JPH10256535A - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
Semiconductor device and manufacturing method thereofInfo
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- JPH10256535A JPH10256535A JP5922797A JP5922797A JPH10256535A JP H10256535 A JPH10256535 A JP H10256535A JP 5922797 A JP5922797 A JP 5922797A JP 5922797 A JP5922797 A JP 5922797A JP H10256535 A JPH10256535 A JP H10256535A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】この発明は、半導体装置およ
び半導体装置の製造方法に係り、特にゲート絶縁膜の電
気的ストレスによるリーク電流の減少を図る技術に関す
るものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device, and more particularly to a technique for reducing a leak current due to an electric stress of a gate insulating film.
【０００２】[0002]
【従来の技術】図７は従来の半導体装置の構成を示す断
面図である。図において、１はシリコン基板、２はゲー
ト絶縁膜としてのシリコン酸化膜で、このシリコン酸化
膜２はシリコン基板１上に熱拡散法により形成された熱
酸化膜にてなる。３はシリコン酸化膜２上に形成された
ゲート電極である。2. Description of the Related Art FIG. 7 is a sectional view showing the structure of a conventional semiconductor device. In the figure, 1 is a silicon substrate, 2 is a silicon oxide film as a gate insulating film, and the silicon oxide film 2 is a thermal oxide film formed on the silicon substrate 1 by a thermal diffusion method. Reference numeral 3 denotes a gate electrode formed on the silicon oxide film 2.
【０００３】[0003]
【発明が解決しようとする課題】従来の半導体装置は以
上のように構成され、この中でもゲート絶縁膜として
は、シリコン酸化膜２からなる単層が用いられてきた。
そして、この半導体装置を例えばフラッシュメモリ等に
用いて、繰り返しデータの書換を行うと、印加される高
電界ストレスにより膜質が劣化し、リーク電流が増大し
ていた。よって、このことによりデータ保持特性が劣化
していた。The conventional semiconductor device is constructed as described above. Among them, a single layer of the silicon oxide film 2 has been used as the gate insulating film.
When this semiconductor device is used for a flash memory or the like to repeatedly rewrite data, the applied high electric field stress deteriorates the film quality and increases the leak current. As a result, the data retention characteristics deteriorated.
【０００４】この原因として考えられることは、シリコ
ン酸化膜２の膜自体が引っ張り応力を有し、不完全酸化
により歪んだＳｉ−Ｏ−Ｓｉの結合およびＳｉ−Ｓｉの
結合などの正孔トラップが存在するためだと推測され
る。このように、正孔トラップを有すると、この箇所に
電気的なストレスが掛かり易くなり、上記のような現象
が生じると考えられる。A possible cause of this is that the silicon oxide film 2 itself has a tensile stress, and hole traps such as Si—O—Si bonds and Si—Si bonds distorted by incomplete oxidation occur. It is presumed that it exists. It is considered that the presence of the hole trap makes it easy to apply electric stress to this portion, and the above-described phenomenon occurs.
【０００５】この発明は上記のような問題点を解決する
ためになされたもので、半導体装置のゲート絶縁膜の膜
応力を緩和し、不完全酸化により歪んだＳｉ−Ｏ−Ｓｉ
の結合およびＳｉ−Ｓｉの結合などの正孔トラップを減
少させ、電気的ストレスに強い半導体装置および半導体
装置の製造方法を提供することを目的とする。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and alleviates the stress of a gate insulating film of a semiconductor device, and distorts the Si-O-Si strained by incomplete oxidation.
It is an object of the present invention to provide a semiconductor device which is resistant to electric stress and a method for manufacturing the semiconductor device, by reducing hole traps such as Si bond and Si-Si bond.
【０００６】[0006]
【課題を解決するための手段】この発明に係る請求項１
の半導体装置は、シリコン基板上にゲート絶縁膜および
ゲート電極が順次形成されてなる半導体装置において、
ゲート絶縁膜が、シリコン基板上に形成されたシリコン
酸化膜と、シリコン酸化膜上に形成され、シリコン酸化
膜の膜応力を打ち消す膜応力を有するオキシナイトライ
ド膜とを備えたものである。Means for Solving the Problems Claim 1 according to the present invention.
Is a semiconductor device in which a gate insulating film and a gate electrode are sequentially formed on a silicon substrate,
The gate insulating film includes a silicon oxide film formed on a silicon substrate, and an oxynitride film formed on the silicon oxide film and having a film stress that cancels a film stress of the silicon oxide film.
【０００７】又、この発明に係る請求項２の半導体装置
は、請求項１において、シリコン酸化膜の膜厚を３０オン
ク゛ストローム未満としたものである。According to a second aspect of the present invention, there is provided the semiconductor device according to the first aspect, wherein the thickness of the silicon oxide film is less than 30 angstroms.
【０００８】又、この発明に係る請求項３の半導体装置
は、請求項１または請求項２において、オキシナイトラ
イド膜の窒素濃度分布を、オキシナイトライド膜のシリ
コン酸化膜と接する側から相反する側に連れて徐々に大
きくなるように設定し、且つ、オキシナイトライド膜の
平均窒素濃度を０．７atm．％ないし２．６atm．％とし
たものである。According to a third aspect of the present invention, in the semiconductor device according to the first or second aspect, the nitrogen concentration distribution of the oxynitride film is inconsistent from the side of the oxynitride film in contact with the silicon oxide film. Side, and the average nitrogen concentration of the oxynitride film is set to 0.7 atm. % To 2.6 atm. %.
