JP5632254B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

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本発明は、CMOSトランジスタを有する半導体装置及びその製造方法に関するものである。   The present invention relates to a semiconductor device having a CMOS transistor and a manufacturing method thereof.

CMOSトランジスタは、メモリ、ロジック、増幅、コンパレータなど、広く電子デバイスに用いられている。特に、増幅やコンパレータなどのアナログ回路の占める割合の大きい回路では、ドレイン電流のわずかな変化が特性に大きな影響を及ぼす。ドレイン電流の変化をもたらす要因として、経時的に閾値電圧が変動する信頼性問題(NBTI,ホットキャリア劣化)とともに、フリッカーノイズが大きな問題となる。   CMOS transistors are widely used in electronic devices such as memory, logic, amplification, and comparators. In particular, in a circuit in which an analog circuit such as an amplifier or a comparator occupies a large proportion, a slight change in drain current greatly affects the characteristics. As a factor that causes a change in drain current, flicker noise becomes a major problem as well as a reliability problem (NBTI, hot carrier deterioration) in which the threshold voltage fluctuates with time.

フリッカーノイズは、ドレイン電流の時間的な変化が様々な周期の変化の重ね合わせの結果、周波数の逆数に比例したノイズスペクトラムとなることから、1/fノイズとも言われている。MOSトランジスタのフリッカーノイズの大きさを表す指標であるノイズスペクトラム密度Svgを表すモデルとして、以下の(i)式がよく用いられる。
Svg=Kf/(Cox・L・W・f)…(i)
ここで、Coxは単位面積当たりのゲート酸化膜の容量、L、Wはゲート長及びゲート幅、fは周波数である。Kfは比例係数であるが、トランジスタのフリッカーノイズを表すパラメータとなっている。
Flicker noise is also referred to as 1 / f noise because a temporal change in drain current results in a noise spectrum proportional to the reciprocal of frequency as a result of superposition of changes in various periods. The following equation (i) is often used as a model representing the noise spectrum density Svg, which is an index representing the magnitude of the flicker noise of the MOS transistor.
Svg = Kf / (Cox · L · W · f) (i)
Here, Cox is the capacitance of the gate oxide film per unit area, L and W are the gate length and gate width, and f is the frequency. Kf is a proportional coefficient, and is a parameter representing the flicker noise of the transistor.

増幅器などのアナログ回路では、素子の面積を大きく設計することにより、フリッカーノイズの影響を抑制することができるが、面積を大きくすることは製造コストを上げてしまうため好ましくない。従って、ノイズパラメータKfの小さいトランジスタを安定に製造することが肝要である。しかしながら、ノイズパラメータKfの小さいトランジスタを安定に製造することは、容易ではなく、宿命とも言うべき長年の課題であった。フリッカーノイズの原因の解明が試みられてきており、チャネル領域における移動度のゆらぎや、キャリア濃度のゆらぎとして説明されてきているが、本質的な原因の解明はなされておらず、また、フリッカーノイズのないトランジスタも存在しない。   In an analog circuit such as an amplifier, the influence of flicker noise can be suppressed by designing the element area to be large. However, increasing the area is not preferable because it increases the manufacturing cost. Therefore, it is important to stably manufacture a transistor having a small noise parameter Kf. However, it is not easy to stably manufacture a transistor having a small noise parameter Kf, and it has been a long-standing problem to be called fate. Attempts have been made to elucidate the cause of flicker noise, which has been described as fluctuations in mobility in the channel region and fluctuations in carrier concentration, but the essential cause has not been elucidated, and flicker noise There is no transistor without.

ところで、PMOSトランジスタ(以下、単にPMOSともいう。)の製造プロセスにおいて、ゲート電極にボロンなどのP型不純物を打ち込むことによりP型の導電性を持たせ、表面チャネル型のPMOSを作製すると、埋め込みチャネル型のPMOSに比べて、リーク電流が小さく駆動能力の大きいPMOSになる。このボロンは、その後の熱処理を経てチャネル付近まで拡散するが、その濃度のばらつきによって閾値電圧がばらつく問題(いわゆるボロン染み出し)があった。   By the way, in a manufacturing process of a PMOS transistor (hereinafter also simply referred to as PMOS), a P-type conductivity such as boron is implanted into a gate electrode to provide P-type conductivity, and a surface channel type PMOS is manufactured. Compared with a channel type PMOS, the PMOS has a small leakage current and a large driving capability. This boron diffuses to the vicinity of the channel through the subsequent heat treatment, but there is a problem that the threshold voltage varies due to variation in the concentration (so-called boron oozing).

この問題の解決として、ゲート酸化膜の形成後に引き続いて、一酸化窒素ガスを含む雰囲気中で熱処理(以下、NO処理という)を行うことにより、ゲート酸化膜中に窒素を存在させて、ボロンの拡散を防ぐ方法が知られている(例えば、非特許文献1参照。)。
しかしながら、NO処理による方法では、フリッカーノイズが大きくなるという新たな問題が発生することがわかった。NO処理を行った場合と行わない場合のPMOSのフリッカーノイズのデータを図7に示す。
As a solution to this problem, after the formation of the gate oxide film, by performing a heat treatment (hereinafter referred to as NO treatment) in an atmosphere containing nitrogen monoxide gas, nitrogen is present in the gate oxide film, A method for preventing diffusion is known (for example, see Non-Patent Document 1).
However, it has been found that a new problem that the flicker noise becomes large occurs in the method using NO treatment. FIG. 7 shows PMOS flicker noise data with and without the NO process.

図7は、NO処理の有無におけるノイズスペクトラムを示す図である。図7において、横軸は周波数を示し、縦軸はフリッカーノイズを示す。このデータは、ゲート長が2ミクロンであり、ゲート幅が10ミクロンであるPMOSについて、ドレイン電流を17マイクロアンペアに設定した条件で測定したものである。図7から、NO処理を行うことにより、フリッカーノイズが増大していることがわかる。その原因として、NO処理による窒素の存在する位置が影響する。   FIG. 7 is a diagram showing a noise spectrum with and without NO processing. In FIG. 7, the horizontal axis represents frequency, and the vertical axis represents flicker noise. This data was measured under conditions where the drain current was set to 17 microamperes for a PMOS having a gate length of 2 microns and a gate width of 10 microns. It can be seen from FIG. 7 that flicker noise is increased by performing the NO process. As the cause, the position where nitrogen exists due to the NO treatment affects.

図8は、SIMS解析により求めた、NO処理によるゲート酸化膜中での窒素濃度分布を示す図である。図8において、横軸はシリコン基板表面からの深さを示し、左側の縦軸は窒素濃度を示し、右側の縦軸はOとSiの2次イオン強度を示す。Oのイオン強度が低下する3nmの深さがSiO2とSiの界面を意味するが、図8に示すように、NO処理によって導入された窒素は、シリコン基板との界面付近にピークを持つ分布となっている。本発明者は、この界面付近の窒素が、ノイズ発生の原因となっている点を見出した。 FIG. 8 is a diagram showing a nitrogen concentration distribution in the gate oxide film obtained by NO treatment, which is obtained by SIMS analysis. In FIG. 8, the horizontal axis indicates the depth from the silicon substrate surface, the left vertical axis indicates the nitrogen concentration, and the right vertical axis indicates the secondary ion intensity of O and Si. The depth of 3 nm at which the ionic strength of O decreases means the interface between SiO 2 and Si. As shown in FIG. 8, the nitrogen introduced by the NO treatment has a peak near the interface with the silicon substrate. It has become. The present inventor has found that nitrogen in the vicinity of this interface causes noise generation.

