JPH0346976B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、窒化シリコン・マスクを使用し
た、シリコンの局部酸化（以下、これを
「LOCOS」という。）に関しLOCOS製造酸化絶縁
領域のフイールド反転を制御する方法に関する。

LOCOS処理はMOSFET技術分野で広く採用
されている。プレーナ構造に対するLOCOS構造
の利点は、厚い酸化物パターンに関する限り、微
細な金属被覆を作成する必要がある場合において
（金属被覆の下のLOCOS酸化物は基板中の少くと
も部分的にくぼんだ所に配置される）すぐれた精
密度を有することにある。

窒化シリコンはLOCOS処理のための酸化マス
クとして広く使用される。窒化シリコンだけか、
又は好ましくは混成二酸化シリコン−窒化シリコ
ンを熱酸化マスクとして使用して、LOCOS処理
及び構造を特徴付ける凹形状の二酸化シリコン絶
縁アイランドを形成する。凹形状の二酸化シリコ
ンは電気絶縁を提供するだけでなく、能動素子領
域において近接する基板領域の境界分けに使用さ
れる。しかし、酸化物−窒化物混成マスクの下に
おける酸化物の横方向成長は「鳥のくちばし」
（bird′s beak）と称する横方向に傾斜する酸化物
断面若しくは「鳥の頭」（bird′s head）と称する
上方に延びる隆起との合成形状を生じさせる。例
えば、Phillips Research ReportsのVolume26、
number3、1971年６月、157〜165頁のAppels
and Paffen（以下Appels and Paffenと呼ぶ）が
示す通り、これらの構造は好ましくない多くの問
題をひきおこす。すなわち、 第１に、この傾斜する「くちばし」は後続する
エツチング動作中に、不適切に取除かれてしまつ
て、pn接合、接触領域、及び基板に横たわるソ
ース及びドレイン領域などを露出してしまうので
好ましくない。第２に、傾斜形状は隣り合う領域
との間に輪郭のはつきりしない端部形成をし、そ
のため不確実でばらつきの多い電気特性を生じさ
せる。

第３の問題は、第１図乃至第４図に見られるよ
うに、凹形状の酸化物絶縁アイランドの下の反転
防止不純物領域を形成する点にある。前述の
Appels and Paffenによると、該混成酸化物−窒
化物マスクは２つの用途に使用することができ
る。その第１は拡散マスクとして使用され、次
に、酸化物マスクとして使用される。これにより
拡散領域とその上に横たわる絶縁酸化物アイラン
ドとを形成することができる。第１図に描かれて
いる理想的状態をみると、基板１１の埋蔵不純物
領域１５は酸化物アイランド１６の端におけ
る望ましない反転の抑制に効果的である。理想的
には、不純物領域１５はアイランド１６の側
壁１９を包囲する。不幸にも、このような理想
的状態はそう簡単には実現できない。

むしろ、第２図に見られるように、酸化物アイ
ランドとその下に横たわる不純物層の形成中に、
不純物層１４が混成酸化物１２と窒化物１３の
LOCOSマスクの開口部を通して基板１１の中に
最初に形成される。第３図に見られるように、こ
の不純物層は酸化中に拡大して、反転−抑制不純
物層１５を形成する。よく知られているように、
この不純物層１５は「鳥のくちばし」２０の側壁
１９をカバーするのに十分なだけの距離を横方向
に拡大しないのが普通である。酸化物マスク１２
の厚さが増加し、そして鳥のくちばしが増長する
に従つて基板の露出領域が拡大する。側壁１９の
下の露出された基板領域は小さな電圧で反転され
易い。絶縁酸化物１６はトランジスタのような能
動回路領域の境界線を描くか、又は縁取りする。
少くとも、トランジスタ・チヤンネルのあるもの
は該露出された側壁に隣り合い及び平行する形で
存在する。これら露出された側壁は非記憶保持型
トランジスタ同様に記憶保持型トランジスタにと
つても厄介な低いしきい値電圧や寄生チヤンネル
などの原因となる。第１１図に見られるように、
記憶保持型トランジスタでそのターン・オンが早
いと、消去された状態（VT0）と書込まれた状
態（VT1）のしきい値電圧の差は図示の如くW1
からW2に狭くなる。