【０００９】又、この発明に係る請求項４の半導体装置
の製造方法は、シリコン基板上にゲート絶縁膜およびゲ
ート電極が順次形成されてなる半導体装置の製造方法に
おいて、ゲート絶縁膜を、シリコン基板上に熱拡散法に
て膜厚が３０オンク゛ストローム未満のシリコン酸化膜を形成
し、シリコン酸化膜上にＣＶＤ法により、シリコン酸化
膜と接する側から相反する側に連れて徐々に窒素濃度が
大きくなる窒素濃度分布を有し、且つ、平均窒素濃度が
２．３atm．％ないし６．４atm．％となるオキシナイト
ライド膜を形成し、オキシナイトライド膜をアニールに
より処理し、平均窒素濃度を０．７atm．％ないし２．
６atm．％とするものである。According to a fourth aspect of the present invention, in the method of manufacturing a semiconductor device in which a gate insulating film and a gate electrode are sequentially formed on a silicon substrate, the gate insulating film is formed on the silicon substrate. A silicon oxide film having a thickness of less than 30 angstroms is formed thereon by a thermal diffusion method, and the nitrogen concentration is gradually increased on the silicon oxide film from a side in contact with the silicon oxide film to a side opposite to the silicon oxide film by a CVD method. It has a nitrogen concentration distribution and an average nitrogen concentration of 2.3 atm. % To 6.4 atm. % Of an oxynitride film, and the oxynitride film is annealed to obtain an average nitrogen concentration of 0.7 atm. % To 2.
6 atm. %.
【００１０】又、この発明に係る請求項５の半導体装置
の製造方法は、請求項４に記載の半導体装置の製造方法
のアニールにおいて、亜酸化窒素ガス、一酸化窒素ガ
ス、酸素ガスのいずれかを用い脱窒素或いは再酸化する
ことにより、オキシナイトライド膜の平均窒素濃度を
０．７atm．％ないし２．６atm．％とするものである。According to a fifth aspect of the present invention, in the method of manufacturing a semiconductor device according to the fourth aspect, any one of a nitrous oxide gas, a nitric oxide gas, and an oxygen gas is used. Deoxygenation or re-oxidation using an oxynitride film with an average nitrogen concentration of 0.7 atm. % To 2.6 atm. %.
【００１１】又、この発明に係る請求項６の半導体装置
の製造方法は、請求項４または請求項５において、オキ
シナイトライド膜の原料ガスとして、亜酸化窒素ガスと
アンモニアガスとを用い、その平均流量比をアンモニア
ガス／亜酸化窒素ガス＝０．００５ないし０．０３３に
て設定するものである。According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device according to the fourth or fifth aspect, wherein a nitrous oxide gas and an ammonia gas are used as source gases for the oxynitride film. The average flow rate ratio is set with ammonia gas / nitrous oxide gas = 0.005 to 0.033.
【００１２】[0012]
実施の形態１．以下、この発明の実施の形態を図につい
て説明する。図１は、この発明の実施の形態１における
半導体装置の構成を示す断面図である。図において、従
来の場合と同様の部分は、同一符号を付して説明を省略
する。４はシリコン基板１上に形成されたシリコン酸化
膜、５はシリコン酸化膜４上に形成されたオキシナイト
ライド膜、６はシリコン酸化膜４およびオキシナイトラ
イド膜５にてなるゲート絶縁膜、７はゲート絶縁膜６上
に形成されたゲート電極である。Embodiment 1 FIG. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a sectional view showing a configuration of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. In the figure, the same parts as in the conventional case are denoted by the same reference numerals, and the description is omitted. 4 is a silicon oxide film formed on the silicon substrate 1, 5 is an oxynitride film formed on the silicon oxide film 4, 6 is a gate insulating film composed of the silicon oxide film 4 and the oxynitride film 5, 7 Is a gate electrode formed on the gate insulating film 6.
【００１３】次いで上記のように構成された実施の形態
１の半導体装置の製造方法について説明する。まず、シ
リコン基板１に熱拡散法により、熱酸化膜としてのシリ
コン酸化膜４が形成される。この熱拡散法における条件
としては、例えば酸素と水素との混合ガス（Ｏ2／
Ｈ2）、酸素ガス（Ｏ2）、亜酸化窒素ガス（Ｎ2Ｏ）お
よび、一酸化窒素ガス（ＮＯ）などの酸化性ガスを用い
る。Next, a method of manufacturing the semiconductor device of the first embodiment configured as described above will be described. First, a silicon oxide film 4 as a thermal oxide film is formed on a silicon substrate 1 by a thermal diffusion method. Conditions for this thermal diffusion method include, for example, a mixed gas of oxygen and hydrogen (O 2 /
An oxidizing gas such as H 2 ), oxygen gas (O 2 ), nitrous oxide gas (N 2 O), and nitric oxide gas (NO) is used.
【００１４】又、この原料ガスの中でも酸素と水素との
混合ガスを用いる場合は、その流量比を０．１ないし１
０の範囲に設定するのが望ましい。そして、酸化温度は
６００℃ないし１１００℃の範囲にて設定する、この際
の加熱方法は、シリコン基板１をヒータまたはランプな
どにて加熱する方法が考えられる。上記条件により形成
されたシリコン酸化膜４は、圧縮応力を有する膜とな
る。When a mixed gas of oxygen and hydrogen is used among the raw material gases, the flow rate ratio is 0.1 to 1
It is desirable to set it in the range of 0. The oxidation temperature is set in the range of 600 ° C. to 1100 ° C. As a heating method at this time, a method of heating the silicon substrate 1 with a heater or a lamp can be considered. The silicon oxide film 4 formed under the above conditions becomes a film having a compressive stress.