また、ゲート酸化膜にフッ素を導入することにより、界面準位を低減できることがよく知られている。さらに、ゲート電極となるポリシリコン膜を形成した後で、フッ素イオンを注入して、ポリシリコン膜下のゲート酸化膜にフッ素を導入することにより、トランジスタのフリッカーノイズの低減に効果があることも報告されている(例えば、非特許文献2参照。)。   It is also well known that the interface state can be reduced by introducing fluorine into the gate oxide film. Furthermore, after forming a polysilicon film to be a gate electrode, fluorine ions are implanted, and fluorine is introduced into the gate oxide film under the polysilicon film, which may be effective in reducing transistor flicker noise. (For example, refer nonpatent literature 2).

L.K.Han,Electron Device Letters,vol.16,1995,P319.L. K. Han, Electron Device Letters, vol. 16, 1995, P319. 「車載用ECUにおけるMOS型オペアンプの低ノイズ化」 自動車技術会学術講演会前刷集961(1996−5)p125."Lower noise of MOS type operational amplifier in in-vehicle ECU" Automotive Engineering Society Academic Lecture Preprint 961 (1996-5) p125.

ところで、ゲート酸化膜中のフッ素濃度が大きいと、ボロンの拡散が速まりボロンの染み出しが増加する現象がある。このため、ゲート酸化膜とシリコン基板との界面においてチャネルが形成される、表面チャネル型のPMOSにおいては、フッ素を導入することによる効果に比べてデメリットが大きかった。
そこで、本発明は、CMOSトランジスタにおいて、ボロンの染み出しを抑制して閾値電圧を安定させると共に、ノイズを低減できるようにした半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
By the way, when the fluorine concentration in the gate oxide film is high, there is a phenomenon that the diffusion of boron is accelerated and the seepage of boron increases. For this reason, the surface channel type PMOS in which a channel is formed at the interface between the gate oxide film and the silicon substrate has a greater demerit than the effect of introducing fluorine.
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a semiconductor device and a method of manufacturing the same that can suppress the seepage of boron and stabilize the threshold voltage and reduce noise in a CMOS transistor.

前記課題を解決するために、本発明者は、ゲート酸化膜中の窒素とフッ素の濃度分布を最適にすることにより、大きなノイズ低減を実現できることを見出し、本発明をなすに至った。
即ち、本発明の一態様に係る半導体装置は、CMOSトランジスタをシリコン基板上に備える半導体装置であって、前記シリコン基板上に設けられ、窒素とフッ素とを含有するシリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に設けられ、ポリシリコンからなるゲート電極と、を有し、前記ゲート絶縁膜中の前記ゲート電極近傍の位置に窒素濃度のピークがあり、前記ゲート絶縁膜と前記シリコン基板との界面付近の窒素濃度は0.5atom%以下であり、前記ゲート絶縁膜中におけるフッ素濃度は1atom%以上であり、当該フッ素により前記ゲート絶縁膜と前記シリコン基板との界面のダングリングボンドが終端化されていることを特徴とする。なお、本発明の「ゲート絶縁膜」としては、例えば、後述するゲート酸化膜5が該当する。
In order to solve the above problems, the present inventor has found that a significant noise reduction can be realized by optimizing the concentration distribution of nitrogen and fluorine in the gate oxide film, and has led to the present invention.
That is, a semiconductor device according to one embodiment of the present invention is a semiconductor device including a CMOS transistor on a silicon substrate, and is provided on the silicon substrate and includes a gate insulating film including a silicon oxide film containing nitrogen and fluorine. And a gate electrode made of polysilicon provided on the gate insulating film, wherein the gate insulating film and the silicon have a peak of nitrogen concentration at a position near the gate electrode in the gate insulating film. The nitrogen concentration in the vicinity of the interface with the substrate is 0.5 atom% or less, the fluorine concentration in the gate insulating film is 1 atom% or more, and the dangling bond at the interface between the gate insulating film and the silicon substrate is caused by the fluorine. Is terminated. The “gate insulating film” of the present invention corresponds to, for example, a gate oxide film 5 described later.

本発明の別の態様に係る半導体装置は、CMOSトランジスタをシリコン基板上に備える半導体装置であって、前記シリコン基板上に設けられ、窒素とフッ素とを含有するシリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に設けられ、ポリシリコンからなるゲート電極と、を有し、前記ゲート絶縁膜中の前記ゲート電極近傍の位置に窒素濃度のピークがあり、前記ゲート絶縁膜と前記シリコン基板との界面付近の窒素濃度は0.5atom%以下であり、前記CMOSトランジスタのうちのNMOSトランジスタでは、前記ゲート絶縁膜中におけるフッ素濃度は1atom%以上であり、当該フッ素により前記ゲート絶縁膜と前記シリコン基板との界面のダングリングボンドが終端化されており、一方、前記CMOSトランジスタのうちのPMOSトランジスタでは、前記ゲート絶縁膜中におけるフッ素濃度は1atom%以下であることを特徴とする。   A semiconductor device according to another aspect of the present invention is a semiconductor device including a CMOS transistor on a silicon substrate, the gate insulating film being provided on the silicon substrate and made of a silicon oxide film containing nitrogen and fluorine; A gate electrode made of polysilicon provided on the gate insulating film, and having a nitrogen concentration peak at a position near the gate electrode in the gate insulating film, and the gate insulating film and the silicon substrate The nitrogen concentration in the vicinity of the interface is 0.5 atom% or less, and in the NMOS transistor of the CMOS transistors, the fluorine concentration in the gate insulating film is 1 atom% or more. The dangling bonds at the interface with the silicon substrate are terminated, while the CMOS transistors The MOS transistor, the fluorine concentration in the gate insulating film is equal to or less than 1 atom%.

本発明のさらに別の態様に係る半導体装置の製造方法は、CMOSトランジスタをシリコン基板上に製造する半導体装置の製造方法であって、前記シリコン基板上にゲート絶縁膜を形成する工程と、前記ゲート絶縁膜に窒素プラズマ処理を行って窒素を導入する工程と、窒素が導入された前記ゲート絶縁膜上にポリシリコンからなるゲート電極を形成する工程と、前記ゲート絶縁膜にフッ素イオンを注入する工程と、前記ゲート絶縁膜にフッ素イオンが注入された後で熱処理を行う工程と、を備えることを特徴とする。   A method of manufacturing a semiconductor device according to still another aspect of the present invention is a method of manufacturing a semiconductor device in which a CMOS transistor is manufactured on a silicon substrate, the step of forming a gate insulating film on the silicon substrate, and the gate Performing nitrogen plasma treatment on the insulating film to introduce nitrogen, forming a gate electrode made of polysilicon on the gate insulating film into which nitrogen has been introduced, and implanting fluorine ions into the gate insulating film And a step of performing a heat treatment after fluorine ions are implanted into the gate insulating film.

また、上記の半導体装置の製造方法において、前記窒素を導入する工程では、前記ゲート絶縁膜中の前記ゲート電極近傍の位置に窒素濃度のピークがあり、前記ゲート絶縁膜と前記シリコン基板との界面付近の窒素濃度が0.5atom%以下となるように窒素の導入条件を設定しておき、前記フッ素イオンを注入する工程では、前記ゲート絶縁膜中におけるフッ素濃度が1atom%以上となるようにフッ素イオンの注入条件を設定しておくことを特徴としてもよい。   In the method of manufacturing a semiconductor device, in the step of introducing nitrogen, a peak of nitrogen concentration is present at a position in the gate insulating film near the gate electrode, and the interface between the gate insulating film and the silicon substrate Nitrogen introduction conditions are set so that the nitrogen concentration in the vicinity is 0.5 atom% or less, and in the step of implanting fluorine ions, fluorine is added so that the fluorine concentration in the gate insulating film is 1 atom% or more. Ion implantation conditions may be set in advance.

