JPH10199878A - Manufacture of semiconductor device - Google Patents

Manufacture of semiconductor device

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JPH10199878A
JPH10199878A JP514297A JP514297A JPH10199878A JP H10199878 A JPH10199878 A JP H10199878A JP 514297 A JP514297 A JP 514297A JP 514297 A JP514297 A JP 514297A JP H10199878 A JPH10199878 A JP H10199878A
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film
insulating film
gate insulating
semiconductor substrate
nitrogen
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Japanese (ja)
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Toyotaka Kataoka
豊▲隆▼ 片岡
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Sony Corp
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  • Formation Of Insulating Films (AREA)
  • Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a semiconductor device having a thin gate insulation film, having no distribution peak of N at the back surface but having a N concn. sufficiently high to avoid diffusion of B. SOLUTION: By heat-treating in an NO atmosphere a thin nitride oxide film 13 having a high N concn. on the surface of a semiconductor, a substrate 11 is formed. By oxidizing, this film 13 is oxidized and grown at the back surface to form a gate insulating film 13a of the grown film 13. This provides a distribution peak of N at the front surface of the gate insulating film 13a. An MOS transistor having this thin insulation film 13a has a threshold voltage stabilized by blocking B from diffusion, and its current drive power is suppressed from deteriorating, because of the distribution peak of N located at the front surface of the gate insulating film 13a.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の製造
方法に関し、特にはMOSプロセスにおいて薄いゲート
絶縁膜を形成する半導体装置の製造方法に関する。
The present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor device, and more particularly to a method of manufacturing a semiconductor device in which a thin gate insulating film is formed in a MOS process.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、半導体装置の低消費電力化及び低
電圧化が図られており、MOSトランジスタにおいては
酸化シリコンからなるゲート絶縁膜を4nm以下に薄膜
化することが要求されている。これにともない、CMO
Sプロセスにおいては、低い値で対称なしきい電圧を有
するPMOSとNMOSとを同一基板上に形成すること
が求められている。このため、NMOSにはN型のポリ
シリコンゲートが用いられ、PMOSにはP型のポリシ
リコンゲートが用いられるようになってきている。
2. Description of the Related Art In recent years, power consumption and voltage of semiconductor devices have been reduced, and in MOS transistors, it is required to reduce the thickness of a gate insulating film made of silicon oxide to 4 nm or less. Along with this, CMO
In the S process, it is required to form a PMOS and an NMOS having a low value and a symmetric threshold voltage on the same substrate. For this reason, N-type polysilicon gates have been used for NMOS and P-type polysilicon gates have been used for PMOS.

【0003】ところが、P型のポリシリコンゲートに含
まれるホウ素原子は、後工程で行われる熱処理によって
酸化膜からなるゲート絶縁膜中を拡散してシリコン基板
にまで容易に達し、しきい電圧を変動させる要因にな
る。これは、低電圧化のためにゲート絶縁膜を4nm以
下に薄膜下することでより顕著になる。この対策とし
て、ゲート絶縁膜中に窒素を導入することが試みられて
おり、酸化膜からなるゲート絶縁膜中の窒素濃度をおよ
そ1021atoms/cm3 程度にすることで、ホウ素
拡散の抑制効果が得られることが確認されている。
[0003] However, boron atoms contained in the P-type polysilicon gate diffuse in a gate insulating film made of an oxide film by a heat treatment performed in a later step, easily reach the silicon substrate, and change the threshold voltage. It becomes a factor to make it. This becomes more remarkable when the thickness of the gate insulating film is reduced to 4 nm or less for lowering the voltage. As a countermeasure, an attempt has been made to introduce nitrogen into the gate insulating film. By setting the nitrogen concentration in the gate insulating film made of an oxide film to about 10 21 atoms / cm 3 , the effect of suppressing boron diffusion is improved. Has been confirmed to be obtained.

【0004】上記窒素含有の酸化膜(いわゆる酸窒化
膜)からなるゲート絶縁膜を成膜するには、酸化膜を成
膜した後にアンモニア(NH3 )雰囲気中で窒化処理を
行うか、または、NH3 雰囲気中で窒化処理を行った後
に酸化処理を行う方法がある。また上記方法とは別に、
一酸化二窒素(N2 O)雰囲気中での酸窒化処理と酸化
処理とを組み合わせた方法や、N2 O雰囲気中での酸窒
化処理のみを行う方法がある。
In order to form a gate insulating film made of a nitrogen-containing oxide film (so-called oxynitride film), a nitriding treatment is performed in an ammonia (NH 3 ) atmosphere after forming the oxide film, or There is a method of performing an oxidation treatment after performing a nitridation treatment in an NH 3 atmosphere. Apart from the above method,
There are a method of combining oxynitriding treatment and oxidation treatment in a nitrous oxide (N 2 O) atmosphere, and a method of performing only oxynitriding treatment in an N 2 O atmosphere.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記ゲート絶
縁膜の成膜方法には以下のような課題があった。すなわ
ち、酸化膜を成膜した後にNH3 雰囲気中で窒化処理を
行う場合には、形成されたゲート絶縁膜中に多量の水素
が残留し、ホットエレクトロン耐性の低下や電流リーク
を引き起こす要因になる。また、NH3 雰囲気中で窒化
処理を行った後に酸化処理を行う場合には、酸化処理の
工程で膜中の水素が追い出される。しかし、水素の追い
出しを十分に行うには、ある程度の酸化処理時間が必要
になるため、ゲート絶縁膜の膜厚が厚膜化し、4nm以
下の薄いゲート絶縁膜を得ることができない。
However, the above-mentioned method of forming a gate insulating film has the following problems. That is, when nitriding is performed in an NH 3 atmosphere after forming an oxide film, a large amount of hydrogen remains in the formed gate insulating film, which causes a reduction in hot electron resistance and a current leak. . In the case where the oxidation treatment is performed after performing the nitridation treatment in the NH 3 atmosphere, hydrogen in the film is expelled in the oxidation treatment step. However, since a certain amount of oxidation treatment time is required to sufficiently purge hydrogen, the thickness of the gate insulating film is increased, and a thin gate insulating film having a thickness of 4 nm or less cannot be obtained.

