JPH06314777A - 半導体デバイスの製造方法 - Google Patents

半導体デバイスの製造方法

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Abstract

(57)【要約】 【目的】 半導体デバイスの窒化ケイ素層を酸化する
方法を提供する。 【構成】 半導体デバイスの窒化ケイ素層を、窒化ケ
イ素が酸化できる十分な高温で、酸素反応物とフッ素を
含む化合物との混合物に曝して酸化させる。この方法に
よる酸化のための温度は一般的に600℃以上であるが、
より低温でもある種の酸化は起こる。フッ素化合物の濃
度は一般的には、混合物の全量に対して体積で100から1
500ppmである。フッ素化合物にNF3を使い、温度は約700
℃以上、フッ素化合物の濃度が100から1000ppmの条件で
プロセスを行うことが望ましい。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は半導体デバイスに関し、
具体的には、酸化環境を使い、フッ素を含む化合物の希
釈量を用いて、半導体デバイスの窒化ケイ素層を酸化す
る方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】窒化ケイ素は半導体デバイスの製造に広
く用いられている。窒化ケイ素の１つの使い方は、ONO
層と称される酸化ケイ素・窒化ケイ素・酸化ケイ素の層
（silicon oxideーsilicon nitrideーsilicon oxide laye
r: ONO layer）として使い、例えば、ゲート絶縁体また
は深い溝を持つメモリ記憶デバイスの絶縁体として使う
ものである。窒化ケイ素を使用する１つの不都合な点
は、デバイスの製造プロセス中、あるいは、製造後のデ
バイスの作動中（例えば熱い電子により）先述のONO層
中の窒化物と酸化物との界面で陰電荷の捕獲が起こり得
ることである。ある場合には、この電荷捕獲がデバイス
の閾値電圧に影響を与えて、寄生漏れ経路（parasitic
leakage paths）が形成されることがある。この漏れ経
路がデバイス内部でサブ閾値漏れ（subーthreshold leak
age）につながり、デバイスの誤動作を起こす。このよ
うな問題は、窒化ケイ素の中に捕獲された電荷が解放さ
れれば防ぐことができる。従来の手法では、この問題
を、デバイスの製造プロセスの終わりに近いところで窒
化ケイ素をかなり高温で加熱するか、捕獲された電荷を
持つ窒化ケイ素を例えば熱いリン酸でエッチングして除
去することにより解決してきた。しかし、プロセスの終
わりで加熱することはデバイス内部の金属化に悪影響を
及ぼし、また、デバイスの構造的整合性を維持するため
には、窒化ケイ素の除去は多くの場合実際的ではない。
従って、一般的には、捕獲電荷の除去は、窒化ケイ素を
除去しない比較的低温のプロセス・ステップで行うこと
が望ましい。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】プロセス中において、
半導体デバイスは、例えばシリコンを酸化するために、
酸化環境に屡々曝される。都合のよいことに、デバイス
内部の窒化ケイ素層は、このような酸化環境に曝される
ことがあるが、従来技術の教えるところでは、窒化ケイ
素は酸化しないという理由で、酸化によっては窒化ケイ
素は除去できないものとされてきた。しかし、酸化によ
って窒化ケイ素が酸化ケイ素に転化できるなら、窒化ケ
イ素が注入された電子を捕獲するという問題はなくな
る。多くの場合、ある構造物の窒化ケイ素を酸化して酸
化ケイ素を形成することは、窒化ケイ素をエッチングで
除去してその後酸化ケイ素を成長させるよりは、製造工
程に組み入れやすい。さらに、捕獲された電荷に敏感な
領域から窒化物を除去できれば、製造ステップの終わり
に近いところで高温のプロセス・ステップを行う必要が
なくなる。
【０００４】また、ある場合には、窒化ケイ素を酸化す
ることにより、デバイスの物理的寸法を調整できる融通
性が得られる。窒化物の物質特性を利用して、窒化ケイ
素層がデバイスの構造上の要素として利用されることが
多い。例えば、軽くドープされたドレーン・デバイスに
おいて、窒化ケイ素のスペーサが、デバイスのソース・
ドレーン領域へのイオン注入物の間隔を保つのに使われ
る。窒化ケイ素層が酸化できるならば、例えば注入物用
のスペーサとしての最初の窒化ケイ素層の寸法を、後の
ステップで都合よく使用できるように、調整することが
できる。
【０００５】従って、半導体デバイスの窒化ケイ素を酸
化する方法が要求される。ある場合には、この酸化によ
り、捕獲された電荷の量を減らし寄生漏れ経路の形成を
防止することができ、また他の場合には、この酸化によ