【００１５】次に、このシリコン酸化膜４上に、ＣＶＤ
法によりオキシナイトライド膜５を形成する。このＣＶ
Ｄ法における条件としては、原料ガスに例えばジクロロ
シラン（ＳｉＨ2Ｃｌ2）／アンモニアガス（ＮＨ3）／
亜酸化窒素ガス（Ｎ2Ｏ）などの混合ガスを用いる。こ
の際形成されたオキシナイトライド膜５は、シリコン酸
化膜４の膜応力を打ち消す膜応力を有する膜にて形成さ
れている。よって、シリコン酸化膜４およびオキシナイ
トライド膜５にてなるゲート絶縁膜６は全体として膜応
力の小さい膜にて形成されることとなる。次に、このゲ
ート絶縁膜６上にゲート電極７を形成する。Next, CVD is performed on the silicon oxide film 4.
The oxynitride film 5 is formed by the method. This CV
The conditions in the method D include, for example, dichlorosilane (SiH 2 Cl 2 ) / ammonia gas (NH 3 ) /
A mixed gas such as nitrous oxide gas (N 2 O) is used. The oxynitride film 5 formed at this time is formed of a film having a film stress that cancels the film stress of the silicon oxide film 4. Therefore, the gate insulating film 6 composed of the silicon oxide film 4 and the oxynitride film 5 is formed as a film having a small film stress as a whole. Next, a gate electrode 7 is formed on the gate insulating film 6.
【００１６】上記のように構成された実施の形態１の半
導体装置はシリコン酸化膜４上に、このシリコン酸化膜
４が有する膜応力を打ち消す膜応力を有するオキシナイ
トライド膜５を形成したので、シリコン酸化膜４内に存
在する、不完全酸化により歪んだＳｉ−Ｏ−Ｓｉの結合
およびＳｉ−Ｓｉの結合などの正孔トラップが減少し、
電気的ストレスに強い半導体装置を得ることができる。In the semiconductor device of the first embodiment configured as described above, the oxynitride film 5 having a film stress that cancels the film stress of the silicon oxide film 4 is formed on the silicon oxide film 4. The number of hole traps such as Si—O—Si bonds and Si—Si bonds present in the silicon oxide film 4 and distorted by incomplete oxidation are reduced,
A semiconductor device resistant to electric stress can be obtained.
【００１７】実施の形態２．上記実施の形態１では、シ
リコン酸化膜４の膜厚について特に限定しなかったが、
例えばシリコン酸化膜を上記実施の形態１にて示した条
件にて堆積していくと、図２に示すように、シリコン酸
化膜（ＳｉＯ2）膜厚と正孔トラップ量との関係が検出
される。図から明かなように、シリコン酸化膜での正孔
トラップ量の最大検出箇所は、膜厚が３０オンク゛ストローム付
近の時であることが判る。Embodiment 2 FIG. In the first embodiment, the thickness of the silicon oxide film 4 is not particularly limited.
For example, when a silicon oxide film is deposited under the conditions described in the first embodiment, the relationship between the thickness of the silicon oxide film (SiO 2 ) and the amount of hole traps is detected as shown in FIG. You. As is clear from the figure, the maximum detection point of the hole trap amount in the silicon oxide film is found when the film thickness is around 30 Å.
【００１８】よって、シリコン酸化膜の膜厚を３０オンク゛
ストローム未満にて形成し、このシリコン酸化膜上に、この
シリコン酸化膜が有する膜応力を打ち消す膜応力を有す
るオキシナイトライド膜を形成すれば、ゲート絶縁膜全
体としての、正孔トラップ量を極力減少することができ
る。よって、不完全酸化により歪んだＳｉ−Ｏ−Ｓｉの
結合およびＳｉ−Ｓｉの結合などの正孔トラップによ
る、電気的ストレスは一層緩和され、電気的ストレスに
一層強い半導体装置を得ることができる。Therefore, if the thickness of the silicon oxide film is less than 30 angstroms, and an oxynitride film having a film stress that cancels the film stress of the silicon oxide film is formed on the silicon oxide film, The amount of hole traps in the entire gate insulating film can be reduced as much as possible. Therefore, electric stress due to hole traps such as a Si—O—Si bond and a Si—Si bond distorted by incomplete oxidation is further reduced, and a semiconductor device more resistant to electric stress can be obtained.
【００１９】実施の形態３．図３はこの発明の実施の形
態３の半導体装置の構成を示す断面図である。図におい
て、上記実施の形態１と同様の部分は同一符号を付して
説明を省略する。８はシリコン基板１上に形成されたシ
リコン酸化膜、９はシリコン酸化膜８上に形成されたオ
キシナイトライド膜、１０はシリコン酸化膜８およびオ
キシナイトライド膜９にてなるゲート絶縁膜、１１はゲ
ート絶縁膜１０上に形成されたゲート電極である。Embodiment 3 FIG. 3 is a sectional view showing a configuration of a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention. In the figure, the same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description is omitted. 8 is a silicon oxide film formed on the silicon substrate 1, 9 is an oxynitride film formed on the silicon oxide film 8, 10 is a gate insulating film composed of the silicon oxide film 8 and the oxynitride film 9, 11 Is a gate electrode formed on the gate insulating film 10.