本発明のさらに別の態様に係る半導体装置の製造方法は、CMOSトランジスタをシリコン基板上に製造する半導体装置の製造方法であって、前記シリコン基板上にゲート絶縁膜を形成する工程と、前記ゲート絶縁膜に窒素プラズマ処理を行って窒素を導入する工程と、窒素が導入された前記ゲート絶縁膜上にポリシリコンからなるゲート電極を形成する工程と、前記CMOSトランジスタのうちのNMOSトランジスタが形成される領域の上方を開口し、前記CMOSトランジスタのうちのPMOSトランジスタが形成される領域の上方を覆うパターンを形成する工程と、前記パターンをマスクに前記ゲート絶縁膜にフッ素イオンを注入する工程と、前記ゲート絶縁膜にフッ素イオンが注入された後で熱処理を行う工程と、を備えることを特徴とする。なお、本発明の「パターン」としては、例えば、後述するフォトレジスト12が該当する。   A method of manufacturing a semiconductor device according to still another aspect of the present invention is a method of manufacturing a semiconductor device in which a CMOS transistor is manufactured on a silicon substrate, the step of forming a gate insulating film on the silicon substrate, and the gate A step of introducing nitrogen by performing nitrogen plasma treatment on the insulating film, a step of forming a gate electrode made of polysilicon on the gate insulating film into which nitrogen has been introduced, and an NMOS transistor of the CMOS transistors are formed. A step of forming a pattern covering the region above the region where the PMOS transistor of the CMOS transistor is formed, and a step of implanting fluorine ions into the gate insulating film using the pattern as a mask, And a step of performing a heat treatment after fluorine ions are implanted into the gate insulating film. And butterflies. The “pattern” of the present invention corresponds to, for example, a photoresist 12 described later.

また、上記の半導体装置の製造方法において、前記窒素を導入する工程では、前記ゲート絶縁膜中の前記ゲート電極近傍の位置に窒素濃度のピークがあり、前記ゲート絶縁膜と前記シリコン基板との界面付近の窒素濃度が0.5atom%以下となるように窒素の導入条件を設定しておき、前記フッ素イオンを注入する工程では、前記NMOSトランジスタが形成される領域の前記ゲート絶縁膜中におけるフッ素濃度が1atom%以上となるようにフッ素イオンの注入条件を設定しておくことを特徴としてもよい。   In the method of manufacturing a semiconductor device, in the step of introducing nitrogen, a peak of nitrogen concentration is present at a position in the gate insulating film near the gate electrode, and the interface between the gate insulating film and the silicon substrate The condition for introducing nitrogen is set so that the nitrogen concentration in the vicinity is 0.5 atom% or less, and in the step of implanting fluorine ions, the fluorine concentration in the gate insulating film in the region where the NMOS transistor is formed It is also possible to set the fluorine ion implantation conditions so that is 1 atom% or more.

本発明のCMOSトランジスタは、ボロンの染み出しを抑制することができ、閾値電圧を安定させ、フリッカーノイズの小さなNMOSトランジスタ、及びフリッカーノイズの小さなPMOSトランジスタを同時に備える効果を有する。   The CMOS transistor of the present invention can suppress the seepage of boron, stabilizes the threshold voltage, and has an effect of simultaneously including an NMOS transistor with small flicker noise and a PMOS transistor with small flicker noise.

本発明の実施例1に係るCMOSトランジスタの製造方法を示す工程図。1 is a process diagram illustrating a method for manufacturing a CMOS transistor according to a first embodiment of the present invention; 実施例1の方法で作製されたゲート酸化膜5の構成を示す概念図。FIG. 3 is a conceptual diagram showing a configuration of a gate oxide film 5 manufactured by the method of Example 1. 本発明の実施例2に係るCMOSトランジスタの製造方法を示す工程図。Process drawing which shows the manufacturing method of the CMOS transistor which concerns on Example 2 of this invention. 実施例2の方法で作製されたゲート酸化膜5の構成を示す概念図。FIG. 5 is a conceptual diagram showing a configuration of a gate oxide film 5 manufactured by the method of Example 2. 窒素プラズマ処理によるゲート酸化膜中の窒素濃度分布を示す図。The figure which shows the nitrogen concentration distribution in the gate oxide film by nitrogen plasma processing. 実施例1、2及び比較例1〜5の作成方法と、その効果(結果)を示す表。The table | surface which shows the preparation methods of Examples 1, 2 and Comparative Examples 1-5, and the effect (result). NO処理の有無におけるノイズスペクトラムを示す図。The figure which shows the noise spectrum in the presence or absence of NO process. NO処理によるゲート酸化膜中の窒素濃度分布を示す図。The figure which shows the nitrogen concentration distribution in the gate oxide film by NO process.

以下、本発明を実施例に基づいて説明する。なお、以下に説明する各図において、同一の構成を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する場合もある。
[実施例1]
図1(a)〜(e)は、本発明の実施例1に係るCMOSトランジスタの製造方法を示す工程図である。図1(a)及び(b)において、NMOSトランジスタが形成される領域(以下、NMOS領域という。)のシリコン基板1と、PMOSトランジスタが形成される領域(以下、PMOS領域という。)のシリコン基板1とにそれぞれゲート酸化膜5を形成する工程までは、一般的なCMOSトランジスタの製造方法と同じである。
Hereinafter, the present invention will be described based on examples. Note that, in each drawing described below, parts having the same configuration are denoted by the same reference numerals, and repeated description thereof may be omitted.
[Example 1]
1A to 1E are process diagrams showing a method for manufacturing a CMOS transistor according to a first embodiment of the present invention. 1A and 1B, a silicon substrate 1 in a region where an NMOS transistor is formed (hereinafter referred to as an NMOS region) and a silicon substrate in a region where a PMOS transistor is formed (hereinafter referred to as a PMOS region). The process up to forming the gate oxide film 5 on each of the first and second processes is the same as that of a general CMOS transistor manufacturing method.

即ち、図1(a)に示すように、まず始めに、例えばP型のシリコン基板(Psub)1に素子分離領域2を形成する。この素子分離領域2は、例えばシリコン基板1にトレンチを形成し、このトレンチ内にシリコン酸化膜を埋め込むことにより形成する。この素子分離領域2によって、NMOS領域とPMOS領域との間が分離される。次に、PMOS領域のシリコン基板1に例えばリンイオン等のN型不純物を注入して、Nウェル(Nwell)4を形成する。次に、NMOS領域のシリコン基板1に例えばボロンイオン等のP型不純物を注入して、Pウェル(Pwell)3を形成する。そして、Pウェル3とNウェル4とにそれぞれ閾値電圧を調整するための不純物をイオン注入して、NMOSトランジスタ(以下、単にNMOSともいう。)とPMOSトランジスタ(以下、単にPMOSともいう。)のチャネル領域をそれぞれ形成する。   That is, as shown in FIG. 1A, first, an element isolation region 2 is formed on, for example, a P-type silicon substrate (Psub) 1. The element isolation region 2 is formed, for example, by forming a trench in the silicon substrate 1 and embedding a silicon oxide film in the trench. The element isolation region 2 separates the NMOS region and the PMOS region. Next, N-type impurities such as phosphorus ions are implanted into the silicon substrate 1 in the PMOS region to form an N-well (Nwell) 4. Next, a P-type impurity such as boron ion is implanted into the silicon substrate 1 in the NMOS region to form a P well 3. Then, an impurity for adjusting the threshold voltage is ion-implanted into each of the P well 3 and the N well 4, and an NMOS transistor (hereinafter also simply referred to as NMOS) and a PMOS transistor (hereinafter also simply referred to as PMOS). Each channel region is formed.