り窒化ケイ素層を持つデバイスの構造上の寸法を細かく
調整する融通性をもたらすことができる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明の原理、即ちフッ
素化合物を使って半導体デバイスの窒化ケイ素層を酸化
する方法により、上記の要求は満足され、従来技術の限
界が克服され、他の有利な点も実現される。本発明の方
法では、窒化ケイ素を酸化するのに十分な高温で、酸素
反応物（oxygen reactant）とフッ素化合物の希釈量の
混合物に、窒化ケイ素層が露出される。具体化として、
酸素反応物は二原子酸素（diatomic oxygen）であるこ
とが望ましい。しかし、他の具体化では、酸素反応物は
プラズマ中で得られる原子酸素（atomic oxygen）、オ
ゾン、イオン化酸素基（ionized oxygen radicals）で
もよいし、あるいは、二原子酸素を伴うかあるいは伴わ
ないこれらの混合物でもよい。 一般的には、約600℃
以上の温度が酸化を起こすのに十分な温度で、それより
低い温度で起こる酸化もある。温度の上限範囲、反応時
間、反応混合物の圧力度は決定的な要因ではない。フッ
素化合物の濃度もさほど重要ではなく、一般的には、全
混合物量に対して体積比で約100から1500ppmの間がよ
い。しかし、より低いかかなり高い濃度を使用できる場
合もある。アルゴンのような希釈液も酸化混合物の１つ
の成分として使用することもできる。
【０００７】本発明の具体化として、フッ素化合物はNF
3で、約700℃以上、望ましくは800℃から1000℃の範囲
の温度を使用するのが良い。混合物の中のNF3の濃度は
体積比で、一般的には1500ppmより低いがこれが重要な
上限ではない。望ましい濃度は約100から1000ppmの範囲
である。
【０００８】本発明の１つの利点は、窒化ケイ素層中に
存在する捕獲電荷が、酸化後に実質的に解放されること
である。さらに、窒化ケイ素は酸化ケイ素に転化され
る。酸化ケイ素は窒化ケイ素よりも捕獲する電荷量が小
さいことが知られている。従って、製造プロセス・ステ
ップ中においてもデバイスの作動中においても、捕獲さ
れる電荷が小さい。多くの場合、電荷を除去すること
は、デバイス内部の好ましくない寄生漏れ経路をなくす
ことができる。
【０００９】本発明のもう１つの利点は、NF3を添加せ
ずに酸化物を成長させる他のプロセス・ステップに較べ
て、窒化ケイ素層を酸化するのに必要な温度が低いこと
である。また、窒化ケイ素を持つ層を酸化することは、
その層の物理的寸法に影響を与えることが予測できるの
で、ある場合には、酸化によってその種の層の寸法を調
整できることである。
【００１０】さらにある場合には、デバイスの別の部分
に露出しているシリコンを、窒化ケイ素と同時に酸化で
きる。即ち本発明の付随的な利点は、酸化混合物中にフ
ッ素が存在するために、シリコンを酸化している間に、
デバイス内のシリコンの角部を丸くできることである。
さらに、NF3の量と酸化温度を制御することにより、シ
リコン上に成長する酸化物の量を窒化ケイ素上に成長す
る酸化物の量と較べながら制御できるのも本発明の利点
である。
【００１１】
【実施例】本発明により、窒化ケイ素を酸化するのに十
分な高温で、酸素反応物とフッ素化合物を含む酸化混合
物に半導体デバイスの窒化ケイ素層を露出して酸化す
る。この種の酸化には、一般的には、600℃より高い温
度で十分で、これより低温でもある種の酸化は起こる。
フッ素化合物中のフッ素原子が窒化ケイ素層中の窒化ケ
イ素結合を弱める程に反応性が高くなると、反応温度が
十分に高くなると考えられている。本発明では、半導体
のプロセスにふさわしい特性を持つフッ素原子を含む多
くの化合物がフッ素化合物として使える。これらのフッ
素化合物には、NF3、SF6、SiF4、CF4、C2H3Cl2Fがあ
る。この目的に使う化学製品の唯一の有意な制限は、炉
の中の熱せられた領域に、化学製品をガスの形でのみ導
入できることである。
【００１２】本発明を具体化するには酸素反応物は二原
子酸素が望ましい。しかし、他の具体化には、酸素反応
物は、プラズマの中で得られる原子酸素、オゾン、イオ
ン化酸素基、あるいは、二原子酸素を伴うかあるいは伴
わないこれらの混合物でもよい。酸素基を作成するため
のプラズマは、熱した「つかみ」即ちチャック（chuc
k）を備えたプラズマ・チェンバ（例えばAME 5000）を
使って生成することができる。
【００１３】フッ素化合物の濃度は、一般的には、広い
範囲の希釈濃度である。具体的には、濃度は全混合物の
量に体積比で約100から1500ppmの間である。しかし、他
の場合には、より低いかより高い濃度を使用できる。
【００１４】希釈液は、アルゴンや窒素のような酸化混
合物の１部として使用できる。混合物中の希釈液の割合