【0006】一方、N2 O雰囲気中での酸窒化処理と酸
化処理とを組み合わせた方法では、ホウ素拡散の抑制効
果を得るだけの十分な窒素濃度を有するゲート絶縁膜を
成膜するには、酸窒化処理によって成膜する酸窒化膜に
ある程度の膜厚が必要になる。このため、上記方法と同
様にゲート絶縁膜が厚膜化し、4nm以下の薄いゲート
絶縁膜を得ることができない。
On the other hand, in a method combining oxynitriding treatment and oxidation treatment in an N 2 O atmosphere, a gate insulating film having a nitrogen concentration sufficient to obtain an effect of suppressing boron diffusion is formed. The oxynitride film formed by the oxynitridation requires a certain thickness. Therefore, similarly to the above method, the thickness of the gate insulating film is increased, and a thin gate insulating film having a thickness of 4 nm or less cannot be obtained.

【0007】またさらに、N2 O雰囲気中での酸窒化処
理のみでゲート絶縁膜を成膜する方法では、図4に示す
ように、得られたゲート絶縁膜中における窒素原子の分
布のピークが半導体基板とゲート絶縁膜との界面側に位
置するようになる。これは、トランジスタの電流駆動能
力を低下させる要因になる。
Further, in the method of forming a gate insulating film only by oxynitriding in an N 2 O atmosphere, as shown in FIG. 4, the peak of the distribution of nitrogen atoms in the obtained gate insulating film is reduced. It is located on the interface side between the semiconductor substrate and the gate insulating film. This causes a reduction in the current driving capability of the transistor.

【0008】そこで、本発明は、ホウ素拡散の抑制効果
が得られる程度の窒素濃度を有し、かつ半導体基板との
界面側に窒素の分布ピークがない酸窒化膜からなるゲー
ト絶縁膜を、薄い膜厚で成膜することが可能な方法を提
供することを目的とする。
Therefore, the present invention provides a thin gate insulating film made of an oxynitride film having a nitrogen concentration sufficient to suppress boron diffusion and having no nitrogen distribution peak at the interface with the semiconductor substrate. It is an object to provide a method capable of forming a film with a thickness.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するためになされた半導体装置の製造方法である。すな
わち、第1の方法は、一酸化窒素(NO)雰囲気下での
熱処理によって半導体基板の表面に酸窒化膜を成膜した
後、酸化処理を行うことによってこの酸窒化膜を酸化成
長させる。これによって半導体基板の表面層に酸窒化膜
からなる絶縁膜を形成する。この絶縁膜は、ゲート絶縁
膜として形成する。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention is a method of manufacturing a semiconductor device to achieve the above object. That is, in the first method, after an oxynitride film is formed on the surface of a semiconductor substrate by a heat treatment in a nitrogen monoxide (NO) atmosphere, the oxynitride film is oxidized and grown by performing an oxidation process. Thus, an insulating film made of an oxynitride film is formed on the surface layer of the semiconductor substrate. This insulating film is formed as a gate insulating film.

【0010】上記第1の方法では、NO雰囲気下で半導
体基板の表面が酸窒化される。N2O雰囲気下での酸窒
化で成膜される酸窒化膜と比較して、NO雰囲気下での
酸窒化で成膜される酸窒化膜は成膜膜厚に対する膜中の
窒素濃度が高くなる。したがって、ホウ素の拡散を抑制
しうる必要窒素量を得るための成膜膜厚が、N2 O雰囲
気下で酸窒化を行う場合よりも薄く設定される。そし
て、上記酸窒化処理後に酸化処理が行われることから、
この酸化処理では上記酸窒化処理によって成膜された酸
窒化膜の裏面側で半導体基板の酸化が進んで酸窒化膜が
成長する。このため、成長した酸窒化膜中における窒素
含有部分がその表面側に押し上げられる。したがって、
この酸窒化膜からなる絶縁膜中において、半導体基板と
の界面側に窒素原子の分布ピークが配置されることはな
い。
In the first method, the surface of the semiconductor substrate is oxynitrided in an NO atmosphere. Compared with an oxynitride film formed by oxynitridation in an N 2 O atmosphere, an oxynitride film formed by oxynitridation in a NO atmosphere has a higher nitrogen concentration in the film with respect to the film thickness. Become. Therefore, the film thickness for obtaining the required amount of nitrogen capable of suppressing the diffusion of boron is set to be smaller than that in the case of performing oxynitriding in an N 2 O atmosphere. Then, since the oxidation treatment is performed after the oxynitridation treatment,
In this oxidation treatment, the oxidation of the semiconductor substrate proceeds on the back side of the oxynitride film formed by the oxynitridation treatment, and the oxynitride film grows. Therefore, the nitrogen-containing portion in the grown oxynitride film is pushed up to the surface side. Therefore,
In the insulating film made of the oxynitride film, the distribution peak of nitrogen atoms is not arranged on the interface side with the semiconductor substrate.