次に、図1(b)に示すように、シリコン基板1上にゲート酸化膜5を形成する。ここで、耐圧の異なるトランジスタを混載する場合は、例えば4nm〜17nmの膜厚を有する高耐圧のゲート酸化膜5を形成した後で、フォトリソグラフィーにより高耐圧部をフォトレジスト(図示せず)でマスクした状態でエッチングを行う。そして、この図示しないフォトレジストを除去した後でシリコン基板1上の全面に例えば2nm〜4nmの膜厚のウェット酸化を行い、ゲート酸化膜5の厚さが異なる領域を作り分ける。   Next, as shown in FIG. 1B, a gate oxide film 5 is formed on the silicon substrate 1. Here, when transistors with different breakdown voltages are mounted together, for example, after forming a high breakdown voltage gate oxide film 5 having a film thickness of 4 nm to 17 nm, the high breakdown voltage portion is made of a photoresist (not shown) by photolithography. Etching is performed in a masked state. Then, after removing the photoresist (not shown), wet oxidation with a film thickness of, for example, 2 nm to 4 nm is performed on the entire surface of the silicon substrate 1 to create regions having different gate oxide film 5 thicknesses.

次に、全面ゲート酸化の後に引き続いて、例えば300〜400℃程度の低温で、窒素プラズマ雰囲気中でのアニール処理(即ち、窒素プラズマ処理)を10秒〜50秒行う。これにより、ゲート酸化膜5の表層1〜2nmの領域(即ち、ゲート酸化膜5の表面から深さ方向で1〜2nmまでの領域のことである。後に形成されるゲート電極の近傍の位置である。)に窒素を2〜10atom%導入する。   Next, subsequent to the whole surface gate oxidation, annealing treatment (that is, nitrogen plasma treatment) in a nitrogen plasma atmosphere is performed for 10 seconds to 50 seconds at a low temperature of about 300 to 400 ° C., for example. Thus, the region of the surface layer of the gate oxide film 5 having a thickness of 1 to 2 nm (that is, the region from the surface of the gate oxide film 5 to 1 to 2 nm in the depth direction. At a position near the gate electrode to be formed later. 2) to 10 atom% of nitrogen.

次に、図1(c)に示すように、この窒素が導入されたゲート酸化膜5上の全面に、ゲート電極となるポリシリコン膜6を例えば150nm〜400nmの膜厚で堆積する。そして、このポリシリコン膜6上の全面にフッ素イオンを注入する。このフッ素イオンの注入条件は、例えば、加速電圧が10〜40keV、ドーズ量が1e15〜4e15/cm2である。 Next, as shown in FIG. 1C, a polysilicon film 6 serving as a gate electrode is deposited on the entire surface of the gate oxide film 5 into which nitrogen has been introduced with a film thickness of, for example, 150 nm to 400 nm. Then, fluorine ions are implanted into the entire surface of the polysilicon film 6. The fluorine ion implantation conditions are, for example, an acceleration voltage of 10 to 40 keV and a dose of 1e15 to 4e15 / cm 2 .

次に、NMOS領域のポリシリコン膜6にN型不純物をイオン注入する。ここでは、フォトリソグラフィーによりPMOS領域を図示しないフォトレジストでマスクし、且つ、NMOS領域をこのフォトレジスト下から露出させた状態で、ポリシリコン膜6にリンイオン等のN型不純物を注入する。このリンイオンの注入条件は、例えば、加速電圧が10〜25keV、ドーズ量が2e15〜6e15/cm2である。また、これと前後して、PMOS領域のポリシリコン膜6にP型不純物をイオン注入する。ここでは、フォトリソグラフィーによりNMOS領域を図示しないフォトレジストでマスクし、且つ、PMOS領域をこのフォトレジスト下から露出させた状態で、ポリシリコン膜6にボロンイオン等のP型不純物を注入する。このボロンイオンの注入条件は、例えば、加速電圧が10〜20keV、ドーズ量が2e15〜6e15/cm2である。 Next, N-type impurities are ion-implanted into the polysilicon film 6 in the NMOS region. Here, N-type impurities such as phosphorus ions are implanted into the polysilicon film 6 with the PMOS region masked by a photoresist (not shown) by photolithography and the NMOS region exposed from below the photoresist. The phosphorus ion implantation conditions are, for example, an acceleration voltage of 10 to 25 keV and a dose of 2e15 to 6e15 / cm 2 . Before and after this, P-type impurities are ion-implanted into the polysilicon film 6 in the PMOS region. Here, P-type impurities such as boron ions are implanted into the polysilicon film 6 with the NMOS region masked by a photoresist (not shown) by photolithography and the PMOS region exposed from below the photoresist. The boron ion implantation conditions are, for example, an acceleration voltage of 10 to 20 keV and a dose of 2e15 to 6e15 / cm 2 .

続いて、フォトリソグラフィーとエッチングとにより、ポリシリコン膜6を電極形状に加工して、デュアルゲートを形成する。即ち、NMOS領域にNMOSのゲート電極7を形成すると共に、PMOS領域にPMOSのゲート電極8を形成する。
次に、図示しないが、NMOS領域とPMOS領域とにそれぞれLDD(lightly doped drain)構造を形成する。ここでは、フォトリソグラフィーによりPMOS領域を図示しないフォトレジストでマスクし、且つ、NMOS領域をこのフォトレジスト下から露出させた状態で、例えばリンイオン等のN型不純物をシリコン基板1に低濃度に注入する。これにより、Pウェル3にN型のLDDを形成する。また、これと前後して、フォトリソグラフィーによりNMOS領域を図示しないフォトレジストでマスクし、且つ、PMOS領域をこのフォトレジスト下から露出させた状態で、例えばボロンイオン等のP型不純物をシリコン基板1に低濃度に注入する。これにより、Nウェル4にP型のLDDを形成する。
Subsequently, the polysilicon film 6 is processed into an electrode shape by photolithography and etching to form a dual gate. That is, an NMOS gate electrode 7 is formed in the NMOS region, and a PMOS gate electrode 8 is formed in the PMOS region.
Next, although not shown, LDD (lightly doped drain) structures are formed in the NMOS region and the PMOS region, respectively. Here, the PMOS region is masked with a photoresist (not shown) by photolithography, and N-type impurities such as phosphorus ions are implanted into the silicon substrate 1 at a low concentration with the NMOS region exposed from below the photoresist. . As a result, an N-type LDD is formed in the P-well 3. Before and after this, the NMOS region is masked by a photoresist (not shown) by photolithography, and a P-type impurity such as boron ion is exposed to the silicon substrate 1 with the PMOS region exposed from below the photoresist. Inject at low concentration. As a result, a P-type LDD is formed in the N well 4.

次に、シリコン基板1上の全面に例えばHLD(High Temperature Low Pressure Oxide)等の絶縁膜を形成し、これをエッチバックして、図1(e)に示すように、ゲート電極7、8の側面にそれぞれサイドウォール9を形成する。
次に、NMOS領域とPMOS領域とにそれぞれソース・ドレイン10、11を形成する。ここでは、フォトリソグラフィーによりPMOS領域をフォトレジストでマスクし、且つ、NMOS領域をフォトレジスト下から露出させた状態で、シリコン基板1に例えばリンイオン又はヒ素イオン等のN型不純物を高濃度に注入して、N型のソース・ドレイン10を形成する。また、これと前後して、フォトリソグラフィーによりNMOS領域をフォトレジストでマスクし、且つ、PMOS領域をフォトレジスト下から露出させた状態で、シリコン基板1に例えばボロンイオンを高濃度に注入して、P型のソース・ドレイン11を形成する。その後、層間絶縁膜やメタル配線を形成することによりCMOSトランジスタが形成される。
Next, an insulating film such as HLD (High Temperature Low Pressure Oxide), for example, is formed on the entire surface of the silicon substrate 1 and etched back to form the gate electrodes 7 and 8 as shown in FIG. Sidewalls 9 are formed on the side surfaces.
Next, source / drains 10 and 11 are formed in the NMOS region and the PMOS region, respectively. In this case, N-type impurities such as phosphorus ions or arsenic ions are implanted at a high concentration into the silicon substrate 1 with the PMOS region masked with photoresist by photolithography and the NMOS region exposed from below the photoresist. Thus, the N-type source / drain 10 is formed. Before and after this, for example, boron ions are implanted into the silicon substrate 1 at a high concentration in a state where the NMOS region is masked with a photoresist by photolithography and the PMOS region is exposed from below the photoresist. A P-type source / drain 11 is formed. Thereafter, an interlayer insulating film and a metal wiring are formed to form a CMOS transistor.