は重要でなく、広い範囲で変えることができる。１つの
例として、この割合は反応混合物の全量に対し体積比で
約10から95%の範囲でよい。希釈液は反応ガスをよく混
合させ、ウェーハの全ての部分に均一に反応ガスを行き
渡らせるのに役に立つと考えられている。
【００１５】本発明により酸化される窒化ケイ素層を持
つ半導体ウェーハはいくつかの方法で加熱することがで
き、加熱方法そのものは重要ではない。望ましい具体化
としては、ウェーハは高速熱アニール（rapid thermal
annealing: RTA）で加熱するのが良い。ウェーハ加熱の
他の手法としては、炉中の加熱、フッ素化合物を用いて
プラズマ中でのウェーハ・チャック上での加熱、また
は、レーザ・アニールによる局部加熱がある。
【００１６】ウェーハが酸化混合物に露出される時間の
長さそのものは重要ではなく、使用する加熱システム、
フッ素化合物の濃度、酸化中のウェーハが熱せられる温
度を含むいくつかの要素に依存する。一般的には、高速
熱アニールによる加熱では、酸化時間は約1分から10分
で、炉による加熱では酸化時間は約20分から40分であ
る。しかし、具体的なプロセス条件や目標（ターゲッ
ト）によってはこの範囲以外の時間も使用できる。酸化
混合物の圧力も重要ではなく、望ましい具体化では、混
合物は大気圧でよく、または、広い範囲の圧力も使用で
きる。
【００１７】本発明により酸化する半導体ウェーハの窒
化ケイ素層の形状は、前処理プロセスと形成されるデバ
イスの型によって大いに変わり得る。しかし、本発明に
よる反応はどの形状即ち垂直、水平、または、他の形状
にも使用できる。
【００１８】窒化ケイ素層上に形成される酸化物膜の厚
さは広い巾を持つ。例えば、約300Å程の厚さでも良い
し、一般的には、酸化の対象の窒化物の量によってのみ
限定される。しかし、成長できる酸化物の厚さを制限す
る何らかの要素があると考えられている。ある場合に
は、本発明によって酸化化合物への露出の時間が長くな
れば、酸化の厚さも最大の限界に達する。具体的には、
長い時間により窒化物が費消されても、酸化物の厚さは
最大限界に達する。このことは、酸化混合物は、新しく
酸化物を形成するために窒化物を酸化しているのみなら
ず、形成されたばかりの酸化物をエッチングしているこ
とを意味する。形成される酸化物の最大の厚さは、これ
ら２つの競合し合うプロセスの間の釣り合いによって決
定される。
【００１９】具体的なメモリ・セルの応用で以下に説明
するように、シリコン層を酸化（例えばゲートまたはス
クリーン酸化物を形成するため）するのと同時に窒化ケ
イ素層の酸化を行うことが望ましいことが多い。このよ
うに同時に酸化を行う場合には、相対的反応速度は酸化
混合物中のフッ素化合物の濃度と反応温度に依存する。
【００２０】本発明の具体化では、NF3がフッ素化合物
で、約700℃以上、望ましくは800℃から1000℃の範囲の
温度を使用するのが望ましい。混合物中のNF3の濃度は
体積比で一般的には1500ppm以下であるが、これが重要
な上限ではない。望ましい濃度は約100から1000ppmの範
囲である。窒化ケイ素層を約50から250Åの深さに酸化
するために、高速熱アニールを約1分から5分間使用す
る。酸化混合物はアルゴンを希釈液にした二原子酸素を
含む。酸素に対するアルゴンの比は約4:1である。NF3濃
度が約500ppm以上で温度が約1000℃以下では、NF3濃度
を濃くするほど酸化物の厚さが増える。
【００２１】本発明を以下の例を使ってさらに説明す
る。この例は説明を明確にするためのものであって本発
明の範囲を限定するものではない。
【００２２】表１に示すように、シリコンの頂層を持つ
モニター用の第１の半導体ウェーハの上に、約225Åの
厚さの酸化物を成長させるのに要する時間を決定する目
的で、いくつかの温度と濃度条件で露出させた。次に、
第２の半導体ウェーハの上の窒化ケイ素層を酸化させる
ために、温度と濃度のこの同じ組み合わせを使用した。
第１のウェーハの目的は、225Åの酸化物の厚さを成長
させるのに要する酸化時間を決めるためである。これを
行ったのは、半導体プロセスでは、酸化物（例えばゲー
ト酸化物）は、具体的なターゲットの厚さ（この例では
225Å）で形成させるからである。第２のウェーハの目
的は、窒化ケイ素層を酸化して225Åの酸化物を形成す
るのに要したのに対応する半導体デバイスの製造条件を
決定するためである。
【００２３】次に、第１のモニター用のウェーハを使っ
て所与のプロセス条件の組み合わせで要した酸化時間を
使い、本発明による酸化化合物を使って、第２のウェー
ハ上の窒化ケイ素層を酸化した（第２のウェーハの酸化
についてはさらに以下に詳述する）。表１に、第１のウ
ェーハ上に225Åの酸化物を形成するのに要した時間を