【００２０】次いで上記のように構成された実施の形態
３の半導体装置の製造方法について説明する。まず、シ
リコン基板１上に熱拡散法により、熱酸化膜としてのシ
リコン酸化膜８を例えば厚み２５オンク゛ストロームにて形成す
る。この熱拡散法における条件としては、例えば酸素と
水素との混合ガス（Ｏ2／Ｈ2）、酸素ガス（Ｏ2）、亜
酸化窒素ガス（Ｎ2Ｏ）および、一酸化窒素ガス（Ｎ
Ｏ）などの酸化性ガスを用いる。Next, a method of manufacturing the semiconductor device of the third embodiment configured as described above will be described. First, a silicon oxide film 8 as a thermal oxide film is formed on the silicon substrate 1 by thermal diffusion at a thickness of, for example, 25 angstroms. Conditions for the thermal diffusion method include, for example, a mixed gas of oxygen and hydrogen (O 2 / H 2 ), oxygen gas (O 2 ), nitrous oxide gas (N 2 O), and nitric oxide gas (N
An oxidizing gas such as O) is used.
【００２１】又、この原料ガスの中でも酸素と水素との
混合ガスを用いる場合は、その流量比を０．１ないし１
０の範囲に設定するのが望ましい。そして、酸化温度は
６００℃ないし１１００℃の範囲にて設定する。この際
の加熱方法は、シリコン基板１をヒータまたはランプな
どに加熱する方法が考えられる。上記条件により形成さ
れたシリコン酸化膜８は、圧縮応力を有する膜となる。When a mixed gas of oxygen and hydrogen is used among these source gases, the flow rate ratio is 0.1 to 1
It is desirable to set it in the range of 0. The oxidation temperature is set in the range of 600 ° C. to 1100 ° C. As a heating method at this time, a method of heating the silicon substrate 1 with a heater or a lamp is considered. The silicon oxide film 8 formed under the above conditions becomes a film having a compressive stress.
【００２２】次に、このシリコン酸化膜８上に、ＣＶＤ
法にて例えば厚み４０オンク゛ストロームのオキシナイトライド
膜９を形成する。このＣＶＤ法における条件としては、
形成温度を８００℃ないし９００℃、反応圧力を０．１
Ｔｏｒｒないし１０Ｔｏｒｒに設定し、また、原料ガス
はジクロロシラン（ＳｉＨ2Ｃｌ2）／アンモニアガス
（ＮＨ3）／亜酸化窒素ガス（Ｎ2Ｏ）などの混合ガスを
用いる。Next, CVD is performed on the silicon oxide film 8.
The oxynitride film 9 having a thickness of, for example, 40 angstroms is formed by the method. Conditions for this CVD method include:
The formation temperature is 800-900 ° C., the reaction pressure is 0.1
The pressure is set to Torr to 10 Torr, and a mixed gas such as dichlorosilane (SiH 2 Cl 2 ) / ammonia gas (NH 3 ) / nitrous oxide gas (N 2 O) is used as a source gas.
【００２３】このＣＶＤ法での形成時に、原料ガスを供
給する方法として、例えば亜酸化窒素ガス→アンモニア
ガス→ジクロロシラン、亜酸化窒素ガス→ジクロロシラ
ン→アンモニアガス、または、亜酸化窒素ガス＋ジクロ
ロシラン（亜酸化窒素ガスとジクロロシランとを同時に
供給する）→アンモニアガス等の供給方法が考えられ
る。At the time of forming by the CVD method, as a method of supplying a raw material gas, for example, nitrous oxide gas → ammonia gas → dichlorosilane, nitrous oxide gas → dichlorosilane → ammonia gas, or nitrous oxide gas + dichlorosilane A method of supplying chlorosilane (supplying nitrous oxide gas and dichlorosilane simultaneously) → ammonia gas or the like can be considered.
【００２４】このように、最初に酸化性ガスとしての亜
酸化窒素ガスを供給し、その後に、アンモニアガスを徐
々に供給することにより、ＣＶＤ法での形成初期段階に
おける窒素濃度を少なくし、徐々に窒素濃度を多くする
ことができる。そして、図４にて示した、アンモニアガ
ス（ＮＨ3）／亜酸化窒素ガス（Ｎ2Ｏ）の流量比と窒素
濃度との関係から、この際の平均流量比をアンモニアガ
ス／亜酸化窒素ガス＝０．００５ないし０．０３３にて
設定すると、形成されたオキシナイトライド膜９の平均
窒素濃度は２．３atm．％ないし６．４atm．％となるこ
とが判る。As described above, by initially supplying the nitrous oxide gas as the oxidizing gas and then gradually supplying the ammonia gas, the nitrogen concentration in the initial stage of the formation by the CVD method is reduced, and gradually. The nitrogen concentration can be increased. Then, based on the relationship between the ammonia gas (NH 3 ) / nitrous oxide gas (N 2 O) flow rate ratio and the nitrogen concentration shown in FIG. 4, the average flow rate ratio at this time was determined as ammonia gas / nitrous oxide gas. = 0.005 to 0.033, the average nitrogen concentration of the formed oxynitride film 9 is 2.3 atm. % To 6.4 atm. %.