【0011】また、第2の方法は、半導体基板の表面を
清浄化した後、窒素ガス(N2 )雰囲気下での熱処理に
よって半導体基板の表面に窒化膜を成膜する。次に、酸
化処理を行うことによって上記窒化膜を酸化成長させ
る。これによって半導体基板の表面層に酸窒化膜からな
るゲート絶縁膜を形成する。
In a second method, after cleaning the surface of the semiconductor substrate, a nitride film is formed on the surface of the semiconductor substrate by a heat treatment in a nitrogen gas (N 2 ) atmosphere. Next, the nitride film is oxidized and grown by performing an oxidation process. Thus, a gate insulating film made of an oxynitride film is formed on the surface layer of the semiconductor substrate.

【0012】上記第2の方法では、N2 雰囲気下で半導
体基板の清浄面が窒化される。N2O雰囲気下での酸窒
化やNO雰囲気下での酸窒化で成膜される酸窒化膜と比
較して、N2 雰囲気下での窒化で成膜される窒化膜は成
膜膜厚に対する膜中の窒素濃度がより高くなる。したが
って、ホウ素の拡散を抑制しうる必要窒素量を得るため
の成膜膜厚が、上記第1の方法よりもさらに薄く設定さ
れる。そして、上記窒化処理後に酸化処理が行われるこ
とから、この酸化処理では上記窒化処理によって成膜さ
れた窒化膜の裏面側で半導体基板及び窒化膜の酸化が進
む。このため、上記窒化膜が酸窒化膜として成長し、上
記第1の方法と同様にこの酸窒化膜からなるゲート絶縁
膜中において、半導体基板との界面側に窒素原子の分布
ピークが配置されることはない。
In the second method, the clean surface of the semiconductor substrate is nitrided in an N 2 atmosphere. Compared with the oxynitride film formed by oxynitriding under N 2 O atmosphere or oxynitridation under NO atmosphere, the nitride film formed by nitriding under N 2 atmosphere The nitrogen concentration in the film is higher. Therefore, the film thickness for obtaining the required amount of nitrogen capable of suppressing the diffusion of boron is set to be smaller than in the first method. Since the oxidation treatment is performed after the nitridation treatment, in the oxidation treatment, the oxidation of the semiconductor substrate and the nitride film proceeds on the back surface side of the nitride film formed by the nitridation treatment. For this reason, the nitride film grows as an oxynitride film, and a distribution peak of nitrogen atoms is arranged on the interface side with the semiconductor substrate in the gate insulating film made of the oxynitride film as in the first method. Never.

【0013】[0013]

【発明の実施の形態】以下、本発明の半導体装置の製造
方法をMOSトランジスタの製造方法に適用した第1及
び第2の実施の形態を、図1(1)〜図1(4)の製造
工程図を用いて説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, first and second embodiments in which a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention is applied to a method of manufacturing a MOS transistor will be described with reference to FIGS. 1 (1) to 1 (4). This will be described with reference to process drawings.

【0014】(第1実施形態)図1(1)に示すよう
に、例えばシリコンからなる半導体基板11の表面側
に、素子分離12を形成する。この素子分離12は、通
常のトレンチ法やLOCOS法によって形成する。
(First Embodiment) As shown in FIG. 1A, an element isolation 12 is formed on a surface side of a semiconductor substrate 11 made of, for example, silicon. This element isolation 12 is formed by a usual trench method or LOCOS method.

【0015】次に、図1(2)に示すように、一酸化窒
素(NO)雰囲気下での急速熱処理(RTP:Rapid Th
ermal Process)によって、半導体基板11の表面層を酸
窒化させ、半導体基板11の表面に例えば1nm程度の
膜厚の酸窒化シリコン膜13を成膜する。上記NO雰囲
気下での酸窒化条件の一例を以下に示す。 NOガス流量:2slm(standard litter/mimutes), 基板加熱温度:1000℃, 処理時間 :20秒,
Next, as shown in FIG. 1 (2), rapid heat treatment (RTP) in a nitrogen monoxide (NO) atmosphere is performed.
The surface layer of the semiconductor substrate 11 is oxynitrided by a thermal process, and a silicon oxynitride film 13 having a thickness of, for example, about 1 nm is formed on the surface of the semiconductor substrate 11. An example of the oxynitriding conditions under the above NO atmosphere is shown below. NO gas flow rate: 2 slm (standard litter / mimutes), substrate heating temperature: 1000 ° C., processing time: 20 seconds,