プロセス条件に対比して示す。
【００２４】約1760Åの厚さの窒化ケイ素層を持つ第２
のウェーハを、第１のモニター用ウェーハに使ったのと
同じ温度と濃度の条件にかけた。言い換えれば、第２の
ウェーハを、本発明による酸化化合物に、225Åの酸化
物を形成するのに要すると判断した時間露出した。この
時間は第１のモニター・ウェーハの酸化の結果から得ら
れたものである。
【００２５】第２のウェーハの上の窒化ケイ素層を酸化
するために、アルゴンと二原子酸素の混合物に混ぜたNF
3の希釈量を、ＡＧアソシエイツ社（AG Associates）が
製造した高速熱アニール・システムに供した。高速熱ア
ニール・システムへのアルゴンの流量は毎分約8リット
ル、酸素の流量は毎分約2リットル、NF3の流量は1から5
sccmの間で変化させた。温度は850℃、900℃、1000℃
であった。
【００２６】窒化ケイ素を酸化した後、窒化ケイ素上の
酸化物の厚さを偏光解析法で測定した。この厚さは本発
明によって窒化ケイ素層が酸化ケイ素に転化した部分の
厚さに相当する。結果を表１に示す。このデータは図１
にも示し、以下に詳述する。
【００２７】
【表１】 温度（℃） NF3流量（sccm） 時間（秒） 酸化物の厚さ（Å） 1000 1 145 73 1000 2.5 77 103 1000 5 45 96 900 1 210 88 900 2.5 120 113 900 5 100 156 850 1 280 87 850 2.5 240 144 850 5 200 200 図１は、窒化ケイ素層の上に本発明による酸化によって
形成された酸化物層の厚さと、酸化温度℃をフッ素化合
物の３つの異なる濃度毎に表したグラフである。このグ
ラフのデータは、アルゴン対酸素の割合4:1（アルゴ
ン：酸素）の混合物中にNF3をフッ素化合物として使
い、高速熱アニールを使用し反応時間を1分から5分にし
た時のグラフである（このデータは上述の例の結果から
得た）。しかし、他のフッ素化合物についても同様のパ
ターンが得られる。
【００２８】図１で、縦軸は最初の厚さが1760Åの平坦
形状の窒化ケイ素層の表面上に形成された酸化物の厚さ
をÅで示したものである。これらのデータにおいて酸化
時間は一定ではなく、むしろグラフに示した特定の酸化
温度とNF3の濃度でシリコン層上に約225Åの厚さの酸化
物を形成するのに要する時間によって定められたもので
ある（これについては、上の例で詳述した）。NF3の濃
度が増えるか、または、温度が1000℃以下に下がるかに
より、シリコン層上に成長した酸化物と関連して、窒化
ケイ素層上に成長した酸化物の厚さが増える。この２つ
の傾向とも、より高い濃度とより低い温度の範囲の方向
に続くと考えられる。また、他のフッ素化合物を使用し
ても同様の傾向をたどると考えられる。
【００２９】本発明を、以下の１つの具体例によってさ
らに詳述する。この用途はメモリ・デバイスの製造に関
わり、説明を明確にするために提供するものであって本
発明の範囲を限定するものではない。むしろ、異なる構
造を持ち、ゲート導体の側面に以前に形成された窒化物
スペーサの酸化のような異なるプロセス・ステップで形
成された他の種類のデバイスにも使用することができ
る。
【００３０】図２は、本発明の１つの具体化を使用して
形成された溝の深いメモリ記憶セル１０の表層を切り取
った透視図である。このデバイスの構造と製造に関する
詳細は本発明の実行にあたって重要ではなく、詳細は米
国特許4,801,988に記載されており、本発明が参照・包
含する。本発明の実行に必要な全ての情報は以下に詳述
する。
【００３１】図２に示すように、P-型ドーパントでドー
プされたシリコン基板（即ちP+基板）１４に配置された
N-ウェル１２の中にメモリ・セル１０が形成されてい
る。セル１０のメモリ内容に対応する電荷を蓄えるのに
使われる深い溝１６が、N-ウェル１２を介して基板１４
にエッチングされている。P-チャネル・トランスファ・
デバイス１８がビットライン２２に接続されているソー
ス／ドレーン領域２０と、ポリシリコン表面ストラップ
２４によって溝１６に接続されているもう１つのソース
／ドレーン領域２３を持っている。
【００３２】図３は、図２の溝１６の上部部分を詳細に
示す断面図である。この構造は、ゲート酸化物の成長と
ゲート・ポリシリコン付着の前の状態を示す。溝１６は
開口部（図示せず）を介して表面ストラップ２４に接続
されている上端２５を持っている。溝１６の形成中、溝
が基板１４にエッチングされた後、ONO絶縁層２６が溝
１６の内表面上に形成される。ONO層２６は複合層で、
最初に溝１６の内表面を酸化して 40Åの酸化ケイ素層
を形成し、次に、90Åの窒化ケイ素層を形成し、最後に
この窒化物層を1000℃の蒸気酸化（steam oxidation）