【００２５】次に、アニールを行う。このアニールにお
ける条件としては、温度を８００℃ないし１１００℃に
て設定し、時間を５分ないし６０分にて設定し、また、
亜酸化窒素ガス（Ｎ2Ｏ）、一酸化窒素ガス（ＮＯ）、
酸素ガス（Ｏ2）のいずれかを用い、オキシナイトライ
ド膜９内に存在する余分な窒素を、脱窒素或いは再酸化
することにより、当初のオキシナイトライド膜９内に存
在する窒素濃度を減少させている。Next, annealing is performed. As conditions for this annealing, the temperature is set at 800 ° C. to 1100 ° C., the time is set at 5 minutes to 60 minutes, and
Nitrous oxide gas (N 2 O), nitric oxide gas (NO),
Using any of oxygen gas (O 2 ), excess nitrogen present in the oxynitride film 9 is denitrified or reoxidized to reduce the concentration of nitrogen initially present in the oxynitride film 9. Let me.
【００２６】このようにすれば、オキシナイトライド膜
９内の平均窒素濃度を２．３atm．％ないし６．４atm．
％から、平均窒素濃度を０．７atm．％ないし２．６at
m．％に減少させる。このアニール前の窒素濃度と、ア
ニール後の窒素濃度との窒素濃度の変化の関係は、例え
ばアニールの条件の温度を９００℃、時間を７分ないし
１５分にて行う場合は、図５に示すようになり、例えば
オキシナイトライド膜９のアニール前の平均窒素濃度が
５atm．％だとすると、アニール後の平均窒素濃度は約
１．５atm．％となるというように、容易に特定できる
ことが判る。By doing so, the average nitrogen concentration in the oxynitride film 9 is set to 2.3 atm. % To 6.4 atm.
% From 0.7 atm. % To 2.6at
m. %. The relationship between the nitrogen concentration before annealing and the nitrogen concentration after annealing is shown in FIG. 5 when, for example, the annealing temperature is 900 ° C. and the time is 7 to 15 minutes. The average nitrogen concentration of the oxynitride film 9 before annealing is 5 atm. %, The average nitrogen concentration after annealing is about 1.5 atm. %, It can be easily identified.
【００２７】この際形成されたオキシナイトライド膜９
は、シリコン酸化膜８の膜応力を打ち消す膜応力を有す
る膜にて形成されているのはもちろんのこと、オキシナ
イトライド膜９内の窒素濃度は、図３にて示す膜厚と窒
素濃度との関係から明らかなように、シリコン酸化膜８
と接する側から相反する側に連れて徐々に大きくなるよ
うに設定されている。The oxynitride film 9 formed at this time
Is formed of a film having a film stress that counteracts the film stress of the silicon oxide film 8, and the nitrogen concentration in the oxynitride film 9 is, as shown in FIG. As is clear from the relationship, the silicon oxide film 8
Is set so as to gradually increase from the side in contact with to the opposite side.
【００２８】そして、シリコン酸化膜８とオキシナイト
ライド膜９との界面にて膜応力は、図３にて示す膜厚と
膜応力との関係から明らかなように、膜応力が圧縮応力
から引張応力に変化するようなミスフィットが急峻とな
るのを防止している。そして、シリコン酸化膜８および
オキシナイトライド膜９にてなるゲート絶縁膜１０が形
成されることとなる。次に、このゲート絶縁膜１０上に
ゲート電極１１を形成する。The film stress at the interface between the silicon oxide film 8 and the oxynitride film 9 is, as apparent from the relationship between the film thickness and the film stress shown in FIG. This prevents a misfit that changes into stress from becoming steep. Then, a gate insulating film 10 composed of the silicon oxide film 8 and the oxynitride film 9 is formed. Next, a gate electrode 11 is formed on the gate insulating film 10.
【００２９】このように形成されたオキシナイトライド
膜９の平均窒素濃度を０．７atm．％ないし２．６atm．
％と設定したのは、以下のことより決定された。まず、
上記にて示した発明の半導体装置と、上記従来例にて示
したような、ゲート絶縁膜を厚みが６５オンク゛ストロームのシ
リコン酸化膜の単層にて形成された従来の半導体装置と
を用い、同一の電気的ストレスを与えた後、各半導体装
置のリーク電流を測定する。The oxynitride film 9 thus formed has an average nitrogen concentration of 0.7 atm. % To 2.6 atm.
The setting of% was determined from the following. First,
The semiconductor device of the invention described above is the same as the conventional semiconductor device having a gate insulating film formed of a single layer of a silicon oxide film having a thickness of 65 angstroms, as shown in the conventional example. After applying the electrical stress, the leakage current of each semiconductor device is measured.
【００３０】そして、従来の半導体装置のリーク電流を
１とした場合の、本発明の各窒素濃度における半導体装
置のリーク電流比を求めると、図６に示すような関係が
明らかになった。よってこの関係から、従来の半導体装
置よりリーク電流を低減させるためには、オキシナイト
ライド膜９の平均窒素濃度を０．７atm．％ないし２．
６atm．％に設定すればよいことが確認された。When the leak current ratio of the semiconductor device according to the present invention at each nitrogen concentration when the leak current of the conventional semiconductor device was set to 1, the relationship shown in FIG. 6 became clear. Therefore, from this relationship, in order to reduce the leak current as compared with the conventional semiconductor device, the average nitrogen concentration of the oxynitride film 9 should be 0.7 atm. % To 2.
