JPH05190541A

JPH05190541A - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JPH05190541A
Application number: JP568592A
Authority: JP
Inventors: Nobuyuki Okimoto; 信之沖本
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1992-01-16
Filing date: 1992-01-16
Publication date: 1993-07-30

Abstract

(57)【要約】【目的】シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸
化膜からなる三層構造を有する絶縁膜の膜厚制御性が向
上した半導体装置の製造方法を提供する。【構成】半導体基板１上に、シリコン酸化膜２を形成
し、このシリコン酸化膜２に、質量数、電価が等しいシ
リコンイオン及び窒素イオンを同時にイオン注入した
後、熱処理を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置の製造方法
に係り、特に、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリ
コン酸化膜からなる三層構造を有する絶縁膜の膜厚の制
御性を向上した半導体装置の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、例えば、６４Ｍ以降のＥＰＲＯＭ
（ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌ
ｅＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）では、書き込
み特性やオン電流等、半導体記憶素子の特性を向上する
目的で、半導体基板と、ゲート電極等の多結晶シリコン
膜との間に、膜厚が２００Å以下の絶縁膜（シリコン酸
化膜）が要求されている。

【０００３】しかしながら、膜厚が２００Å以下の絶縁
膜は、膜厚の制御性が悪い等、良質な絶縁膜を形成する
ことが困難であるという問題があった。そこで、近年で
は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸化膜
からなる三層構造を有する絶縁膜（以下、ＯＮＯ膜とい
う）の適用が検討されている。このＯＮＯ膜を用いた半
導体記憶素子として、例えば、ＭＯＮＯＳ型の半導体記
憶素子が挙げられる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記Ｏ
ＮＯ膜は、膜厚が２０〜３０Å程度の極めて薄いトンネ
ル酸化膜（シリコン酸化膜）が必要である。そして、こ
のトンネル酸化膜を形成するには、通常、前記半導体基
板上に予め形成されている自然酸化膜を除去する必要が
ある。この自然酸化膜の除去は、一般的に、前記半導体
基板をフッ酸等で洗浄して行うが、前記トンネル酸化膜
は、当該半導体基板から自然酸化膜を除去した後、再び
自然酸化膜が成長しないうちに成膜しなければならず、
トンネル酸化膜の形成工程が困難であるという問題があ
った。また、前記トンネル酸化膜は、その膜厚が２０〜
３０Å程度と極めて薄いため、希釈酸化を行っても酸化
時間が１０分以下と短くなり、膜厚の制御性が悪いとい
う問題があった。

【０００５】さらに、前記ＯＮＯ膜は、シリコン窒化膜
上に、ゲート電極から余分な正孔が注入されるのを阻止
するためのトップ酸化膜（シリコン酸化膜）が必要であ
る。このトップ酸化膜は、前記窒化膜を熱酸化して形成
するため、酸化速度が極めて遅く、数十Åの酸化膜を成
膜するのに長時間かかるいう問題があった。また、前記
トップ酸化膜の成膜時間を短縮するため、当該トップ酸
化膜をＣＶＤ法等で成膜することも考えられるが、現状
の技術では、膜厚が５０Å以下の酸化膜を均一に成膜す
ることは困難であるという問題があった。

【０００６】本発明は、このような問題を解決すること
を課題とするものであり、ＯＮＯ膜の膜厚制御性が向上
した半導体装置の製造方法を提供することを目的とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明は、半導体基板上に、シリコン酸化膜、シリ
コン窒化膜、シリコン酸化膜からなる三層構造を有する
絶縁膜を形成する半導体装置の製造方法において、半導
体基板上に、シリコン酸化膜を形成する第１工程と、前
記シリコン酸化膜に、シリコンイオン及び窒素イオンを
イオン注入する第２工程と、前記イオン注入後の半導体
基板に、熱処理を行い、前記シリコンイオン及び窒素イ
オンを結晶化する第３工程と、を含むことを特徴とする
半導体装置の製造方法を提供するものである。

【０００８】そして、前記シリコンイオン及び窒素イオ
ンは、同質量数且つ同電価であることを特徴とする半導
体装置の製造方法を提供するものである。さらに、前記
熱処理後のシリコン酸化膜に、エッチングを行うことを
特徴とする半導体装置の製造方法を提供するものであ
る。