このような方法で作製したCMOSトランジスタは、ボロン染み出しの問題を起こすことなくPMOSの閾値電圧のばらつきは問題ないレベルであった。また、フリッカーノイズの小さなNMOS、及びフリッカーノイズの小さなPMOSを同時に備えるものであった。   In the CMOS transistor manufactured by such a method, the variation in the threshold voltage of the PMOS is at a level that causes no problem without causing the problem of boron bleeding. In addition, an NMOS having a small flicker noise and a PMOS having a small flicker noise are provided at the same time.

図2は、本発明の実施例1の方法で作製されたCMOSトランジスタのゲート酸化膜5の構成を示す概念図である。図2に示すように、実施例1の方法で作成されたCMOSトランジスタにおいて、NMOSのゲート酸化膜5中における窒素濃度のピークはゲート電極7近傍の位置に存在する。同様に、PMOSのゲート酸化膜5中における窒素濃度のピークもゲート電極8近傍の位置に存在する。また、NMOS、PMOS共に、ゲート酸化膜5とシリコン基板1との界面付近の窒素濃度は0.5atom%以下となっている。また、NMOS、PMOS共に、ゲート酸化膜5中におけるフッ素濃度は1atom%以上であり、当該フッ素により、ゲート酸化膜5とシリコン基板1との界面にあるシリコンのダングリングボンドが終端化されている。次に、本発明の実施例2について説明する。   FIG. 2 is a conceptual diagram showing the configuration of the gate oxide film 5 of the CMOS transistor manufactured by the method of Example 1 of the present invention. As shown in FIG. 2, in the CMOS transistor produced by the method of the first embodiment, the peak of the nitrogen concentration in the NMOS gate oxide film 5 exists in the vicinity of the gate electrode 7. Similarly, the peak of the nitrogen concentration in the PMOS gate oxide film 5 also exists in the vicinity of the gate electrode 8. In both NMOS and PMOS, the nitrogen concentration in the vicinity of the interface between the gate oxide film 5 and the silicon substrate 1 is 0.5 atom% or less. In both NMOS and PMOS, the fluorine concentration in the gate oxide film 5 is 1 atom% or more, and the dangling bonds of silicon at the interface between the gate oxide film 5 and the silicon substrate 1 are terminated by the fluorine. . Next, a second embodiment of the present invention will be described.

[実施例2]
図3は、本発明の実施例2に係るCMOSトランジスタの製造方法を示す工程図である。この実施例2において、ゲート電極となるポリシリコン膜6を形成する工程までは実施例1と同様である。
即ち、実施例1と同様に、一般的なCMOSの製造方法に従い、P型のシリコン基板1に、素子分離領域2を形成した後で、Pウェル3及びNウェル4をそれぞれ形成し、閾値電圧調整のためのイオン注入によりチャネル領域を形成する(図1(a)参照)。次に、ゲート酸化膜5の形成であるが、耐圧の異なるトランジスタを混載する場合は、高耐圧のゲート酸化膜5を形成した後で、フォトリソグラフィーにより高耐圧部をフォトレジストでマスクし、この状態でエッチングを行う。そして、フォトレジストを除去した後でシリコン基板1上の全面にウェット酸化を行い、ゲート酸化膜5の厚さが異なる領域を作り分ける。
[Example 2]
FIG. 3 is a process diagram showing a method of manufacturing a CMOS transistor according to the second embodiment of the present invention. In the second embodiment, the process up to the step of forming the polysilicon film 6 to be the gate electrode is the same as that of the first embodiment.
That is, as in the first embodiment, according to a general CMOS manufacturing method, after forming the element isolation region 2 on the P-type silicon substrate 1, the P well 3 and the N well 4 are respectively formed, and the threshold voltage is formed. A channel region is formed by ion implantation for adjustment (see FIG. 1A). Next, the gate oxide film 5 is formed. When transistors with different breakdown voltages are mounted together, the high breakdown voltage portion is masked with a photoresist by photolithography after the high breakdown voltage gate oxide film 5 is formed. Etching is performed in the state. Then, after removing the photoresist, wet oxidation is performed on the entire surface of the silicon substrate 1 to create different regions having different thicknesses of the gate oxide film 5.

次に、全面ゲート酸化の後に引き続いて、窒素プラズマ処理によりゲート酸化膜5の表層1〜2nmの領域に窒素を1〜5atom%導入する(図1(b)参照)。引き続き、ゲート電極となるポリシリコン膜6を全面に堆積する。
次に、図3に示すように、フォトリソグラフィーによりPMOS領域をフォトレジスト12でマスクし、フッ素イオンを注入する。このフッ素イオンの注入条件は、例えば、加速電圧が10〜40keV、ドーズ量が2e15〜6e15/cm2である。
Next, following the entire surface gate oxidation, 1 to 5 atom% of nitrogen is introduced into the region of the surface layer of 1 to 2 nm of the gate oxide film 5 by nitrogen plasma treatment (see FIG. 1B). Subsequently, a polysilicon film 6 to be a gate electrode is deposited on the entire surface.
Next, as shown in FIG. 3, the PMOS region is masked with a photoresist 12 by photolithography, and fluorine ions are implanted. The fluorine ion implantation conditions are, for example, an acceleration voltage of 10 to 40 keV and a dose of 2e15 to 6e15 / cm 2 .

そして、これ以降の工程は実施例1と同様である。即ち、NMOS領域にリンイオンを注入し、PMOS領域にボロンイオンを注入し、フォトリソグラフィーとエッチングによりポリシリコン膜6を電極形状に加工して、ゲート電極7、8を形成する(図1(d)参照)。次に、NMOS領域及びPMOS領域において、それぞれ、図示しないLDD構造を形成し、サイドウォール9を形成し、その後、ソース・ドレイン10、11を形成する。その後、層間絶縁膜やメタル配線を形成することによりCMOSトランジスタが形成される。
このような方法で作製したCMOSトランジスタは、ボロン染み出しの問題を起こさずに、フリッカーノイズの小さなNMOS、及びフリッカーノイズの小さなPMOSを同時に備えるものであった。
The subsequent steps are the same as those in the first embodiment. That is, phosphorus ions are implanted into the NMOS region, boron ions are implanted into the PMOS region, and the polysilicon film 6 is processed into an electrode shape by photolithography and etching to form gate electrodes 7 and 8 (FIG. 1D). reference). Next, in the NMOS region and the PMOS region, an LDD structure (not shown) is formed, the sidewall 9 is formed, and then the source / drain 10 and 11 are formed. Thereafter, an interlayer insulating film and a metal wiring are formed to form a CMOS transistor.
The CMOS transistor manufactured by such a method is provided with an NMOS having a small flicker noise and a PMOS having a small flicker noise at the same time without causing a problem of boron leakage.