6 atm. It was confirmed that setting to% was sufficient.
【００３１】そして、例えばオキシナイトライド膜９の
アニール後の平均窒素濃度が１．５atm．％となるよう
に形成すると、図６に示すように、リーク電流比は０．
２０となり、従来の半導体装置に比較して、リーク電流
を１／５にすることができる。The average nitrogen concentration of the oxynitride film 9 after annealing is 1.5 atm. %, The leakage current ratio is 0.1% as shown in FIG.
The leakage current can be reduced to 1/5 as compared with the conventional semiconductor device.
【００３２】上記のように構成された実施の形態３の半
導体装置のオキシナイトライド膜９は、シリコン酸化膜
８が有する膜応力を打ち消す膜応力を有するとともに、
図３にて示す膜厚と窒素濃度との関係から明らかなよう
に、窒素濃度がシリコン酸化膜８と接する側から相反す
る側に連れて徐々に大きくなるように形成しているた
め、図３にて示す膜と窒素濃度との関係から、シリコン
酸化膜８との界面にて膜応力のミスフィットが急峻とな
るのを防止している。The oxynitride film 9 of the semiconductor device of the third embodiment configured as described above has a film stress that cancels the film stress of the silicon oxide film 8 and
As is clear from the relationship between the film thickness and the nitrogen concentration shown in FIG. 3, the nitrogen concentration is formed so as to gradually increase from the side in contact with the silicon oxide film 8 to the opposite side. From the relationship between the film and the nitrogen concentration indicated by, the sharpness of the film stress misfit at the interface with the silicon oxide film 8 is prevented.
【００３３】これは例えば、圧縮応力を有するシリコン
酸化膜上に直接、引張り応力を有するオキシナイトライ
ド膜を形成したのでは、シリコン酸化膜とオキシナイト
ライド膜との界面にて、膜応力のミスフィットが急峻と
なり、上記界面にて局部的に格子の歪みが集中する。そ
して、このことにより物理的にも、又、電気的にも弱い
界面を有する膜になると推定されるためであり、実施の
形態３では上述したようにこの原因を回避している。よ
って、電気的ストレスに一層強い半導体装置を得ること
ができる。This is because, for example, when an oxynitride film having a tensile stress is formed directly on a silicon oxide film having a compressive stress, an error in the film stress occurs at the interface between the silicon oxide film and the oxynitride film. The fit becomes steep, and lattice distortion is locally concentrated at the interface. This is presumed to result in a film having an interface that is physically and electrically weak, and the third embodiment avoids this cause as described above. Therefore, a semiconductor device which is more resistant to electric stress can be obtained.
【００３４】[0034]
【発明の効果】以上のようにこの発明の請求項１によれ
ば、シリコン基板上にゲート絶縁膜およびゲート電極が
順次形成されてなる半導体装置において、ゲート絶縁膜
が、シリコン基板上に形成されたシリコン酸化膜と、シ
リコン酸化膜上に形成され、シリコン酸化膜の膜応力を
打ち消す膜応力を有するオキシナイトライド膜とを備え
たので、ゲート絶縁膜の全体としての膜応力が減少する
ため、電気的ストレスに強い半導体装置を提供すること
ができるという効果がある。As described above, according to the first aspect of the present invention, in a semiconductor device in which a gate insulating film and a gate electrode are sequentially formed on a silicon substrate, the gate insulating film is formed on the silicon substrate. A silicon oxide film, and an oxynitride film formed on the silicon oxide film and having a film stress that counteracts the film stress of the silicon oxide film, so that the film stress of the gate insulating film as a whole decreases, There is an effect that a semiconductor device which is resistant to electric stress can be provided.
【００３５】又、この発明の請求項２によれば、請求項
１において、シリコン酸化膜の膜厚を３０オンク゛ストローム未
満としたので、正孔トラップ量を極力減少することがで
きるため、電気的ストレスにより一層強い半導体装置を
提供することが可能という効果がある。According to the second aspect of the present invention, since the thickness of the silicon oxide film is set to less than 30 angstroms in the first aspect, the amount of hole traps can be reduced as much as possible. Thus, there is an effect that a stronger semiconductor device can be provided.
【００３６】又、この発明の請求項３によれば、請求項
１または請求項２において、オキシナイトライド膜の窒
素濃度分布を、オキシナイトライド膜のシリコン酸化膜
と接する側から相反する側に連れて大きくなるように設
定し、且つ、オキシナイトライド膜の平均窒素濃度を
０．７atm．％ないし２．６atm．％としたので、シリコ
ン酸化膜とオキシナイトライド膜との界面での膜応力の
ミスフィットが急峻となるのを防止できるため、電気的
ストレスにより一層強い半導体装置を提供することが可
能という効果がある。According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect, the nitrogen concentration distribution of the oxynitride film is changed from the side of the oxynitride film which is in contact with the silicon oxide film to the side opposite thereto. And the average nitrogen concentration of the oxynitride film is set to 0.7 atm. % To 2.6 atm. %, It is possible to prevent the misfit of the film stress at the interface between the silicon oxide film and the oxynitride film from becoming steep, so that it is possible to provide a semiconductor device which is more resistant to electric stress. is there.