に16分間曝して、窒化物の上部20Åを30Åの酸化物に転
化（この層は図３でなく図４に示す）することで形成さ
れたものである。次に溝１６はポリシリコンで充填さ
れ、部分的にエッチングされて、第１のポリシリコン充
填層２８が形成される。酸化物層が充填層２８の上にな
るように付着されて、それからエッチ・バックされて酸
化物カラー（collar）３０が形成される。
【００３３】酸化物カラー３０形成の後、溝１６の頂端
がポリシリコンで充填され、次に約2000Åエッチ・バッ
クされて第２のポリシリコン充填層３２が形成される。
最後に、キャップ酸化物層３４が充填層３２の上に形成
される。層３４はポリッシングによって、この平坦化の
ためにN-ウェル上に形成された窒化物層（図示せず）ま
で平坦化される。ポリッシングの後、窒化物は熱いリン
酸を使って除去される。図３はこの除去の後の構造を示
す。
【００３４】図４は、図３に示した溝１６の右上部分の
詳細な断面図である。上述のように、ONO絶縁層２６
は、第１の酸化ケイ素層３６、窒化ケイ素層３８、およ
び、第２の酸化物層４０を持つ複合層である。上述のよ
うに、酸化物キャップの平坦化と窒化物のポリッシュ・
ストップのエッチングの後、窒化物ポリッシュ・ストッ
プの下にあった薄い酸化物（図示せず）が希釈フッ酸浴
（dilute HF acid bath）を使ってエッチングされる。
このエッチングにより、キャップ酸化物層３４、酸化物
カラー３０、および、酸化物層４０の一部分４２も除去
される。
【００３５】図５は、図４の溝１６であるが、窒化ケイ
素の酸化を行わずに、ゲート酸化物４６とポリシリコン
・ゲート層４８が形成された断面図である。言い換えれ
ば、図５は、本発明を使わない即ち窒化ケイ素層を酸化
しない場合の溝１６の形状である。上述の希釈フッ酸浴
に浸漬（dipping）した後、イオン注入物の閾値を調整
（threshold tailoring）するためにスクリーン酸化物
（図示せず）を成長させ、その後、希釈フッ化水素（di
lute HF）を使って除去する。この除去の結果、窒化ケ
イ素層３８の部分４４が、キャップ酸化物層３４と酸化
物カラー３０として酸化ケイ素によって露出され、酸化
物層４０はさらにフッ酸浴によってエッチ・バックされ
る。部分４４の厚さは約200Åである。次に、ゲート酸
化物４６がN-ウェル１２上に成長され、ゲート酸化物４
６と溝１６の上にポリシリコン・ゲート層４８が付着さ
れる。図４で示した酸化物層３６がゲート酸化物層４６
の部分として示されている。
【００３６】本発明の方法を使わなければ、スクリーン
酸化物またはゲート酸化物が成長している間に窒化ケイ
素層３８は酸化されず、また、ポリシリコン・ゲート層
４８は下方に溝の頂端方向に向かって延び、窒化ケイ素
層３８の部分４４がポリシリコン層４８とN-ウェル１２
の間に配置することになる。
【００３７】メモリ・セル・デバイスのプロセスの間
（例えばプラズマ・プロセスの間）に電荷が起こるの
で、窒化ケイ素層３８の界面５０に電子が注入され捕獲
される。この捕獲された陰電荷は、上述のプロセスの結
果生じた形状のために形成された寄生P-チャネル・デバ
イス５２を活性化（turn on）する傾向がある。具体的
には、ポリシリコン層４８は寄生デバイス５２のゲート
を形成している。界面５０における電荷は界面５４の近
くのN-ウェル物質の反転を助け、その結果、トランスフ
ァ・デバイス１８のソースからドレーンへの導電が起こ
る。界面５０に捕獲された陰電荷があるために、寄生デ
バイス５２の閾値電圧が低くなり、メモリ・セルの作動
中に漏れ経路が屡々できる。製造後のメモリ・セルの作
動中にも界面５０で電荷の捕獲が起こり、信頼性の低下
につながることがある。以下に述べるように、ポリシリ
コン層４８とN-ウェル１２の間に配置された窒化ケイ素
層は本発明による酸化によって除去することができ、寄
生デバイス５２を実質的になくすことができる。
【００３８】図６は図４の溝で、本発明による窒化ケイ
素の酸化によりスクリーン酸化物５６が形成された断面
図である。即ち図６は、図４のプロセスに続けて本発明
を使って窒化ケイ素層の頂部を酸化したものである。上
述したように、キャップ酸化物層３４、酸化物カラー３
０、および、酸化物層３６（図示せず）と４０の部分４
２を希釈フッ酸浴で除去した後、イオン注入時に使用す
るためにスクリーン（犠牲的とも称する）酸化物層５６
がN-ウェル１２上に成長され、約225Åの厚さを持って
いる。図４の酸化物層３６がスクリーン酸化物層５６の
１部として示されている。
【００３９】本発明により、N-ウェル１２の頂面５８で
シリコンを酸化している間に、窒化ケイ素層３８の頂部
が酸化され酸化ケイ素層６０が形成される。シリコンお
よび窒化ケイ素層の両方とも、先に詳述したプロセス条
