱酸化で形成される側面酸化膜6の膜厚は20nm程度に厚くなる。
【0024】
上記のような熱酸化では、図1(c)に示すような窪み7が形成される。しかし、この場合には、第1のゲート電極3の側面は一様に酸化される。これについては図4と図5に基づいて詳細に説明する。このために、上記窪み7の空洞幅は60nm程度と一様になる。
【0025】
次に、図2(a)に示すように、減圧CVD法で全面に膜厚が90nm程度のシリコン酸化膜を成膜し第2酸化膜を形成する。すなわち、下地絶縁膜5、側面酸化膜6上および窪み7を充填するように堆積絶縁膜8を形成する。この堆積絶縁膜8と下地絶縁膜5とで第2のゲート絶縁膜9が形成される。
【0026】
この減圧CVDの特徴は、成膜温度が600〜700℃と通常のCVD法の場合より高く、反応ガスとしてシラン(SiH4 )と亜酸化窒素(N2 O)ガスを用いる点にある。以下、このようにして形成するシリコン酸化膜をHTO(High Temperature Oxide)膜という。このHTO膜は被覆性に優れているために、上述した窪み7は完全にHTO膜で埋め込まれるようになる。また、HTO膜は均一に形成されるために、上記堆積絶縁膜8は、第1のゲート電極3表面において、従来の技術で述べたようなオーバーハング形状にはならないでコンフォーマル形状になる。
【0027】
次に、全面にCVD法で再度N型不純物を含有する多結晶シリコン膜を成膜させる。そして、図2(b)に示すように、第1のゲート電極3と同様に上記多結晶シリコン膜を加工し第2のゲート電極10を形成する。
【0028】
このようにして、図2(b)に示すように、シリコン基板1上に第1のゲート絶縁膜2を介して第1のゲート電極3を形成し、下地絶縁膜5と堆積絶縁膜8で成る第2のゲート絶縁膜9を介して第2のゲート電極10を形成する。
【0029】
次に、上述したラジカル酸素の雰囲気中での熱酸化について図3と図4に基づき説明する。この中で、本発明の効果も説明する。図3は、上述した図1(c)と図2(a)に対応する断面図である。図4は、従来の熱酸化の場合を説明するための断面図である。
【0030】
図3(a)に示すように、シリコン基板1表面および第1のゲート電極3表面をラジカル酸素の雰囲気で熱酸化すると、第1のゲート電極3表面の酸化は一様に進行する。このために、上記窪み7においてその空洞幅は一様になる。
【0031】
これに対して、従来の技術で述べたような通常のH2 OあるいはO2 雰囲気で上記熱酸化を行うと、図4(a)に示すように、第1のゲート電極3表面は一様に酸化されなくなる。このために、側面酸化膜6において第1のゲート電極3の角部の膜厚が局所的に厚くなり、凸部11,11aが形成される。そして、上述した窪み7aの断面形状が一様でなくなる。
【0032】
従来の技術では、第1のゲート電極3のように矩形に加工した被酸化物を熱酸化すると、成長する酸化膜には熱応力が生成する。この熱応力が引っ張り応力であると、酸化膜中を熱拡散で動く酸化剤の反応界面への供給量は増加し、その領域の酸化が局所的に増速される。このために上述した凸部11,11aが形成される。なお、熱応力が圧縮応力であると、逆に酸化は減速することになる。
【0033】
これに対して、本発明のようにラジカル酸素の雰囲気で熱酸化を行うと、上述した熱応力の影響が大幅に低減する。このために一様な側面酸化膜6が第1のゲート電極3の側面に形成できるようになる。本発明では、ラジカル酸素の他に酸素の活性種であればよい。ここで、酸素の活性種とは酸素が励起状態になっているもので、酸素のイオン、酸素の中性ラジカルである。このような酸素の活性種は、酸素をプラズマ励起する、水素と酸素とを減圧下で反応させる、オゾンを熱分解させる等で形成できる。
【0034】
そして、図3(b)に示すように、上述したHTO膜で堆積絶縁膜8を下地絶縁膜5および側面酸化膜6を覆うように全面に形成すると、一様に形成された上記窪み7は完全に埋め込まれる。このようにして、第1のゲート電極3表面において、従来の技術で述べたようなオーバーハング形状にはならないでコンフォーマル形状になる。
【0035】
これに対して、図4で示したような従来の場合には、本発明と同様にHTO膜でもって全面に堆積絶縁膜8を形成しても、第1のゲート電極3の角部に形成した凸部11の影響が残り、図4(b)に示すように、この領域において堆積絶縁膜8はオーバーハング形状になる。また、窪み7aは完全には埋め込まれずにボイド12が形成されることになる。このような、オーバーハング形状は、従来の技術で説明したのと同じ問題を生じさせる。そして、上記ボイド12はMOSFETの信頼性を低下させる。