【００３７】又、この発明の請求項４によれば、シリコ
ン基板上にゲート絶縁膜およびゲート電極が順次形成さ
れてなる半導体装置の製造方法において、ゲート絶縁膜
を、シリコン基板上に熱拡散法にて膜厚が３０オンク゛ストロー
ム未満のシリコン酸化膜を形成し、シリコン酸化膜上に
ＣＶＤ法により、シリコン酸化膜と接する側から相反す
る側に連れて窒素濃度が大きくなる窒素濃度分布を有
し、且つ、平均窒素濃度が２．３atm．％ないし６．４a
tm．％となるオキシナイトライド膜を形成し、オキシナ
イトライド膜をアニールにより処理し、平均窒素濃度を
０．７atm．％ないし２．６atm．％とするので、ゲート
絶縁膜の全体としての膜応力が減少し、正孔トラップ量
を極力減少することができ、更に、シリコン酸化膜とオ
キシナイトライド膜との界面での応力のミスフィットが
急峻となるのを防止できるため、電気的ストレスにより
一層強い半導体装置の製造方法を提供することが可能と
いう効果がある。According to a fourth aspect of the present invention, in a method of manufacturing a semiconductor device in which a gate insulating film and a gate electrode are sequentially formed on a silicon substrate, the gate insulating film is formed on the silicon substrate by a thermal diffusion method. Forming a silicon oxide film having a film thickness of less than 30 angstroms, and having a nitrogen concentration distribution in which the nitrogen concentration increases from the side in contact with the silicon oxide film to the opposite side by a CVD method on the silicon oxide film; And an average nitrogen concentration of 2.3 atm. % To 6.4a
tm. % Of an oxynitride film, and the oxynitride film is annealed to obtain an average nitrogen concentration of 0.7 atm. % To 2.6 atm. %, The film stress as a whole of the gate insulating film is reduced, the amount of hole traps can be reduced as much as possible, and the misfit of the stress at the interface between the silicon oxide film and the oxynitride film can be reduced. Since the sharpness can be prevented, there is an effect that it is possible to provide a method for manufacturing a semiconductor device which is more resistant to electric stress.
【００３８】又、この発明の請求項５によれば、請求項
４に記載の半導体装置の製造方法のアニールにおいて、
亜酸化窒素ガス、一酸化窒素ガス、酸素ガスのいずれか
を用い脱窒素或いは再酸化することにより、オキシナイ
トライド膜の平均窒素濃度を０．７atm．％ないし２．
６atm．％とするので、窒素濃度を確実に所望の値にす
ることができる、半導体装置の製造方法を提供すること
が可能という効果がある。According to a fifth aspect of the present invention, in the annealing of the semiconductor device manufacturing method according to the fourth aspect,
By denitrification or reoxidation using any one of nitrous oxide gas, nitric oxide gas and oxygen gas, the average nitrogen concentration of the oxynitride film is set to 0.7 atm. % To 2.
6 atm. %, There is an effect that it is possible to provide a method for manufacturing a semiconductor device in which the nitrogen concentration can be reliably set to a desired value.
【００３９】又、この発明の請求項６によれば、請求項
４または請求項５において、オキシナイトライド膜の原
料ガスとして、亜酸化窒素ガスとアンモニアガスとを用
い、その平均流量比をアンモニアガス／亜酸化窒素ガス
＝０．００５ないし０．０３３にて設定するので、窒素
濃度を確実に所望の値にすることができる、半導体装置
の製造方法を提供することが可能という効果がある。According to a sixth aspect of the present invention, in the fourth or fifth aspect, a nitrous oxide gas and an ammonia gas are used as a raw material gas of the oxynitride film, and the average flow ratio of the nitrous oxide gas and the ammonia gas is adjusted to the ammonia. Since the gas / nitrous oxide gas is set at 0.005 to 0.033, there is an effect that it is possible to provide a method for manufacturing a semiconductor device, which can surely make the nitrogen concentration a desired value.
【図１】 この発明の実施の形態１による半導体装置の
構成を示す断面図である。FIG. 1 is a sectional view showing a configuration of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention;
【図２】 この発明の実施の形態２による半導体装置の
シリコン酸化膜膜厚と正孔トラップ量との関係を示す図
である。FIG. 2 is a diagram showing a relationship between a silicon oxide film thickness and a hole trap amount of a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention;
【図３】 この発明の実施の形態３による半導体装置の
構成を示す断面図、膜厚と窒素濃度との関係を示す図、
および膜厚と膜応力との関係を示す図である。FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention, a diagram illustrating a relationship between a film thickness and a nitrogen concentration,
FIG. 4 is a diagram illustrating a relationship between film thickness and film stress.
【図４】 この発明の実施の形態３によるアンモニアガ
ス／亜酸化窒素ガスの流量比と窒素濃度との関係を示す
図である。FIG. 4 is a diagram showing a relationship between a flow rate ratio of ammonia gas / nitrous oxide gas and nitrogen concentration according to Embodiment 3 of the present invention.
【図５】 この発明の実施の形態３によるアニール後の
窒素濃度とアニール前の窒素濃度との関係を示す図であ
る。FIG. 5 is a diagram showing a relationship between a nitrogen concentration after annealing and a nitrogen concentration before annealing according to a third embodiment of the present invention.
【図６】 この発明の実施の形態３による窒素濃度とリ
ーク電流比との関係を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing a relationship between a nitrogen concentration and a leak current ratio according to a third embodiment of the present invention.
【図７】 従来の半導体装置の構成を示す断面図であ
る。FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a conventional semiconductor device.