次に、この発明を要約する。

この発明は、LOCOS処理に関し、特に酸化物
の長く延された端又は「鳥のくちばし」を含む
LOCOS酸化物アイランドの側壁を包囲する反転
抑制不純物層を提供する方法に関する。最初に、
装置の基板上に、二酸化シリコンと窒化シリコン
酸化マスキング層が形成される。酸化物と窒化物
層の合成厚さはこの層を通して基板上にイオン注
入を行うに十分なものである。厚い注入マスキン
グ酸化物層は窒化物層の上に形成される。次に、
最初窒化物層に相当小さな酸化を可能とする開口
部が形成される。第２に、相当大きなイオン注入
用開口部が窒化物層の小さな開口部を残して厚い
酸化物の中に形成される。次に、この構造体は上
述の相当大きな開口部に対応する基板不純物領域
を形成するために、イオン注入を受ける。次に、
該基板は厚い絶縁酸化物層を形成するに十分な時
間の間、該相当小さな開口部を介して酸化され
る。

窒化物開口部と酸化物開口部との相対寸法は、
相当広い酸化物開口部を通して与えられるイオン
の注入が該側壁及びそのくちばし領域を含み、絶
縁酸化物の下側を完全にカバーするように定めら
れる。この注入が酸化物側壁の下の基板領域の望
ましくない反転を抑制する。

この発明は、特にLOCOS絶縁酸化物の長い側
部領域の下に形成された寄生チヤンネルの防止に
役立つように意図され、これに対し有効である。

次に、図面に基づきこの発明を詳細に説明す
る。第４図において、この発明を使用するにあた
り、まず基板上に二酸化シリコン層２２と窒化シ
リコン層２３と相当厚い二酸化シリコン層２７と
が形成される。典型的に、基板２１はシリコンで
あり、第１の（相当薄い）二酸化シリコン層２２
は基板の熱酸化によつて成長され、相当薄い窒化
シリコン層２３は従来のCVD法（化学的蒸着法）
によつて蒸着され、第２の厚い二酸化シリコン層
２７もCVD法で蒸着される。二酸化シリコン層
２２と窒化シリコ層２３との合成厚は反転抑制不
純物領域２５（第８図）を形成するイオン注入
（第７図）の透過が可能になるように選ばれる。
第２の厚い酸化物層２７の厚さはこの注入中に基
板を有効にマスクするのに十分な厚さとする。

適当ではあるが、過度に厚すぎないように、そ
れぞれの層２２，２３，２７の厚さは夫々約550、
700、5000オングストローム（0.055、0.07、0.5ミ
クロン）である。

次に、第５図に見られるように、標準ホトリソ
グラフ法が適用されて、窓３１を持つマスク３０
を形成して酸化物絶縁アイランド２６−２６（第
８図）の場所を郭成する。

第６図において、厚い二酸化シリコン層２７
と、窒化シリコン層２３とはマスク３０の存在下
でエツチングされて、そこに夫々の窓３３と３２
を郭成する。これは酸化物に対する緩衝弗化水素
酸（HF）に続き窒化物に対する熱い燐酸のよう
な選択的エツチング剤を順次的に供給することに
よつて容易に達成することができる。

以上説明したものの他、当然に他の形成方法を
使用することも可能である。例えば、開口部３
２，３３の形成に非接触方式を使用することもで
き、湿式化学的エツチングの代りにプラズマ・エ
ツチングのような方法を使用することもでき、さ
らにＸ線及び電子ビーム・リソグラフイのような
新たに現われた方法を使用してもよい。

窒化物開口部３２は後で形成される酸化物絶縁
アイランド２６（第８図）の横寸法及び位置決め
の設定に使用される。第７図において、この酸化
物２６の成長の前に、厚い酸化物の窓３３は横に
拡大されて該基板の上面に相当大きなイオン注入
用開口部を郭成する。ここで再び、緩衝HFのよ
うな選択的（セレクテイブ）エツチング剤が従来
方式に従つて使用される。緩衝HFは毎分約600
オングストローム（0.06ミクロン）の速度で二酸
化シリコンを除去し、毎分約60オングストローム
（0.006ミクロン）より低い速度で窒化シリコンを
除去する。結果として、窒化物酸化開口部３２の
寸法の非常にわずかな変化により、制御された酸
化物２７の除去と酸化物注入開口部３３の拡大制
御が可能となる。

酸化物マスク３３の拡大中、薄い酸化物層２２
がエツチングされ、そのエツチングされた領域は
厚い酸化物層の開口部３３を越えて横に拡張する
ことに注意する必要がある。しかし、この酸化物
開口部の拡大はほんの少しである。このわずかに
拡大される酸化物開口部による唯一の効果は、酸
化基板領域を小さく、かつ制御可能な増加にとど
めることができるという点にある。