図4は、本発明の実施例2の方法で作製されたCMOSトランジスタのゲート酸化膜5の構成を示す概念図である。図4に示すように、実施例2の方法で作成されたCMOSトランジスタにおいて、NMOS、PMOS共に、ゲート酸化膜5中における窒素濃度のピークはゲート電極7、8近傍の位置にそれぞれ存在する。また、NMOS、PMOS共に、ゲート酸化膜5とシリコン基板1との界面付近の窒素濃度は0.5atom%以下となっている。さらに、NMOSのゲート酸化膜5中におけるフッ素濃度は1atom%以上であり、当該フッ素により、ゲート酸化膜5とシリコン基板1との界面にあるシリコンのダングリングボンドが終端化されている。一方で、PMOSのゲート酸化膜5中におけるフッ素濃度は1atom%以下となっている。   FIG. 4 is a conceptual diagram showing the configuration of the gate oxide film 5 of the CMOS transistor manufactured by the method of Example 2 of the present invention. As shown in FIG. 4, in the CMOS transistor created by the method of the second embodiment, the peak of the nitrogen concentration in the gate oxide film 5 exists in the vicinity of the gate electrodes 7 and 8 in both NMOS and PMOS. In both NMOS and PMOS, the nitrogen concentration in the vicinity of the interface between the gate oxide film 5 and the silicon substrate 1 is 0.5 atom% or less. Further, the fluorine concentration in the NMOS gate oxide film 5 is 1 atom% or more, and the dangling bonds of silicon at the interface between the gate oxide film 5 and the silicon substrate 1 are terminated by the fluorine. On the other hand, the fluorine concentration in the PMOS gate oxide film 5 is 1 atom% or less.

(窒素プラズマ処理の効果)
次に、本発明の特徴である窒素の導入による効果について説明する。実施例1と同様の方法で作製した(即ち、窒素プラズマ処理を行った)ゲート酸化膜中の窒素濃度分布を図5に示す。また、実施例1、2の方法と、以下に説明する比較例1〜5の方法と、それらの結果(効果)を示す表を、図6として示す。
(Effect of nitrogen plasma treatment)
Next, the effect of introducing nitrogen, which is a feature of the present invention, will be described. FIG. 5 shows the nitrogen concentration distribution in the gate oxide film produced by the same method as in Example 1 (that is, nitrogen plasma treatment was performed). Moreover, the table | surface which shows the method of Examples 1, 2 and the method of Comparative Examples 1-5 demonstrated below and those results (effect) is shown as FIG.

図5は、SIMS解析により求めた、窒素プラズマ処理による窒素濃度プロファイルを示す図である。図5において、横軸はシリコン基板表面からの深さを示し、左側の縦軸は窒素濃度を示し、右側の縦軸はOとSiの2次イオン強度を示す。Oのイオン強度が低下する3nmの深さがSiO2とSiの界面を意味するが、窒素プラズマ処理によって導入される窒素は、分布のピークはゲート酸化膜の表層2nmの領域にあることがわかる。尚、SIMS解析結果は実際の分布よりブロードになって現れるため、界面付近の実際の窒素濃度は図5で見られる濃度よりも小さい。以下、比較例1〜3を用いて、窒素プラズマ処理による効果を説明する。 FIG. 5 is a diagram showing a nitrogen concentration profile obtained by nitrogen plasma treatment, which is obtained by SIMS analysis. In FIG. 5, the horizontal axis indicates the depth from the surface of the silicon substrate, the left vertical axis indicates the nitrogen concentration, and the right vertical axis indicates the secondary ion intensity of O and Si. The depth of 3 nm where the ionic strength of O decreases means the interface between SiO 2 and Si, but it can be seen that the peak of the distribution of nitrogen introduced by the nitrogen plasma treatment is in the region of 2 nm of the surface layer of the gate oxide film. . Since the SIMS analysis result appears broader than the actual distribution, the actual nitrogen concentration near the interface is smaller than the concentration seen in FIG. Hereinafter, the effect by nitrogen plasma processing is demonstrated using Comparative Examples 1-3.

[比較例1]
比較例1では、実施例1のCMOSトランジスタを作製する工程において、ポリシリコン膜を形成した後にフッ素イオンの注入を行わずに、それ以外は実施例1と同様の方法によってCMOSトランジスタを作製した。
[比較例2]
比較例2では、比較例1と同様にCMOSトランジスタを作製する工程において、全面ゲート酸化の後に、窒素プラズマ処理を行う代わりに、一酸化窒素ガスと窒素ガスの混合ガス雰囲気にて1000〜1100℃でのアニール処理(即ち、NO処理)を行った。それ以外は、比較例1と同様の方法によってCMOSトランジスタを作製した。
[比較例3]
比較例3では、比較例1と同様にCMOSトランジスタを作製する工程において、全面ゲート酸化の後に、窒素プラズマ処理とNO処理をせずに、その他は比較例1と同じ方法でCMOSトランジスタを作製した。
[Comparative Example 1]
In Comparative Example 1, a CMOS transistor was manufactured by the same method as in Example 1 except that fluorine ions were not implanted after forming the polysilicon film in the process of manufacturing the CMOS transistor of Example 1.
[Comparative Example 2]
In Comparative Example 2, in the process of fabricating a CMOS transistor as in Comparative Example 1, instead of performing nitrogen plasma treatment after the entire surface gate oxidation, the mixed gas atmosphere of nitrogen monoxide gas and nitrogen gas is used at 1000 to 1100 ° C. Annealing treatment (i.e., NO treatment) was performed. Other than that, a CMOS transistor was fabricated by the same method as in Comparative Example 1.
[Comparative Example 3]
In Comparative Example 3, a CMOS transistor was fabricated in the same manner as in Comparative Example 1, except that in the process of fabricating a CMOS transistor as in Comparative Example 1, nitrogen plasma treatment and NO treatment were not performed after the entire surface gate oxidation. .

図6に示すように、このようにして作製したMOSトランジスタの測定を評価したところ、比較例1や比較例2においては、閾値電圧のばらつきの異常は見られず、ボロン染み出しの問題は見られなかったが、比較例3においては、閾値電圧のばらつきが比較例1の3倍あった。ボロンの染み出しがあると、閾値電圧がばらつく傾向にある。従って、ゲート酸化膜の表層1〜2nmの領域に窒素を2〜10atom%導入したことにより、NO処理と同様にボロンの染み出し抑制の効果があることが確認できた。   As shown in FIG. 6, when the measurement of the MOS transistor fabricated in this way was evaluated, in Comparative Example 1 and Comparative Example 2, no abnormality in the threshold voltage variation was observed, and the problem of boron leakage was observed. Although not, in Comparative Example 3, the variation in threshold voltage was three times that in Comparative Example 1. If boron exudes, the threshold voltage tends to vary. Therefore, by introducing 2 to 10 atom% of nitrogen into the region of the surface layer of the gate oxide film of 1 to 2 nm, it was confirmed that there was an effect of suppressing boron exudation similarly to the NO treatment.

また、このようにして作製したMOSトランジスタのフリッカーノイズを測定した。従来例では比較例1に比べてNMOS、PMOSともにKfが8〜15倍もあった。また、図6に示すように、比較例1では、比較例2に比べて、PMOSのKfが約5分の1に低減していることがわかったが、NMOSのKfは明確な低減効果が見られなかった。
このような結果になった理由は、フリッカーノイズに影響するシリコン基板とゲート酸化膜との界面付近における窒素濃度の値が、比較例1においては0.5atom%以下と小さいのに対し、比較例2においては2〜3atom%あり、この違いがホールのトラップ密度を増大させ、フリッカーノイズ特性に大きく影響したものと考えられる。従って、窒素プラズマ処理を用いることにより、NO処理に比べてPMOSのフリッカーノイズを低減しつつ、ボロン染み出しの問題を解決できることがわかった。
Further, the flicker noise of the MOS transistor thus manufactured was measured. In the conventional example, Kf was 8 to 15 times as large as that of NMOS and PMOS in comparison with Comparative Example 1. Further, as shown in FIG. 6, in Comparative Example 1, it was found that the Kf of the PMOS was reduced to about 1/5 compared to the Comparative Example 2, but the Kf of the NMOS had a clear reduction effect. I couldn't see it.
The reason for this result is that the value of the nitrogen concentration in the vicinity of the interface between the silicon substrate and the gate oxide film, which affects flicker noise, is as low as 0.5 atom% or less in Comparative Example 1, whereas in Comparative Example 2 is 2 to 3 atom%, and this difference is considered to increase the trap density of the holes and greatly affect the flicker noise characteristics. Therefore, it has been found that the use of nitrogen plasma treatment can solve the problem of boron leakage while reducing the flicker noise of PMOS as compared with NO treatment.