【0016】その後、図1(3)に示すように、拡散炉
内におけるウェット酸化処理を行い、上記酸窒化シリコ
ン膜13を例えば4nmの膜厚にまで酸化成長させる。
以下に、上記酸化条件の一例を示す。 供給ガス及び流量:水素ガス(H2)/酸素ガス(O2)=
5slm/5slm, 基板加熱温度 :850℃, 処理時間 :3分,
Thereafter, as shown in FIG. 1C, a wet oxidation treatment is performed in a diffusion furnace to oxidize and grow the silicon oxynitride film 13 to a thickness of, for example, 4 nm.
The following is an example of the above oxidation conditions. Supply gas and flow rate: hydrogen gas (H 2 ) / oxygen gas (O 2 ) =
5slm / 5slm, substrate heating temperature: 850 ° C, processing time: 3 minutes,

【0017】以上のようにして成膜した膜厚4nmの膜
厚の酸窒化シリコン膜13をゲート絶縁膜13aとす
る。そして、図1(4)に示す以下の工程は、通常のM
OSプロセスと同様に行う。すなわち、ゲート絶縁膜1
3a上にゲート電極14をパターン形成する。このゲー
ト電極14は、PMOSトランジスタの形成領域におい
てはホウ素を含有するP型ポリシリコンで構成され、N
MOSトランジスタの形成領域においてはリンやヒ素を
含有するN型ポリシリコンで構成される。
The silicon oxynitride film 13 having a thickness of 4 nm formed as described above is used as the gate insulating film 13a. Then, the following steps shown in FIG.
This is performed similarly to the OS process. That is, the gate insulating film 1
The gate electrode 14 is patterned on 3a. The gate electrode 14 is formed of boron-containing P-type polysilicon in a region where a PMOS transistor is formed,
The region where the MOS transistor is formed is made of N-type polysilicon containing phosphorus or arsenic.

【0018】その後、ゲート電極14をマスクに用いた
イオン注入によって半導体基板11の表面層にLDD拡
散層15を形成するための不純物を導入した後、ゲート
電極14及びゲート絶縁膜13aの側壁にサイドウォー
ル16を形成する。次に、ゲート電極14及びサイドウ
ォール16をマスクに用いたイオン注入によって半導体
基板11の表面層にソース/ドレイン17を形成するた
めの不純物を導入した後、ゲート電極14及びサイドウ
ォール16を覆う状態で層間絶縁膜18を形成する。次
いで、層間絶縁膜18にコンタクトホール19を形成し
た後、ソース/ドレイン17,ゲート電極14にそれぞ
れ接続する配線20を形成して半導体装置1を完成させ
る。
Thereafter, an impurity for forming the LDD diffusion layer 15 is introduced into the surface layer of the semiconductor substrate 11 by ion implantation using the gate electrode 14 as a mask, and then a side wall is formed on the side walls of the gate electrode 14 and the gate insulating film 13a. A wall 16 is formed. Next, an impurity for forming the source / drain 17 is introduced into the surface layer of the semiconductor substrate 11 by ion implantation using the gate electrode 14 and the sidewall 16 as a mask, and then the gate electrode 14 and the sidewall 16 are covered. Then, an interlayer insulating film 18 is formed. Next, after a contact hole 19 is formed in the interlayer insulating film 18, wirings 20 respectively connected to the source / drain 17 and the gate electrode 14 are formed to complete the semiconductor device 1.

【0019】上記第1実施形態の製造方法では、NO雰
囲気下での酸窒化処理によって半導体基板11の表面に
酸窒化シリコン膜13が成膜されることから、N2 O雰
囲気下で成膜された酸窒化シリコン膜と比較して成膜膜
厚に対する膜中の窒素濃度が高くなる。例えば、上記酸
窒化処理と同様の条件でN2 Oを用いて成膜した酸窒化
膜と比較して、上記第1実施形態の酸窒化処理で成膜さ
れる酸窒化シリコン膜13は窒素濃度が5〜6倍でかつ
膜厚が5〜7割程度になる。このため、1nm程度の成
膜膜厚で、ホウ素の拡散を抑制しうる必要窒素量を得る
ことができる。
In the manufacturing method of the first embodiment, since the silicon oxynitride film 13 is formed on the surface of the semiconductor substrate 11 by the oxynitriding process in the NO atmosphere, the film is formed in the N 2 O atmosphere. The nitrogen concentration in the film with respect to the film thickness becomes higher than that of the silicon oxynitride film. For example, the silicon oxynitride film 13 formed by the oxynitridation process of the first embodiment has a higher nitrogen concentration than the oxynitride film formed by using N 2 O under the same conditions as the oxynitridation process. Is 5 to 6 times and the film thickness is about 50 to 70%. Therefore, a required nitrogen amount capable of suppressing the diffusion of boron can be obtained with a film thickness of about 1 nm.