【０００９】

【作用】請求項１記載の本発明によれば、半導体基板上
に形成したシリコン酸化膜に、シリコンイオン及び窒素
イオンをイオン注入し、これに熱処理い、前記シリコン
イオン及び窒素イオンを結晶化することで、シリコン窒
化膜を形成することができる。即ち、前記シリコン酸化
膜を、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸化
膜からなるＯＮＯ膜に変化させることができる。このた
め、半導体基板上に形成するシリコン酸化膜は、従来の
ＯＮＯ膜を構成するシリコン酸化膜より、極めて厚い膜
厚で形成することができるため、膜厚制御性を向上する
ことができる。

【００１０】そして、請求項２記載の発明によれば、半
導体基板上に形成したシリコン酸化膜に、同質量数且つ
同電価のシリコンイオン及び窒素イオンをイオン注入す
ることで、前記作用に加え、両イオンを同エネルギーで
注入することができる。従って、両イオンを同時にイオ
ン注入することができるため、イオン注入工程が一回で
済み、工程を簡略化することができる。

【００１１】また、請求項３記載の発明によれば、熱処
理後のシリコン酸化膜に、エッチングを行うことで、前
記作用に加え、前記半導体基板上に形成したシリコン酸
化膜の膜厚にかかわらず、簡単に、トップ酸化膜の膜厚
を所望の厚さにすることができる。

【００１２】

【実施例】次に、本発明に係る実施例について、図面を
参照して説明する。図１ないし図３は、本発明の実施例
に係る半導体装置の製造工程を示す一部断面図である。
図１に示す工程では、水素燃焼酸化方式の熱拡散炉を用
い、当該熱拡散炉内にＯ₂＝４ｌ／ｍｉｎ、Ｈ₂＝２ｌ
／ｍｉｎを導入し、これらを燃焼させて水蒸気に変換
し、前記熱拡散炉の反応炉内で、半導体基板１を１１０
０℃で１６分間、熱酸化し、半導体基板１上に、膜厚が
１５０Å程度のシリコン酸化膜２を形成する。このシリ
コン酸化膜２は、従来のＯＮＯ膜を構成しているシリコ
ン酸化膜の膜厚と比べ、極めて厚いため、安定した膜厚
で形成することができる。

【００１３】次に、図２に示す工程では、図１に示す工
程で得たシリコン酸化膜２に、シリコンイオン（質量数
＝２８、電価＝＋１、；以下、『²⁸Ｓｉ⁺』という）及
び、窒素イオン（質量数＝２８、電価＝＋１、；以下、
『²⁸Ｎ₂ ⁺』という）を、半導体基板１に対して直角方
向から同時に、加速エネルギー＝２０ＫｅＶ、ドーズ量
＝２×１０¹⁶ｃｍ^-2、でイオン注入する。このように、
質量数及び電価の等しいシリコンイオンと窒素イオンを
用いることで、両イオンを同エネルギーでイオン注入す
ることができる。従って、両イオンを同時にイオン注入
することができるため、イオン注入工程が一回で済み生
産性が向上する。また、前記イオン注入の際には、ソー
スガスとしてＳｉＦ₄ガスとＮ₂ガスを導入するが、Ｓ
ｉＦ₄ガス：Ｎ₂ガス＝９：１とすることで、²⁸Ｓｉ⁺
と²⁸Ｎ₂ ⁺のイオン注入比を調節する。このようにする
ことで、シリコン酸化膜２の表面から１００〜１２０Å
半導体基板１側に、²⁸Ｓｉ⁺と²⁸Ｎ₂ ⁺をイオン注入
し、²⁸Ｓｉ⁺と²⁸Ｎ₂ ⁺のアモルファス層４を形成し
た。

【００１４】次いで、図３に示す工程では、図２に示す
工程で得た半導体基板１に、Ｎ₂雰囲気、１０００℃で
２０秒間ランプアニールＲＴＡ（ＲａｐｉｄＴｈｅｒ
ｍａｌＡｎｎｅａｌｉｎｇ）を行い、前記²⁸Ｓｉ⁺と
²⁸Ｎ₂ ⁺のアモルファス層４を結晶化させ、シリコン窒
化膜３を形成する。即ち、前記シリコン酸化膜２は、前
記工程により、シリコン酸化膜５、シリコン窒化膜３、
シリコン酸化膜６からなる三層構造となる。