(フッ素イオン注入の効果)
次に、MOSトランジスタのフリッカーノイズを低減するのに効果的なフッ素イオン注入の効果について述べる。
[比較例4]
比較例4では、実施例1のCMOSトランジスタを作製する工程において、全面ゲート酸化の後に、窒素プラズマ処理をせずに、その他は実施例1と同じ方法でCMOSトランジスタを作製した。但しフッ素イオン注入の効果を明確にするため、フッ素イオンのドーズ量は最大6e15cm-2までで行った。
[比較例5]
比較例5では、CMOSトランジスタを作製する工程において、ポリシリコン膜中へのフッ素イオンの注入を行わない。それ以外は、比較例4と同じ方法でCMOSトランジスタを作製した。
(Effect of fluorine ion implantation)
Next, the effect of fluorine ion implantation effective for reducing the flicker noise of the MOS transistor will be described.
[Comparative Example 4]
In Comparative Example 4, a CMOS transistor was produced in the same manner as in Example 1 except that in the process of producing the CMOS transistor of Example 1, nitrogen plasma treatment was not performed after the entire surface gate oxidation. However, in order to clarify the effect of fluorine ion implantation, the dose of fluorine ions was up to 6e15 cm −2 .
[Comparative Example 5]
In Comparative Example 5, fluorine ions are not implanted into the polysilicon film in the process of manufacturing the CMOS transistor. Other than that, a CMOS transistor was fabricated by the same method as in Comparative Example 4.

このようにして作製したNMOSのフリッカーノイズを測定したところ、図6に示すように、比較例4では比較例5に比べて、Kfが3分の1から10分の1に低減していることがわかった。また、ゲート酸化膜の膜厚が10nm以上と厚く、ボロン染み出しが顕在化しないようなPMOSにおいては、比較例4では比較例5に比べて、やはりKfが2分の1から10分の1に低減していることがわかった。このような結果になった理由は、フリッカーノイズの一因とされるシリコン基板1との界面におけるダングリングボンドが、フッ素で終端化されたことによるものと考えられる。   When the flicker noise of the NMOS manufactured in this way was measured, as shown in FIG. 6, in Comparative Example 4, Kf was reduced from 1/3 to 1/10 compared to Comparative Example 5. I understood. Further, in the PMOS in which the gate oxide film is as thick as 10 nm or more and boron exudation does not become apparent, the comparative example 4 also has a Kf of 1/2 to 1/10 compared to the comparative example 5. It was found that it was reduced. The reason for such a result is considered to be that dangling bonds at the interface with the silicon substrate 1 that contribute to flicker noise are terminated with fluorine.

しかしながら、比較例4では、打ち込むボロンの量やゲート酸化膜の膜厚によっては、ボロン染み出しの問題が発生するため、PMOSの閾値電圧のばらつきが通常値の数倍から10倍になることもある。このため、比較例4においてはPMOSが所望の特性を満たさないため、実用にならない。
また、比較例4において、実施例2のようにフッ素イオンの注入をNMOS領域だけに行うことにより、PMOSにおいてボロン染み出しの問題を回避しつつ、NMOSのフリッカーノイズを低減することはできる。しかしそれでは、PMOSのフリッカーノイズを、フッ素により低減することができなくなる。このため、本発明の課題であるフリッカーノイズの小さなCMOSトランジスタ、即ち、NMOSとPMOSが共にフリッカーノイズが従来より小さなCMOSトランジスタ、とはならない。
However, in Comparative Example 4, depending on the amount of boron to be implanted and the film thickness of the gate oxide film, a problem of boron oozing occurs, so that the variation in the threshold voltage of the PMOS may be several times to 10 times the normal value. is there. For this reason, in the comparative example 4, since PMOS does not satisfy the desired characteristics, it is not practical.
Further, in Comparative Example 4, by performing fluorine ion implantation only in the NMOS region as in Example 2, it is possible to reduce the NMOS flicker noise while avoiding the problem of boron leakage in the PMOS. However, the flicker noise of the PMOS cannot be reduced by fluorine. For this reason, the CMOS transistor with a small flicker noise which is the subject of the present invention, that is, the NMOS transistor and the PMOS are not both a CMOS transistor with a smaller flicker noise than before.

次に、本発明の実施例1におけるフリッカーノイズ特性であるが、図6に示すように、NMOSのKfは比較例2に比べて10分の1〜4分の1の値が得られ、また、PMOSのKfは比較例2に比べて20分の1〜4分の1の値が得られる。
また本発明の実施例2は、窒素導入量を小さく抑えることにより、PMOSのフリッカーノイズを低減させ、PMOSに対してフッ素イオン注入によるフッ素導入をしなくても、NMOS、PMOSともに所望のフリッカーノイズ特性を得られる条件を見出したものである。図6に示すように、実施例2におけるフリッカーノイズ特性は、NMOSのKfは比較例2に比べて12分の1〜4分の1の値が得られ、また、PMOSのKfは比較例2に比べて8分の1〜4分の1の値が得られる。
Next, regarding the flicker noise characteristics in Example 1 of the present invention, as shown in FIG. 6, NMOS Kf has a value of 1/10 to 1/4 that of Comparative Example 2, and As for Kf of PMOS, a value of 1/20 to 1/4 is obtained as compared with Comparative Example 2.
Further, the second embodiment of the present invention reduces the flicker noise of the PMOS by suppressing the amount of nitrogen introduced to be small, and the desired flicker noise can be obtained for both the NMOS and the PMOS without introducing fluorine by fluorine ion implantation into the PMOS. The conditions for obtaining the characteristics have been found. As shown in FIG. 6, the flicker noise characteristics in the second embodiment are such that the NMOS Kf has a value of 1/12 to 1/4 that of the comparative example 2 and the Kf of the PMOS is the comparative example 2. A value of 1/8 to 1/4 is obtained.

このように、本発明では、フッ素をシリコン界面に導入することによるNMOS及びPMOSのフリッカーノイズ低減効果(比較例4で示した効果)と、窒素プラズマ処理によりゲート酸化膜の表層1〜2nmの領域に窒素を2〜10atom%導入することによるボロン拡散防止対策及びPMOSのフリッカーノイズ低減効果(比較例1で示した効果)とにより、目的の効果が得られるのである。   As described above, in the present invention, the effect of reducing flicker noise of NMOS and PMOS by introducing fluorine into the silicon interface (the effect shown in Comparative Example 4) and the region of the surface layer of 1 to 2 nm of the gate oxide film by nitrogen plasma treatment The target effect can be obtained by the boron diffusion prevention measures and the PMOS flicker noise reduction effect (effect shown in Comparative Example 1) by introducing 2 to 10 atom% of nitrogen.

本発明の装置は、アナログデジタル混載LSIの分野で好適に利用できる。   The apparatus of the present invention can be suitably used in the field of analog / digital mixed LSI.