件で、酸素とフッ素化合物（望ましいのはNF3）の混合
物を使った同じプロセスで・ステップで酸化される。フ
ッ素化合物を使って酸化をしない場合の形状に較べて、
シリコン角６１の形状が丸い形状になることも本発明の
利点である。
【００４０】図７は、図６の溝上にゲート酸化物６２と
ポリシリコン・ゲート層６４が形成された断面図であ
る。上述のイオン注入の後、スクリーン酸化物５６が除
去される。ゲート酸化物６２がN-ウェル１２の頂面６３
上に成長される。ゲート酸化物６２を本発明による酸化
混合物を使用して成長させても良く、これにより窒化ケ
イ素層３８の１部分がさらに酸化される。望ましい手法
としては、窒化ケイ素層３８の酸化はスクリーン酸化物
の成長中のみに行い、ゲート酸化物の成長中には行わな
いのがよい。しかし、場合によっては、窒化物層３８の
酸化はゲート酸化物の成長中のみに行うか、または、二
段階、即ち上述のように、初めはスクリーン酸化物の成
長中、次にゲート酸化物の成長中に酸化することもでき
る。
【００４１】本発明により窒化物層３８が酸化された
後、酸化物層６０の下位部６６は通常、キャップ酸化物
層３４、酸化物カラー３０、および、酸化物層４０の頂
面６８より下部に延びる。この結果が生じるのは、フッ
素化合物を含む酸化混合物が部分的に上部の酸化物層に
拡散し、酸化物層６０の部分６６を酸化するからであ
る。例えば典型的なデバイスでは、下位部６６は頂面６
８より下に約300Å延びる。スクリーン酸化物の除去が
キャップ酸化物をも約200Å除去するので、この結果は
有意義である。ゲート・ポリシリコンが酸化されていな
い窒化物層３８に重ならないようににすることが望まし
い。窒化物が酸化された後、実質的に全ての捕獲電荷が
周囲の酸化物に解放され、ウェーハが高温になると、電
荷は基板に導電される。さらに、後工程のプロセスや他
の作動から起こる電荷は酸化物層６０に捕獲されること
はない。
【００４２】ゲート酸化物６２が形成された後、その上
にポリシリコン・ゲート層６４が付着される。ポリシリ
コン層６４がまだ酸化物層６０（以前は窒化ケイ素層３
８）の頂部７０の周囲を包んでいるが、酸化物層６０が
実質的に電荷を捕獲しないので寄生漏れ経路が形成され
ず、寄生P-チャネル・デバイス７２の閾値電圧を下げる
ことはない（窒化ケイ素が酸化されなかった場合には起
こり得る）。
【００４３】ポリシリコン層６４を付着した後、通常の
プロセスを続ける。これには、ポリシリコン層のエッチ
ング、メモリ・セルへのデバイス用の接合の埋め込み、
表面ストラップの形成、パシベーションの形成が含まれ
る。
【００４４】本発明の以上の記載は、詳述した具体例に
限定するためではなく、さらに、本発明の原理を利用し
ていくつかの応用が可能である。
【００４５】例えば、本発明の別の具体化として、本発
明の酸化混合物を使って、溝セル中の窒化物層を、最初
のポリシリコン充填層が形成された後しかし酸化物カラ
ーが形成される前に、酸化することもできる。この手法
は、最初のポリシリコン充填層の露出された表面からの
除去を行うために、湿式または乾式酸化物エッチの使用
が必要になる。
【００４６】また、本発明のもう１つの使い方として、
窒化ケイ素の酸化によって得られる融通性を利用して、
デバイスの物理的寸法の調整ができる。窒化物の優れた
物質特性を利用して、窒化ケイ素層がデバイスの構造的
要素として使用されることが多い。例えば、軽くドープ
されたドレーン・デバイスでは、窒化ケイ素のスペーサ
が、デバイスのソース／ドレーン領域に注入されたイオ
ン注入物の間隔をとるために使える。窒化ケイ素層が本
発明により酸化されると、最初の窒化ケイ素層（例えば
スペーサ）の寸法が膨張する。この膨張を変えて、軽く
ドープされたドレーン・デバイスの注入物の間隔を調整
することができる。
【００４７】また、窒化ケイ素を等方性に除去したい時
にも本発明が使える。例えば、半埋設酸化物（semiーrec
essed oxide: SROX）アイソレーションを形成する時、
シリコンの窒化により「Kooi」型の欠陥が生じる。しか
しある場合には、本発明の酸化混合物を使って半埋設酸
化物を形成することにより、これらの欠陥を生じないよ
うにできる。
【００４８】
【発明の効果】上述したように、本発明は、フッ素化合
物を使って半導体デバイスに広く用いられている窒化ケ
イ素層を酸化することにより、本方法による酸化を行わ
なかった場合に起こり得る電荷の捕獲を減らし、寄生漏
れ経路の形成とそれによって起こり得るデバイスの誤動
作を防ぎ、かつ、本方法の酸化によって窒化ケイ素の物
質特性から得られる融通性を利用して、デバイス構造の
寸法を調整できる方法を提供するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】窒化ケイ素の酸化により窒化ケイ素層に形成さ