【0020】そして、上記酸窒化処理後に酸化処理が行
われることから、この酸化処理では上記酸窒化によって
成膜された酸窒化シリコン膜13の裏面側で半導体基板
11及び酸窒化シリコン膜13の酸化が進む。このた
め、酸窒化シリコン膜13中における窒素含有部分がそ
の表面側に押し上げられる。したがって、図2のゲート
絶縁膜13a中における酸素(O)及び窒素(N)の濃
度プロファイルに示すように、酸化によって成長した酸
窒化シリコン膜13(すなわちゲート絶縁膜13a)中
の窒素原子の分布ピークはゲート絶縁膜13aの表面側
になる。そして、ゲート絶縁膜13a中の窒素濃度は、
1021atoms/cm3 程度、すなわちホウ素の拡散
を防止できる濃度になる。
Since the oxidizing process is performed after the oxynitriding process, the oxidizing process oxidizes the semiconductor substrate 11 and the silicon oxynitride film 13 on the back side of the silicon oxynitride film 13 formed by the oxynitriding. Advances. Therefore, the nitrogen-containing portion in the silicon oxynitride film 13 is pushed up to the surface side. Therefore, as shown in the concentration profile of oxygen (O) and nitrogen (N) in the gate insulating film 13a in FIG. 2, the distribution of nitrogen atoms in the silicon oxynitride film 13 grown by oxidation (that is, the gate insulating film 13a). The peak is on the surface side of the gate insulating film 13a. The nitrogen concentration in the gate insulating film 13a is
The concentration is about 10 21 atoms / cm 3 , that is, a concentration that can prevent the diffusion of boron.

【0021】以上のように、上記ゲート絶縁膜13aは
ホウ素拡散の抑制効果が得られる程度の窒素濃度を有す
ることから、このゲート絶縁膜13aを有する半導体装
置1はPMOSトランジスタのゲート電極14からのホ
ウ素拡散が抑制され、安定したしきい電圧を有するもの
になる。また、上記ゲート絶縁膜13aは窒素の分布ピ
ークが半導体基板11との界面側には位置しないため、
このゲート絶縁膜13aを有する半導体装置1はトラン
ジスタの電流駆動能力が確保されたものになる。しか
も、上記ゲート絶縁膜13aはその膜厚が4nmと薄い
ものであることから、このゲート絶縁膜13aを有する
半導体装置1はしきい電圧が低く微細化が進んだものに
なる。
As described above, since the gate insulating film 13a has such a nitrogen concentration that the effect of suppressing the diffusion of boron can be obtained, the semiconductor device 1 having the gate insulating film 13a is free from the gate electrode 14 of the PMOS transistor. Boron diffusion is suppressed, and a stable threshold voltage is obtained. Further, since the distribution peak of nitrogen is not located on the interface side with the semiconductor substrate 11 in the gate insulating film 13a,
In the semiconductor device 1 having the gate insulating film 13a, the current driving capability of the transistor is secured. In addition, since the gate insulating film 13a has a thin film thickness of 4 nm, the semiconductor device 1 having the gate insulating film 13a has a low threshold voltage and is further miniaturized.

【0022】(第2実施形態)ここで説明する第2実施
形態の製造方法と、上記第1実施形態との異なるところ
は、図1(3)で示した酸化処理の工程にある。すなわ
ちここでは、第1実施形態でのウェット酸化に換えてド
ライ酸化を行う。
(Second Embodiment) The difference between the manufacturing method of the second embodiment described here and the first embodiment lies in the step of the oxidation treatment shown in FIG. That is, here, dry oxidation is performed instead of wet oxidation in the first embodiment.

【0023】そこで、図1(1),図1(2)を用いて
説明した工程を上記第1実施形態と同様に行った後、図
1(3)に示す工程では、拡散炉内でのドライ酸化によ
って酸窒化シリコン膜13を例えば4nmの膜厚にまで
酸化成長させる。以下に、酸化条件の一例を示す。 供給ガス及び流量:酸素ガス(O2)=2slm, 基板加熱温度 :1000℃, 処理時間 :3分,
Therefore, after performing the steps described with reference to FIGS. 1A and 1B in the same manner as in the first embodiment, in the step shown in FIG. The silicon oxynitride film 13 is oxidized and grown to a thickness of, for example, 4 nm by dry oxidation. The following shows an example of the oxidation conditions. Supply gas and flow rate: oxygen gas (O 2 ) = 2 slm, substrate heating temperature: 1000 ° C., processing time: 3 minutes,

【0024】以上のようにして成膜した膜厚4nmの酸
窒化シリコン膜13をゲート絶縁膜13aとする。そし
て、図1(4)に示す工程を上記第1実施形態と同様に
行うことによって、半導体装置1を完成させる。
The silicon oxynitride film 13 having a thickness of 4 nm formed as described above is used as the gate insulating film 13a. Then, the semiconductor device 1 is completed by performing the step shown in FIG. 1D in the same manner as in the first embodiment.

【0025】上記製造方法によっても、上記第1実施形
態と同様の効果を得ることができる。
The same effect as in the first embodiment can be obtained by the above manufacturing method.

【0026】図3(1)〜図3(4)は、本発明を適用
した第3実施形態及び第4実施形態の製造工程図であ
る。以下に、これらの図面を用いて第3実施形態及び第
4実施形態を説明する。尚、上記第1実施形態及び第2
実施形態と同様の構成要素には同様の符号を付し、重複
する説明は省略する。
FIGS. 3A to 3D are manufacturing process diagrams of a third embodiment and a fourth embodiment to which the present invention is applied. Hereinafter, the third embodiment and the fourth embodiment will be described with reference to these drawings. The first embodiment and the second embodiment
The same components as those of the embodiment are denoted by the same reference numerals, and overlapping description will be omitted.