【0036】
このようにして、本発明においては、従来の技術の場合のような導電性のある長大なパーティクル発生は無くなり、複数の第2のゲート電極10間の短絡も皆無になる。そして、半導体装置の製造歩留まりが大幅に向上する。また、第2のゲート電極10の追加エッチングは全く不要であり、ゲート寸法の微細化が可能になる。そして、互いにオーバラップする第1のゲート電極および第2のゲート電極を高精度に形成できるようになる。
【0037】
次に、本発明の第2の実施の形態について図5に基づいて説明する。図5はマルチオキサイド膜を形成する場合を説明するゲート電極部の断面図である。
【0038】
半導体装置のCCDによる転送部を形成するために、図5(a)に示すように、第1の実施の形態と同様に、シリコン基板1上に第1のゲート絶縁膜2を介して第1のゲート電極3を形成する。そして、シリコン基板1の表面および第1のゲート電極3表面をラジカル酸素の雰囲気で熱酸化し、下地絶縁膜5および側面酸化膜6を形成する。
【0039】
そして、上述したHTO膜で堆積絶縁膜8を下地絶縁膜5および側面酸化膜6を覆うように全面に形成し、一様に形成された上記窪み7を完全に充填させる。このようにして、第2のゲート絶縁膜9を形成する。
【0040】
このようにした後、例えば、図5(b)に示すように、半導体装置のオペアンプ回路を形成する領域において、シリコン基板1上の上記下地絶縁膜5と堆積絶縁膜8を公知の選択エッチング技術で除去する。
【0041】
次に、シリコン基板1上の全面を酸素雰囲気で熱酸化する。この熱酸化により、図5(b)に示すように第3のゲート絶縁膜13を形成する。ここで、第3のゲート絶縁膜13は、膜厚が30nm程度のシリコン酸化膜である。
【0042】
上記の熱酸化において、図5(a)で説明した上記転送部の第2のゲート絶縁膜9の膜厚は変化しない。これは、第2ゲート絶縁膜9の膜厚が実効的には100nm程度と厚いからである。そして、図5に示すように、第2のゲート電極10と第3のゲート電極14とを同一の工程で形成する。
【0043】
このようにして、本発明では、半導体装置のMOSFETを構成するマルチオキサイド膜、すなわち、互いに膜厚あるいは膜質の異なる、第1のゲート絶縁膜2、第2のゲート絶縁膜9および第3のゲート絶縁膜13を半導体基板上に容易に形成できる。このように、マルチオキサイド膜が簡便に形成でき、半導体装置の多機能化および高機能化が容易になる。
【0044】
上記の実施の形態では、第1酸化膜を酸素の活性種の雰囲気中で形成した。本発明はこれに限定されない。第1酸化膜を通常の酸素雰囲気中で形成してもよい。しかし、この場合には側面酸化膜6の膜厚を10nm以下になるようにする必要がある。ここで、側面酸化膜6の膜厚が厚くなると、その膜厚の一様性が悪くなるからである。
【0045】
また、上記の実施の形態では、一部でオーバラップする第1のゲート電極と第2のゲート電極とでCCDの転送部を形成した。本発明はこれに限定されない。これらのゲート電極を有するMOSFETでもってメモリデバイスあるいはロジックデバイスを形成する場合でも本発明は同様に適用できる。
【0046】
本発明は、上記の実施の形態に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、実施の形態が適宜変更され得る。
【0047】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明では、半導体基板上に第1のゲート絶縁膜を介して第1のゲート電極が形成され、上記半導体基板表面および第1のゲート電極表面の熱酸化法で形成する第1酸化膜とCVD法で全面に堆積する第2酸化膜とがこの順に積層して第2のゲート絶縁膜が形成され、上記第1酸化膜と第2酸化膜を介して上記第1のゲート電極にオーバラップする第2のゲート電極が形成される。ここで、第1酸化膜は、酸素の活性種雰囲気で熱酸化で形成され、第2酸化膜はHTO膜で形成される。
【0048】
このようにして、互いにオーバラップする第1のゲート電極および第2のゲート電極を高精度に形成できるようになり、半導体基板上にマルチオキサイド膜が簡便に形成できるようになる。そして、半導体装置の多機能化および高機能化が促進されるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態を説明するための互いにオーバラップするゲート電極の製造工程順の断面図である。
【図2】上記続きの製造工程順の断面図である。
【図3】本発明の第1の実施の形態を説明するための第2のゲート絶縁膜の形成方法を説明する断面図である。