れた酸化物層の厚さと、フッ素化合物の３種類の異なる
濃度に対する酸化温度とを対比したグラフ。
【図２】本発明の１つの具体化により形成された深溝の
メモリ記憶セルの表層部を切り取った透視図。
【図３】図２の溝の細部を示す断面図。
【図４】図３の溝の右上部の細部を示す断面図。
【図５】図４の溝に、窒化ケイ素層を酸化しないでゲー
ト酸化物とポリシリコン層が形成された様子を示す断面
図。
【図６】図４の溝に、窒化ケイ素層を酸化してスクリー
ン酸化物を形成した断面図。
【図７】図６の溝の上に、ゲート酸化物とポリシリコン
層が形成された後の断面図。
【符号の説明】
１０ メモリ・セル １２ N-ウェル １４ シリコン基板 １６ 深い溝 １８ P-チャネル・トランスファ・デバ
イス ２０、２３ ソース／ドレーン領域 ２２ ビット・ライン ２４ ポリシリコン表面ストラップ ２６ 絶縁層 ２８、３２ ポリシリコン充填層 ３０ 酸化物カラー ３４ キャップ酸化物層 ３６、４０、６０ 酸化ケイ素層あるいは酸化物層 ３８ 窒化ケイ素層 ４６、６２ ゲート酸化物 ４８、６４ ポリシリコン・ゲート層 ５０、５４ 界面 ５２、７２ 寄生P-チャネル・デバイス ５６ スクリーン酸化物 ５８、６３ N-ウェルの頂面 ６１ シリコン角
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジョセフ ワレン コレジュワ アメリカ合衆国 05482 バーモント州 シェルバーン アールアール１ ボックス 1204 (72)発明者 ジェローム ブレット ラスキ アメリカ合衆国 05452 バーモント州 エセックスジャンクション マレイロード 11 (72)発明者 パイーハング パン アメリカ合衆国 12533 ニューヨーク州 ホープウェルジャンクション クロブコ ート２

Claims (44)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 窒化ケイ素層を持つ半導体デバイスを
    製造する方法で、該方法が、酸素反応物とフッ素化合物
    の希釈量を有する混合物を使用し、上記窒化ケイ素が実
    質的に酸化するに十分な高温で、上記窒化ケイ素層を酸
    化するステップを有する方法。
  2. 【請求項２】 上記温度が約600℃以上である請求項
    １に記載の方法。
  3. 【請求項３】 上記温度が約700℃以上である請求項
    １に記載の方法。
  4. 【請求項４】 上記温度が約800℃から1000℃の間で
    ある請求項１に記載の方法。
  5. 【請求項５】 上記混合物中のフッ素化合物の割合が
    約1500ppm以下である請求項１に記載の方法。
  6. 【請求項６】 上記混合物中のフッ素化合物の割合が
    約100ppmから1500ppmの間である請求項１に記載の方
    法。
  7. 【請求項７】 上記混合物が希釈液を含む請求項１に
    記載の方法。
  8. 【請求項８】 上記混合物中の上記希釈液の割合が上
    記混合物の全量に対する体積比で約10％から95％である
    請求項７に記載の方法。
  9. 【請求項９】 上記希釈液がアルゴンを含む請求項８
    に記載の方法。
  10. 【請求項１０】 上記フッ素化合物がNF3、SF6、SiF4、
    CF4、および、C2H3Cl2Fからなるグループから選択され
    る請求項１に記載の方法。
  11. 【請求項１１】 上記温度が約700℃以上である請求項
    １０に記載の方法。
  12. 【請求項１２】 上記窒化ケイ素層を高速熱アニールを
    使用して加熱するステップをさらに有する請求項５に記
    載の方法。
  13. 【請求項１３】 上記窒化ケイ素層を炉を使用して加熱
    するステップをさらに有する請求項５に記載の方法。
  14. 【請求項１４】 上記酸化するステップが実質的に大気
    圧で行われる請求項５に記載の方法。
  15. 【請求項１５】 上記窒化ケイ素層の上記酸化と実質的
    に同時に、酸素反応物とフッ素化合物を有する上記混合
    物を使用してシリコン層を酸化するステップをさらに有
    する請求項５に記載の方法。
  16. 【請求項１６】 上記酸素反応物が、二原子酸素、原子
    酸素、オゾン、イオン化酸素基からなるグループから選
    択される請求項５に記載の方法。
  17. 【請求項１７】 上記シリコン層が酸化されてスクリー
    ン酸化物またはゲート酸化物を形成する請求項１５に記
    載の方法。
  18. 【請求項１８】 窒化ケイ素層を持つ半導体デバイスを
    製造する方法で、該方法が、酸素反応物とフッ素化合物
    の希釈量を有する混合物を使用し、約700℃以上の温度