【0027】(第3実施形態)先ず、図3(1)に示す
ように、例えばシリコンからなる半導体基板11の表面
層に素子分離12を形成した後、ここでは、半導体基板
11の表面を清浄化する。ここで清浄化とは、半導体基
板11の表面の自然酸化膜を除去し、半導体基板11の
ベア表面を露出させることとし、ここでは高真空中での
熱処理によって上記清浄化を行うこととする。以下に、
上記清浄化条件の一例を示す。 処理雰囲気内圧力:1.33×10-8 Pa, 基板加熱温度 :1100℃, 処理時間 :2秒,
(Third Embodiment) First, as shown in FIG. 3A, after an element isolation 12 is formed on a surface layer of a semiconductor substrate 11 made of, for example, silicon, the surface of the semiconductor substrate 11 is cleaned here. Become Here, the term “cleaning” refers to removing a natural oxide film on the surface of the semiconductor substrate 11 and exposing the bare surface of the semiconductor substrate 11. Here, the cleaning is performed by heat treatment in a high vacuum. less than,
An example of the above cleaning conditions will be described. Processing atmosphere pressure: 1.33 × 10 −8 Pa, substrate heating temperature: 1100 ° C., processing time: 2 seconds,

【0028】次に、図3(2)に示すように、窒素ガス
(N2 )雰囲気下での熱処理によって、清浄化された半
導体基板11の表面を窒化させる。ここでは、減圧雰囲
気下で熱処理を行うこととし、半導体基板11の表面に
1nm程度の膜厚の窒化シリコン膜31を成膜する。上
記窒化条件の一例を以下に示す。 N2 ガス流量 :100sccm(standard cubic ce
ntimeter/mimutes), 処理雰囲気内圧力:1.33×10-3Pa, 基板加熱温度 :750℃, 処理時間 :1.5時間,
Next, as shown in FIG. 3B, the surface of the cleaned semiconductor substrate 11 is nitrided by a heat treatment in a nitrogen gas (N 2 ) atmosphere. Here, heat treatment is performed in a reduced pressure atmosphere, and a silicon nitride film 31 having a thickness of about 1 nm is formed on the surface of the semiconductor substrate 11. An example of the above nitriding conditions is shown below. N 2 gas flow rate: 100 sccm (standard cubic ce
ntimeter / mimutes), pressure in processing atmosphere: 1.33 × 10 −3 Pa, substrate heating temperature: 750 ° C., processing time: 1.5 hours,

【0029】その後、図3(3)に示すように、拡散炉
中においてウェット酸化処理を行うことによって、窒化
シリコン膜31を膜厚4nmの酸窒化シリコン膜32に
まで酸化成長させる。酸化条件の一例を以下に示す。 供給ガス及び流量:H2 /O2 =5slm/5slm, 基板加熱温度 :850℃, 処理時間 :3分,
Thereafter, as shown in FIG. 3C, the silicon nitride film 31 is oxidized and grown to a silicon oxynitride film 32 having a thickness of 4 nm by performing a wet oxidation treatment in a diffusion furnace. An example of the oxidation conditions is shown below. Supply gas and flow rate: H 2 / O 2 = 5 slm / 5 slm, substrate heating temperature: 850 ° C., processing time: 3 minutes,

【0030】以上のようにして成膜した膜厚4nmの酸
窒化シリコン膜32をゲート絶縁膜32aとする。そし
て、図3(4)に示す工程を、上記第1実施形態及び第
2実施形態で図1(4)を用いて説明したとと同様に行
うことによってゲート絶縁膜32aを用いた半導体装置
3を完成させる。
The 4 nm-thick silicon oxynitride film 32 formed as described above is used as the gate insulating film 32a. Then, the semiconductor device 3 using the gate insulating film 32a is formed by performing the step shown in FIG. 3D in the same manner as described in the first and second embodiments with reference to FIG. To complete.

【0031】上記第3実施形態の製造方法では、N2
囲気下で半導体基板11の清浄面を窒化することから、
半導体基板11の表面層には窒化シリコン膜31が成膜
される。したがって、酸窒化シリコン膜を成膜する場合
よりも成膜膜厚に対する膜中の窒素濃度が高くなり、ホ
ウ素の拡散を抑制しうる必要窒素量を得るための成膜膜
厚が、上記第1実施形態及び第2実施形態よりももさら
に薄く設定される。このため、1nm程度の成膜膜厚
で、ホウ素の拡散を抑制するに十分な必要窒素量を得る
ことができる。
In the manufacturing method of the third embodiment, the clean surface of the semiconductor substrate 11 is nitrided in an N 2 atmosphere.
On the surface layer of the semiconductor substrate 11, a silicon nitride film 31 is formed. Therefore, the nitrogen concentration in the film with respect to the film thickness becomes higher than in the case of forming the silicon oxynitride film, and the film thickness for obtaining the required nitrogen amount capable of suppressing the diffusion of boron is equal to the first film thickness. It is set to be thinner than in the embodiment and the second embodiment. Therefore, with a film thickness of about 1 nm, a sufficient amount of nitrogen necessary to suppress the diffusion of boron can be obtained.