1 P型のシリコン基板(Psub)
2 素子分離領域
3 Pウェル(Pwell)
4 Nウェル(Nwell)
5 ゲート酸化膜
6 ポリシリコン膜
7 (NMOSの)ゲート電極
8 (PMOSの)ゲート電極
9 サイドウォール
10 (NMOSの)ソース・ドレイン
11 (PMOSの)ソース・ドレイン
12 フォトレジスト
1 P-type silicon substrate (Psub)
2 Device isolation region 3 P well (Pwell)
4 Nwell
5 Gate oxide film 6 Polysilicon film 7 (NMOS) gate electrode 8 (PMOS) gate electrode 9 Side wall 10 (NMOS) source / drain 11 (PMOS) source / drain 12 Photoresist

Claims (4)

CMOSトランジスタをシリコン基板上に備える半導体装置であって、
前記シリコン基板上に設けられ、窒素とフッ素とを含有するシリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に設けられ、ポリシリコンからなるゲート電極と、を有し、
前記ゲート絶縁膜中の前記ゲート電極近傍の位置に窒素濃度のピークがあり、前記ゲート絶縁膜と前記シリコン基板との界面付近の窒素濃度は0.5atom%以下であり、
前記ゲート絶縁膜中におけるフッ素濃度は1atom%以上であり、当該フッ素により前記ゲート絶縁膜と前記シリコン基板との界面のダングリングボンドが終端化されていることを特徴とする半導体装置。
A semiconductor device comprising a CMOS transistor on a silicon substrate,
A gate insulating film provided on the silicon substrate and made of a silicon oxide film containing nitrogen and fluorine;
A gate electrode formed on the gate insulating film and made of polysilicon;
There is a peak of nitrogen concentration in the gate insulating film in the vicinity of the gate electrode, and the nitrogen concentration near the interface between the gate insulating film and the silicon substrate is 0.5 atom% or less,
A semiconductor device, wherein a fluorine concentration in the gate insulating film is 1 atom% or more, and dangling bonds at the interface between the gate insulating film and the silicon substrate are terminated by the fluorine.
CMOSトランジスタをシリコン基板上に備える半導体装置であって、
前記シリコン基板上に設けられ、窒素とフッ素とを含有するシリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に設けられ、ポリシリコンからなるゲート電極と、を有し、
前記ゲート絶縁膜中の前記ゲート電極近傍の位置に窒素濃度のピークがあり、前記ゲート絶縁膜と前記シリコン基板との界面付近の窒素濃度は0.5atom%以下であり、
前記CMOSトランジスタのうちのNMOSトランジスタでは、
前記ゲート絶縁膜中におけるフッ素濃度は1atom%以上であり、当該フッ素により前記ゲート絶縁膜と前記シリコン基板との界面のダングリングボンドが終端化されており、一方、
前記CMOSトランジスタのうちのPMOSトランジスタでは、
前記ゲート絶縁膜中におけるフッ素濃度は1atom%以下であることを特徴とする半導体
装置。
A semiconductor device comprising a CMOS transistor on a silicon substrate,
A gate insulating film provided on the silicon substrate and made of a silicon oxide film containing nitrogen and fluorine;
A gate electrode formed on the gate insulating film and made of polysilicon;
There is a peak of nitrogen concentration in the gate insulating film in the vicinity of the gate electrode, and the nitrogen concentration near the interface between the gate insulating film and the silicon substrate is 0.5 atom% or less,
In the NMOS transistor of the CMOS transistors,
The fluorine concentration in the gate insulating film is 1 atom% or more, and dangling bonds at the interface between the gate insulating film and the silicon substrate are terminated by the fluorine,
In the PMOS transistor among the CMOS transistors,
2. A semiconductor device according to claim 1, wherein the fluorine concentration in the gate insulating film is 1 atom% or less.
CMOSトランジスタをシリコン基板上に製造する半導体装置の製造方法であって、
前記シリコン基板上にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜に窒素プラズマ処理を行って窒素を導入する工程と、
窒素が導入された前記ゲート絶縁膜上にポリシリコンからなるゲート電極を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜にフッ素イオンを注入する工程と、
前記ゲート絶縁膜にフッ素イオンが注入された後で熱処理を行う工程と、を備え、
前記窒素を導入する工程では、
前記ゲート絶縁膜中の前記ゲート電極近傍の位置に窒素濃度のピークがあり、前記ゲート絶縁膜と前記シリコン基板との界面付近の窒素濃度が0.5atom%以下となるように窒素の導入条件を設定しておき、
前記フッ素イオンを注入する工程では、
前記ゲート絶縁膜中におけるフッ素濃度が1atom%以上となるようにフッ素イオンの注入条件を設定しておく、ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
A method of manufacturing a semiconductor device for manufacturing a CMOS transistor on a silicon substrate,
Forming a gate insulating film on the silicon substrate;
Performing nitrogen plasma treatment on the gate insulating film to introduce nitrogen;
Forming a gate electrode made of polysilicon on the gate insulating film introduced with nitrogen;
Implanting fluorine ions into the gate insulating film;
And a step of performing a heat treatment after fluorine ions are implanted into the gate insulating film,
In the step of introducing nitrogen,
The condition for introducing nitrogen is such that there is a peak of nitrogen concentration in the gate insulating film in the vicinity of the gate electrode, and the nitrogen concentration in the vicinity of the interface between the gate insulating film and the silicon substrate is 0.5 atom% or less. Set it,
In the step of implanting fluorine ions,
A method for manufacturing a semiconductor device, characterized in that fluorine ion implantation conditions are set so that a fluorine concentration in the gate insulating film is 1 atom% or more .
CMOSトランジスタをシリコン基板上に製造する半導体装置の製造方法であって、
前記シリコン基板上にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜に窒素プラズマ処理を行って窒素を導入する工程と、
窒素が導入された前記ゲート絶縁膜上にポリシリコンからなるゲート電極を形成する工程と、
前記CMOSトランジスタのうちのNMOSトランジスタが形成される領域の上方を開口し、前記CMOSトランジスタのうちのPMOSトランジスタが形成される領域の上方を覆うパターンを形成する工程と、
前記パターンをマスクに前記ゲート絶縁膜にフッ素イオンを注入する工程と、
前記ゲート絶縁膜にフッ素イオンが注入された後で熱処理を行う工程と、を備え、
前記窒素を導入する工程では、
前記ゲート絶縁膜中の前記ゲート電極近傍の位置に窒素濃度のピークがあり、前記ゲート絶縁膜と前記シリコン基板との界面付近の窒素濃度が0.5atom%以下となるように窒素の導入条件を設定しておき、
前記フッ素イオンを注入する工程では、
前記NMOSトランジスタが形成される領域の前記ゲート絶縁膜中におけるフッ素濃度が1atom%以上となるようにフッ素イオンの注入条件を設定しておく、ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
A method of manufacturing a semiconductor device for manufacturing a CMOS transistor on a silicon substrate,
Forming a gate insulating film on the silicon substrate;
Performing nitrogen plasma treatment on the gate insulating film to introduce nitrogen;
Forming a gate electrode made of polysilicon on the gate insulating film introduced with nitrogen;
Forming a pattern that opens above the region of the CMOS transistor where the NMOS transistor is formed and covers the region of the CMOS transistor where the PMOS transistor is formed;
Implanting fluorine ions into the gate insulating film using the pattern as a mask;
And a step of performing a heat treatment after fluorine ions are implanted into the gate insulating film,
In the step of introducing nitrogen,
The condition for introducing nitrogen is such that there is a peak of nitrogen concentration in the gate insulating film in the vicinity of the gate electrode, and the nitrogen concentration in the vicinity of the interface between the gate insulating film and the silicon substrate is 0.5 atom% or less. Set it,
In the step of implanting fluorine ions,
A method of manufacturing a semiconductor device, characterized in that fluorine ion implantation conditions are set so that a fluorine concentration in the gate insulating film in a region where the NMOS transistor is formed is 1 atom% or more .
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