第７図を見ると、ホトレジスト・マスク３０が
取除かれ、酸化物開口部３３を介して、基板と同
じ導電型の不純物を使用して不純物領域２４−２
４が注入される。前述したように、酸化物層２２
と窒化物層２３の厚さは、これら層が注入中に基
板をマスクしないように選ばれる。従つて、不純
物層２４の横の外形は相当広い酸化物マスクの開
口部３３の形状と一致する。注入後、酸化物マス
ク２７は緩衝弗化水素酸を使用して除去される。

次に、酸化物絶縁アイランド２６が第８図のよ
うに、基板２１の中に形成される。１つの適切な
方式は湿式熱酸化処理（ウエツト・サーマル・オ
キサイデーシヨン）である。酸化物層２６の幅及
び位置は、結果として発生した反転抑制不純物領
域２５が側壁２８を含む酸化物２６の下側を包囲
することになるように、相当小さな窒化物マスク
の開口部３２によつて郭成される。ほとんどの場
合、酸化物マスクの開口部３３の端部又は外周は
対応する窒化物開口部３２の端又は外周を越えて
外方に約１乃至２ミクロン延長するべきであると
考えられ、そのような反転抑制不純物領域２５の
注入により適当に側壁２８−２８はカバーされる
べきである。その寸法は酸化物層２６の寸法（及
び酸化状態）と不純物層２４の濃度断面に従つて
変化する。それらを使用する際の特定の処理のた
めの最良の開口部寸法は公知技術から容易に得ら
れることができる。

第８図の構造から第９図及び第１０図に表わし
てある酸化物絶縁構造を完成するためには種々の
やり方を試みるのが適切である。例えば、第８図
のLOCOS処理後、酸化物層２２と窒化物層２３
とが除去され、ゲート誘電体３６と導通ゲート３
７とが形成される。メモリー装置の誘電体３６は
典型的に酸化シリコン層と窒化シリコン層とから
成る。ここでは、典型的にポリシリコンのゲート
は炉中拡散又は注入によるソース３８とドレイン
３９の自動整列形成中にマスクとして使用され
る。

それに代り、ソース及びドレインを形成すると
きに、酸化物層２２と窒化物層２３とをマスクと
して使用するためにそれを適当な寸法及び位置に
形成することができる。次に、酸化物２２と窒化
物２３とを除去した後、ゲート誘電体３６とゲー
ト３７とが形成される。多くの場合、この代替的
方式は金属ゲート装置のために使用される。

ゲート、ソース及びドレインの形成後、該装置
の上に厚い酸化物層４１が蒸着された後、電極を
取り出すためにエツチング処理され、導体がその
ゲート、ソース及びドレインに接続される（図示
せず）。最後に、該回路の上に非能動層が形成さ
れる。

絶縁酸化物２６と不純物領域２５は第９図及び
第１０図に示すトランジスタの境界線を描くこと
が知られている。不純物領域２５は酸化物の側壁
２８の下の基板領域の望まない反転を防止するよ
うに働く。第１０図に表わすように、それは該ト
ランジスタのチヤンネルに平行な酸化物の側壁の
下に作られる寄生導電路の形成の防止も含まれ
る。

実施例 以上述べた処理のパラメータと下記の特定のパ
ラメータとを使用して本願発明に係る数個のポリ
シリコン・ゲート装置が準備された。その他の装
置は酸化物層２７、酸化物開口部３３、酸化物開
口部拡大工程（第７図）が使用されなかつたこと
を除き、精密に前者と同じ方法で準備された。