【0032】そして、上記窒化処理後に酸化処理が行わ
れることから、この酸化処理では窒化シリコン膜31の
裏面側で半導体基板11及び窒化シリコン膜31の酸化
が進む。このため、上記窒化シリコン膜31が酸窒化シ
リコン膜32として酸化成長し、この酸窒化シリコン膜
32中における窒素含有部分がその表面側に押し上げら
れる。したがって、図2のゲート絶縁膜32a中におけ
る酸素及び窒素の濃度プロファイルに示すように、酸窒
化シリコン膜(ゲート絶縁膜)32a中の窒素原子の分
布ピークはゲート絶縁膜32aの表面側になる。そし
て、4nmにまで成長した酸窒化シリコン膜32からな
るゲート絶縁膜32a中の窒素濃度は、上記第1実施形
態及び第2実施形態よりも一桁程度高くなり、ホウ素の
拡散が十分に防止される。
Since the oxidation treatment is performed after the nitridation treatment, the oxidation of the semiconductor substrate 11 and the silicon nitride film 31 proceeds on the back surface side of the silicon nitride film 31 in this oxidation treatment. Therefore, the silicon nitride film 31 is oxidized and grown as the silicon oxynitride film 32, and the nitrogen-containing portion in the silicon oxynitride film 32 is pushed up to the surface side. Therefore, as shown in the concentration profiles of oxygen and nitrogen in the gate insulating film 32a in FIG. 2, the distribution peak of the nitrogen atoms in the silicon oxynitride film (gate insulating film) 32a is on the surface side of the gate insulating film 32a. The nitrogen concentration in the gate insulating film 32a made of the silicon oxynitride film 32 grown to 4 nm is higher by about one digit than in the first and second embodiments, and the diffusion of boron is sufficiently prevented. You.

【0033】以上のことから、このゲート絶縁膜32a
を有する半導体装置3は、上記第1実施形態及び第2実
施形態と同様の効果を有するものになるとともに、上記
第1実施形態及び第2実施形態よりもさらに微細で低電
圧化されたものとすることができる。
From the above, this gate insulating film 32a
The semiconductor device 3 having the same effects as those of the first embodiment and the second embodiment, and having a finer and lower voltage than those of the first and second embodiments. can do.

【0034】(第4実施形態)この第4実施形態と、上
記第3実施形態との異なるところは、図3(3)で示し
た酸化処理の工程にある。すなわち、ここでは、第3実
施形態でのウェット酸化に換えてドライ酸化を行う。
(Fourth Embodiment) The difference between the fourth embodiment and the third embodiment lies in the oxidation treatment step shown in FIG. That is, here, dry oxidation is performed instead of wet oxidation in the third embodiment.

【0035】そこで、図3(1),図3(2)を用いて
説明した工程を上記第3実施形態と同様に行った後、図
3(3)に示す工程では、拡散炉内におけるドライ酸化
によって酸窒化シリコン膜32を例えば4nmの膜厚に
する。以下に、酸化条件の一例を以下に示す。 供給ガス及び流量:酸素ガス(O2)=2slm 基板加熱温度 :1000℃, 処理時間 :3分,
Therefore, after performing the steps described with reference to FIGS. 3A and 3B in the same manner as in the third embodiment, in the step shown in FIG. The silicon oxynitride film 32 is oxidized to a thickness of, for example, 4 nm. An example of the oxidation conditions is shown below. Supply gas and flow rate: oxygen gas (O 2 ) = 2 slm Substrate heating temperature: 1000 ° C., processing time: 3 minutes,

【0036】以上のようにして成膜した膜厚4nmの酸
窒化シリコン膜32をゲート絶縁膜32aとする。そし
て、図3(4)に示す工程を上記第1実施形態と同様に
行うことによって、半導体装置3を完成させる。
The 4-nm-thick silicon oxynitride film 32 formed as described above is used as the gate insulating film 32a. Then, the step shown in FIG. 3D is performed in the same manner as in the first embodiment, thereby completing the semiconductor device 3.

【0037】上記第4実施形態の製造方法によっても、
上記第3実施形態と同様の効果を得ることができる。
According to the manufacturing method of the fourth embodiment,
The same effects as in the third embodiment can be obtained.

【0038】尚、上記第3実施形態及び第4実施形態で
行われる窒化処理は、ホウ素の拡散を抑制しうる必要窒
素量が得られれば、窒化膜の成膜膜厚及び窒化条件は上
記に限定されることはない。
Incidentally, in the nitriding treatment performed in the third and fourth embodiments, if the required amount of nitrogen capable of suppressing the diffusion of boron is obtained, the film thickness of the nitride film and the nitriding conditions are set as described above. It is not limited.