    で、上記混合物中の上記フッ素化合物の割合が約1500pp
    m以下で、上記窒化ケイ素層を酸化するステップを有す
    る製造方法。
  19. 【請求項１９】 上記フッ素化合物の割合が約100ppmか
    ら1500ppmの間である請求項１８に記載の方法。
  20. 【請求項２０】 上記温度が約800℃から1000℃の間で
    ある請求項１９に記載の方法。
  21. 【請求項２１】 上記フッ素化合物がNF3である請求項
    ２０に記載の方法。
  22. 【請求項２２】 上記酸素反応物が、二原子酸素、原子
    酸素、オゾン、イオン化酸素基からなるグループから選
    択される請求項２１に記載の方法。
  23. 【請求項２３】 上記NF3の割合が約100ppmから1000ppm
    の間である請求項２２に記載の方法。
  24. 【請求項２４】 上記混合物が希釈液を含む請求項２３
    に記載の方法。
  25. 【請求項２５】 上記希釈液がアルゴンである請求項２
    ４に記載の方法。
  26. 【請求項２６】 上記酸化するステップが実質的に大気
    圧で行われる請求項２５に記載の方法。
  27. 【請求項２７】 上記窒化ケイ素層を高速熱アニールを
    使用して加熱するステップをさらに有する請求項２６に
    記載の方法。
  28. 【請求項２８】 半導体デバイスを製造する方法で、該
    方法は、 窒化ケイ素層を用意し、 酸素反応物とNF3を有するガス混合物を使用し、約700℃
    以上の温度で、上記混合物中のNF3の割合が上記混合物
    の全量に対する体積比で約1500ppm以下で、上記窒化ケ
    イ素層を酸化する、 ステップを有する製造方法。
  29. 【請求項２９】 上記温度が約800℃から1000℃の間で
    ある請求項２８に記載に方法。
  30. 【請求項３０】 上記NF3の割合が約100ppmから1000ppm
    の間である請求項２９に記載の方法。
  31. 【請求項３１】 上記酸素反応物が、二原子酸素、原子
    酸素、オゾン、イオン化酸素基からなるグループから選
    択される請求項３０に記載の方法。
  32. 【請求項３２】 上記混合物が希釈液を有する請求項３
    １に記載の方法。
  33. 【請求項３３】 半導体デバイスを製造する方法で、該
    方法は、 半導体基板を用意し、 上記基板に溝をエッチングし、上記溝は内表面と頂端を
    有し、上記溝は上記基板の主要部に延び、 上記溝の上記内表面上に窒化ケイ素を有する絶縁層を形
    成し、 酸素反応物とNF3の希釈液とを有する混合物を使用し、
    約700℃以上の温度で上記窒化ケイ素を酸化する、 ステップを有する製造方法。
  34. 【請求項３４】 上記混合物中のNF3の濃度が上記混合
    物の全量に対する体積比で約1500ppm以下である請求項
    ３３に記載の方法。
  35. 【請求項３５】 上記絶縁層の１部の上に配置されるよ
    うに酸化物カラーを形成し、 上記溝の頂端の近くに頂面を持つキャップ酸化物を形成
    する、 ステップをさらに有する請求項３４に記載の方法。
  36. 【請求項３６】 上記絶縁層が酸化ケイ素、窒化ケイ
    素、および、酸化ケイ素からなる層である請求項３５に
    記載の方法。
  37. 【請求項３７】 上記溝をポリシリコンで実質的に充填
    するステップをさらに有する請求項３６に記載の方法。
  38. 【請求項３８】 上記窒化ケイ素が上記溝の上記頂端の
    近くの領域で酸化される請求項３７に記載の方法。
  39. 【請求項３９】 上記窒化ケイ素が上記キャップ酸化物
    の頂面より下位で、寄生漏れ電流を排除するに十分な深
    さまで、酸化される請求項３８に記載の方法。
  40. 【請求項４０】 上記半導体デバイスが深い溝のメモリ
    ・セルである請求項３８に記載に方法。
  41. 【請求項４１】 上記酸素反応物が、二原子酸素、原子
    酸素、オゾン、イオン化酸素基からなるグループから選
    択される請求項３４に記載の方法。
  42. 【請求項４２】 上記温度が約800℃から1000℃の間で
    ある請求項４１に記載の方法。
  43. 【請求項４３】 上記混合物が上記混合物の全量に対す
    る体積比で約10％から95％の割合の希釈液を含む請求項
    ４２に記載の方法。
  44. 【請求項４４】 上記混合物中のNF3の割合が上記混合
    物の全量に対する体積比で約100ppmから1500ppmの間で
    ある請求項４３に記載の方法。
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