【図4】従来の技術との比較のための第2のゲート絶縁膜の形成方法を説明する断面図である。
【図5】本発明のマルチオキサイド膜形成を説明するための断面図である。
【図6】従来の技術を説明するための互いにオーバラップするゲート電極の製造工程順の断面図である。
【符号の説明】
1,101 シリコン基板
2,102 第1のゲート絶縁膜
3,103 第1のゲート電極
4,104 アンダーカット
5 下地絶縁膜
6,106 側面酸化膜
7,7a 窪み
8 堆積絶縁膜
9,105 第2のゲート絶縁膜
10,108 第2のゲート電極
11,11a 凸部
12 ボイド
13 第3のゲート絶縁膜
14 第3のゲート電極
107 酸化膜窪み
109 シリコン残り
Claims (7)
- 半導体基板上に第1のゲート絶縁膜を介して第1のゲート電極が形成され、前記半導体基板表面および第1のゲート電極表面の熱酸化で形成する第1酸化膜と化学気相成長(CVD)法で全面に堆積する第2酸化膜とがこの順に積層して第2のゲート絶縁膜が形成され、前記第1酸化膜と第2酸化膜を介して前記第1のゲート電極にオーバラップする第2のゲート電極が形成され、
前記第2酸化膜は、シランと亜酸化窒素とを反応ガスに含んだ減圧CVDで成膜したHTO(High Temperature Oxide)膜であることを特徴とする半導体装置。 - 前記第1酸化膜は、酸素の活性種による熱酸化で形成されていることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
- 半導体基板上に第1のゲート絶縁膜を形成し該第1のゲート絶縁膜上の所定の領域に第1のゲート電極を形成する工程と、
前記第1のゲート電極をエッチングマスクにし前記第1のゲート絶縁膜を選択的に除去する工程と、
露出した前記半導体基板表面と前記第1のゲート電極表面を熱酸化し第1酸化膜を形成し、更に前記第1酸化膜を被覆する第2酸化膜をシランと亜酸化窒素とを反応ガスに含んだ減圧CVD法で成膜し、前記第1酸化膜と第2酸化膜とで第2のゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記第1酸化膜と第2酸化膜を介して前記第1のゲート電極にオーバラップする第2のゲート電極を形成する工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 半導体基板上に第1のゲート絶縁膜を形成し該第1のゲート絶縁膜上の所定の領域に第1のゲート電極を形成する工程と、
前記第1のゲート電極をエッチングマスクにし前記第1のゲート絶縁膜を選択的に除去する工程と、
露出した前記半導体基板表面と前記第1のゲート電極表面を酸素の活性種による熱酸化で第1酸化膜を形成し、更に前記第1酸化膜を被覆する第2酸化膜をCVD法で成膜し、前記第1酸化膜と第2酸化膜とで第2のゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記半導体基板上の所定の領域において前記第2のゲート絶縁膜を選択的に除去する工程と、
全面を酸素ガスで熱処理し、露出した前記半導体基板表面に第3のゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記第1酸化膜と第2酸化膜を介して前記第1のゲート電極にオーバラップし前記第2のゲート絶縁膜を被覆する第2のゲート電極を形成すると同時に前記第3のゲート絶縁膜を被覆する第3のゲート電極を形成する工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記第1酸化膜は、酸素の活性種による熱酸化で形成す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法。
- 前記第2酸化膜は、シランと亜酸化窒素とを反応ガスに含んだ減圧CVDで成膜することを特徴とする請求項4記載の半導体装置の製造方法。
- 半導体基板上に第1のゲート絶縁膜を介して第1のゲート電極が形成され、前記半導体基板表面および第1のゲート電極表面の熱酸化で形成する第1酸化膜と化学気相成長(CVD)法で全面に堆積する第2酸化膜とがこの順に積層して第2のゲート絶縁膜が形成され、前記第1酸化膜と第2酸化膜を介して前記第1のゲート電極にオーバラップする第2のゲート電極が形成されており、
前記第1酸化膜は、酸素の活性種による熱酸化で形成されていることを特徴とする半導体装置。
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