【0039】また、上記各実施形態で説明した酸化処理
は、RTO(急速熱酸化)によって行っても良く、この
酸化処理によって得る最終的なゲート絶縁膜の膜厚は、
トランジスタ特性によって設定され、上記各実施形態で
示した4nmに限定されることはない。さらに、酸窒化
処理または窒化処理によって成膜する膜厚は、ゲート絶
縁膜中の必要窒素濃度によって設定され、上記各実施形
態で示した1nmに限定されることはない。
The oxidation treatment described in each of the above embodiments may be performed by RTO (rapid thermal oxidation), and the final thickness of the gate insulating film obtained by this oxidation treatment is as follows:
It is set according to the transistor characteristics, and is not limited to 4 nm shown in the above embodiments. Further, the film thickness formed by the oxynitriding or nitriding treatment is set according to the required nitrogen concentration in the gate insulating film, and is not limited to 1 nm shown in each of the above embodiments.

【0040】[0040]

【発明の効果】以上説明したように、本発明の半導体装
置の製造方法によれば、一酸化窒素雰囲気下で半導体基
板表面の酸窒化を行った後に酸化処理を行うか、清浄化
した半導体基板表面を窒素ガス雰囲気下で窒化した後に
酸化処理を行うことで、半導体基板との界面側に窒素の
分布ピークを形成することなくホウ素の拡散を防止でき
る程度の窒素を含有する酸窒化膜からなる絶縁膜を薄い
膜厚で成膜することが可能になる。したがって、薄いゲ
ート絶縁膜を有しながらも、トランジスタの電流駆動能
力を低下させことなく、しかも安定したしきい電圧を有
する半導体装置を得ることができる。
As described above, according to the method of manufacturing a semiconductor device of the present invention, the oxidizing treatment is performed after the oxynitridation of the surface of the semiconductor substrate is performed in a nitrogen monoxide atmosphere, or the cleaned semiconductor substrate is cleaned. By oxidizing after nitriding the surface in a nitrogen gas atmosphere, it is made of an oxynitride film containing nitrogen enough to prevent diffusion of boron without forming a nitrogen distribution peak on the interface side with the semiconductor substrate. The insulating film can be formed with a small thickness. Therefore, it is possible to obtain a semiconductor device having a stable threshold voltage without lowering the current driving capability of the transistor even though it has a thin gate insulating film.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】第1実施形態及び第2実施形態の製造工程図で
ある。
FIG. 1 is a manufacturing process diagram of a first embodiment and a second embodiment.

【図2】本発明によるゲート絶縁膜中の酸素及び窒素の
濃度プロファイルである。
FIG. 2 is a concentration profile of oxygen and nitrogen in a gate insulating film according to the present invention.

【図3】第3実施形態及び第4実施形態の製造工程図で
ある。
FIG. 3 is a manufacturing process diagram of a third embodiment and a fourth embodiment.

【図4】従来方法によるゲート絶縁膜中の酸素及び窒素
の濃度プロファイルである。
FIG. 4 is a concentration profile of oxygen and nitrogen in a gate insulating film according to a conventional method.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1,3 半導体装置 11 半導体基板 11a
表面 13,32 酸窒化シリコン膜(酸窒化膜) 13a,32a ゲート絶縁膜 31 窒化シリコン
膜(窒化膜)
1,3 Semiconductor device 11 Semiconductor substrate 11a
Surface 13, 32 Silicon oxynitride film (oxynitride film) 13a, 32a Gate insulating film 31 Silicon nitride film (nitride film)

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 一酸化窒素雰囲気下での熱処理によっ
て、半導体基板の表面に酸窒化膜を成膜する工程と、 酸化処理を行うことによって前記酸窒化膜を酸化成長さ
せ、前記半導体基板の表面層に酸窒化膜からなる絶縁膜
を形成する工程とを行うことを特徴とする半導体装置の
製造方法。
A step of forming an oxynitride film on a surface of the semiconductor substrate by heat treatment in a nitrogen monoxide atmosphere; and performing an oxidation treatment to oxidize and grow the oxynitride film, thereby forming a surface of the semiconductor substrate. Forming an insulating film made of an oxynitride film on the layer.
【請求項2】 請求項1記載の半導体装置の製造方法に
おいて、 前記絶縁膜はゲート絶縁膜として形成することを特徴と
する半導体装置の製造方法。
2. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein said insulating film is formed as a gate insulating film.
【請求項3】 半導体基板の表面を清浄化する工程と、 窒素ガス雰囲気下での熱処理によって前記清浄化された
半導体基板の表面に窒化膜を成膜する工程と、 酸化処理を行うことによって前記窒化膜を酸化成長さ
せ、前記半導体基板の表面層に酸窒化膜からなる絶縁膜
を形成する工程とを行うことを特徴とする半導体装置の
製造方法。
3. A step of cleaning the surface of the semiconductor substrate, a step of forming a nitride film on the surface of the semiconductor substrate which has been cleaned by a heat treatment in a nitrogen gas atmosphere, and Forming an insulating film made of an oxynitride film on a surface layer of the semiconductor substrate by oxidizing and growing a nitride film.
【請求項4】 請求項3記載の半導体装置の製造方法に
おいて、 前記絶縁膜はゲート絶縁膜として形成することを特徴と
する半導体装置の製造方法。
4. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 3, wherein said insulating film is formed as a gate insulating film.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7358198B2 (en) 2002-03-08 2008-04-15 Kabushiki Kaisha Toshiba Semiconductor device and method for fabricating same

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