基板２１はp^-型15乃至20オーム＜100＞シリコ
ンであつた。酸化物層２２は1000℃におけるドラ
イO₂熱酸化を使用して550オングストロームの厚
さに形成された。窒化物層２３は750℃において、
ジクロロシラン（dichlorosilane）とアンモニア
の低圧化学蒸着を使用して690オングストローム
の厚さに形成された。厚い酸化物層２７は選ばれ
た装置の１つに5000オングストロームの厚さに蒸
着された。最初の酸化物開口部（第６図）は緩衝
弗化水素酸エツチング剤を使用して約６ミクロン
の幅に形成された。そこで、窒化物開口部３２は
ホツト燐酸エツチング剤を使用して幅６ミクロン
に形成された。選ばれた装置の酸化物開口部は窒
化物開口部３２の上にそれを中心にして幅８乃至
９ミクロンの開口部３３（第７図）に拡大され
た。次に、ボロン不純物層２４が60keV及び８×
10¹³イオン／cm²のドーズを使用し、窒化物開口部
３２を介して注入された。厚い酸化物層２６は
780分間975℃で、ウエツト熱酸化を使用して約厚
さ1.5ミクロンに成長した。20オングストローム
厚のメモリー・ゲート酸化物３６Ａは750℃でド
ライO₂熱酸化を使用して形成され、380オングス
トローム厚のゲート窒化物層３６Ｂは低圧化学蒸
着法によつて酸化物３６Ａの上に形成され、厚さ
5000オングストロームのポリシリコンゲート３７
は625℃におけるシラン（silane）の低圧化学蒸
着法によつて形成され、n^-型ソース３８及びド
レイン３９はマスクとしてポリシリコン・ゲート
を使用して拡散により形成された。最後に、酸化
物層４１が形成され、接触カツトがなされ、ソー
ス、ドレイン及びゲートに対してアルミニウム・
コンタクトが与えられた。

この発明に従つて構成された装置は記憶保持型
トランジスタにおいて、消去状態のしきい値電圧
（VT0）と書き込まれた状態のしきい値電圧
（VT1）間に約4.5ボルトの差（第１１図における
W₁）を実現し得た。従来の装置（同じ処理方法
で作られるが、酸化物２７と酸化物開口部拡大処
理がほどこされていない）は約2.5ボルト程度の
差（同図W₂）である。尚両装置のそれぞれのし
きい値電圧は10ナノアンペアのドレイン−ソース
電流I_DSを基準に測定された。

従つて、以上説明した処理方法は、LOCOS構
造の傾斜酸化物側壁における寄生導通をほぼ克服
することができるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、絶縁酸化物−反転抑制不純物の理想
的構造の横断面図、第２図及び第３図は、第１図
の理想的な形に対応する実際の従来構造の形成方
法を表わす横断面図、第４図乃至第８図は、本願
発明に係る改良したLOCOS処理方法の工程を例
示した横断面図であつて、第４図は酸化物層２
２、窒化物層２３、厚い酸化物層２７の形成を示
し、第５図はマスクの形成を示し、第６図はエツ
チングを示し、第７図は超過エツチング及び注入
を示し、第８図は酸化を示す図、第９図及び第１
０図は、この出願の方法を適用した結果生じた改
良型MOSFET絶縁を例示し、夫々互いに直角に
切断した横断面図、第１１図は、従来の記憶保持
型トランジスタと本願発明を使用して作つた記憶
保持型トランジスタとに対するI_DS−V_G特性のグ
ラフ図である。 １１，２１……基板、１２……酸化物、１３…
…窒化物、１４……不純物、１５……不純物領
域、１５……不純物層、１６……酸化物アイラ
ンド、１６……絶縁酸化物、１９，１９……側
壁、２０……鳥のくちばし、２２……二酸化シリ
コン層、２３……窒化シリコン層、２４……不純
物領域、２５……反転抑制不純物領域、２６……
酸化物絶縁アイランド、２７……厚い二酸化シリ
コン層、２８……側壁、３０……マスク、３１，
３２，３３……開口部、３６……ゲート誘電体、
３７……導通ゲート、３８……ソース、３９……
ドレイン。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 基板に凹形状の絶縁酸化物層と該酸化物層の
   下に埋没される不純物層とを形成する方法であつ
   て、 第１の相当薄いシリコン酸化物層と、シリコン
   窒化物層と、イオン注入中前記基板をマスクする
   に十分な厚さの第２の相当厚いシリコン酸化物層
   とを順に前記基板に形成し、 前記第２の酸化物層を、次に窒化物層を選択的
   にエツチングすることによつて前記第２の酸化物
   層と前記窒化物層とを通して第１の比較的狭い開
   口部を形成し、 前記第２の酸化物層に形成された前記第１の開
   口部の部分を選択的にオーバーエツチツグして前
   記第２の酸化物層に第２の比較的大きい開口部を
   形成して、前記第２の開口部の外周が前記第１の
   開口部の外周の少くとも約１乃至２ミクロン外側
   にあるようにし、 前記第１の開口部を介して前記基板にイオンを
   注入して埋没された不純物層を形成し、 前記第２の開口部を介して前記基板を酸化して
   前記絶縁酸化物層を下側に亘る不純物層の上に絶
   縁酸化物層を形成する各工程から成るトランジス
   タの不純物層の形成方法。