１ シリコン基板、４，８ シリコン酸化膜、５，９
オキシナイトライド膜、６，１０ ゲート絶縁膜、７，
１１ ゲート電極。1 silicon substrate, 4,8 silicon oxide film, 5,9
Oxynitride film, 6,10 Gate insulating film, 7,
11 Gate electrode.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小林 清輝 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 緒方 完 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Seiki Kobayashi 2-3-2 Marunouchi, Chiyoda-ku, Tokyo Mitsui Electric Co., Ltd. (72) Inventor Kan Ogata 2-3-2 Marunouchi, Chiyoda-ku, Tokyo 3 Rishi Electric Co., Ltd.
Claims (6)
ート電極が順次形成されてなる半導体装置において、上
記ゲート絶縁膜が、上記シリコン基板上に形成されたシ
リコン酸化膜と、上記シリコン酸化膜上に形成され、上
記シリコン酸化膜の膜応力を打ち消す膜応力を有するオ
キシナイトライド膜とを備えたことを特徴とする半導体
装置。In a semiconductor device having a gate insulating film and a gate electrode sequentially formed on a silicon substrate, the gate insulating film is formed on a silicon oxide film formed on the silicon substrate and on the silicon oxide film. An oxynitride film formed and having a film stress for canceling the film stress of the silicon oxide film.
未満としたことを特徴とする請求項１記載の半導体装
置。2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the thickness of the silicon oxide film is less than 30 Å.
を、上記オキシナイトライド膜のシリコン酸化膜と接す
る側から相反する側に連れて徐々に大きくなるように設
定し、且つ、上記オキシナイトライド膜の平均窒素濃度
を０．７atm．％ないし２．６atm．％としたことを特徴
とする請求項１または請求項２に記載の半導体装置。3. The nitrogen concentration distribution of the oxynitride film is set so as to gradually increase from the side of the oxynitride film in contact with the silicon oxide film to the side opposite to the silicon oxide film; Average nitrogen concentration of 0.7 atm. % To 2.6 atm. 3. The semiconductor device according to claim 1, wherein the ratio is set to%.
ート電極が順次形成されてなる半導体装置の製造方法に
おいて、上記ゲート絶縁膜が、シリコン基板上に熱拡散
法にて膜厚が３０オンク゛ストローム未満のシリコン酸化膜を形
成する工程と、上記シリコン酸化膜上にＣＶＤ法によ
り、上記シリコン酸化膜と接する側から相反する側に連
れて徐々に窒素濃度が大きくなる窒素濃度分布を有し、
且つ、平均窒素濃度が２．３atm．％ないし６．４atm．
％となるオキシナイトライド膜を形成する工程と、上記
オキシナイトライド膜をアニールにより処理し、平均窒
素濃度を０．７atm．％ないし２．６atm．％とする工程
とにて形成されることを特徴とする半導体装置の製造方
法。4. A method of manufacturing a semiconductor device in which a gate insulating film and a gate electrode are sequentially formed on a silicon substrate, wherein the gate insulating film has a thickness of less than 30 angstroms on the silicon substrate by a thermal diffusion method. A step of forming a silicon oxide film, and having a nitrogen concentration distribution in which the nitrogen concentration gradually increases from a side in contact with the silicon oxide film to a side opposite to the silicon oxide film by a CVD method on the silicon oxide film;
And an average nitrogen concentration of 2.3 atm. % To 6.4 atm.
% Of the oxynitride film, and annealing the oxynitride film to obtain an average nitrogen concentration of 0.7 atm. % To 2.6 atm. %. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
のアニールにおいて、亜酸化窒素ガス、一酸化窒素ガ
ス、酸素ガスのいずれかを用い脱窒素或いは再酸化する
ことにより、オキシナイトライド膜の平均窒素濃度を
０．７atm．％ないし２．６atm．％とすることを特徴と
する半導体装置の製造方法。5. The oxynitride film according to claim 4, wherein the oxynitride film is denitrified or reoxidized using any one of a nitrous oxide gas, a nitric oxide gas and an oxygen gas. Average nitrogen concentration of 0.7 atm. % To 2.6 atm. % Of the semiconductor device.
て、亜酸化窒素ガスとアンモニアガスとを用い、その平
均流量比をアンモニアガス／亜酸化窒素ガス＝０．００
５ないし０．０３３にて設定することを特徴とする請求
項４または請求項５に記載の半導体装置の製造方法。6. A nitrous oxide gas and an ammonia gas are used as raw material gases for the oxynitride film, and the average flow ratio is ammonia gas / nitrous oxide gas = 0.00.
6. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein the value is set at 5 to 0.033.
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|---|---|---|---|
| JP05922797A JP3277193B2 (en) | 1997-03-13 | 1997-03-13 | Semiconductor device and method of manufacturing semiconductor device |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003188377A (en) * | 2001-09-27 | 2003-07-04 | Agere Systems Inc | Method and structure for improving oxide/silicon-nitride interface substructure |
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| JP2005150704A (en) * | 2003-10-17 | 2005-06-09 | Interuniv Micro Electronica Centrum Vzw | Method of processing semiconductor device comprising silicon oxide nitride dielectric film |
| US7981791B2 (en) | 2000-03-07 | 2011-07-19 | Asm International N.V. | Thin films |
-
1997
- 1997-03-13 JP JP05922797A patent/JP3277193B2/en not_active Expired - Fee Related
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