【００１５】次に、エッチングガスとして、ＨＢｒ＝６
５ｓｃｃｍ、Ｏ₂＝４ｓｃｃｍ、を用い、シリコン酸化
膜６に３分４０秒間ドライエッチングを行い、シリコン
酸化膜６を９０Åエッチングする。このようにすること
で、シリコン酸化膜２の膜厚にかかわらず、シリコン酸
化膜６を所望の膜厚にすることができる。このようにし
て、半導体基板１上に、ＯＮＯ膜を形成した。その後、
所望の素子を形成して、半導体装置を完成する。

【００１６】尚、本実施例では、図２に示す工程で、²⁸
Ｓｉ⁺と²⁸Ｎ₂ ⁺を、加速エネルギー＝２０ＫｅＶ、ド
ーズ量＝２×１０¹⁶ｃｍ^-2、でイオン注入したが、これ
に限らず、加速エネルギー及びドーズ量は、目的とする
シリコン酸化膜５の膜厚、シリコン窒化膜３の膜厚によ
り決定してよい。また、図３に示す工程では、シリコン
酸化膜６にエッチングを行ったが、これに限らず、例え
ば、シリコン酸化膜２の膜厚を薄くして、イオン注入の
エネルギーを下げる等して、シリコン酸化膜６の膜厚を
制御することで、前記エッチングを省略することもでき
る。

【００１７】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１記載の本
発明によれば、半導体基板上に形成したシリコン酸化膜
に、シリコンイオン及び窒素イオンをイオン注入し、こ
れに熱処理い、前記シリコンイオン及び窒素イオンを結
晶化することで、シリコン窒化膜を形成することができ
る。従って、前記シリコンイオン及び窒素イオンは、前
記シリコン酸化膜中で、シリコン窒化膜となり、前記シ
リコン酸化膜は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シ
リコン酸化膜からなるＯＮＯ膜に変化する。この結果、
半導体基板上に形成するシリコン酸化膜の膜厚を、従来
のＯＮＯ膜を構成するシリコン酸化膜の膜厚より、極め
て厚くすることができるため、膜厚制御性を向上するこ
とができる。

【００１８】そして、請求項２記載の発明によれば、半
導体基板上に形成したシリコン酸化膜に、同質量数、且
つ、同電価のシリコンイオン及び窒素イオンをイオン注
入することで、前記効果に加え、両イオンを同エネルギ
ーで注入することができる。従って、両イオンを同時に
イオン注入することができるため、イオン注入工程が一
回で済み、工程を簡略化することができる結果、生産性
を向上することができる。

【００１９】さらにまた、請求項３記載の発明によれ
ば、熱処理後のシリコン酸化膜に、エッチングを行うこ
とで、前記効果に加え、半導体基板上に形成したシリコ
ン酸化膜の膜厚にかかわらず、簡単に、トップ酸化膜の
膜厚を所望の厚さにすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る半導体装置の製造工程を
示す一部断面図である。

【図２】本発明の実施例に係る半導体装置の製造工程を
示す一部断面図である。

【図３】本発明の実施例に係る半導体装置の製造工程を
示す一部断面図である。

【符号の説明】

１半導体基板２シリコン酸化膜３シリコン窒化膜４アモルファス層５シリコン酸化膜６シリコン酸化膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｌ 29/788 29/792

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板上に、シリコン酸化膜、シリ
コン窒化膜、シリコン酸化膜からなる三層構造を有する
絶縁膜を形成する半導体装置の製造方法において、半導体基板上に、シリコン酸化膜を形成する第１工程
と、前記シリコン酸化膜に、シリコンイオン及び窒素イ
オンをイオン注入する第２工程と、前記イオン注入後の
半導体基板に熱処理を行い、前記シリコンイオン及び窒
素イオンを結晶化する第３工程と、を含むことを特徴と
する半導体装置の製造方法。
【請求項２】前記シリコンイオン及び窒素イオンは、
同質量数且つ同電価であることを特徴とする請求項１記
載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】前記熱処理後のシリコン酸化膜に、エッ
チングを行うことを特徴とする請求項１または請求項２
記載の半導体装置の製造方法。