JPS6263434A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JPS6263434A
JPS6263434A JP21388186A JP21388186A JPS6263434A JP S6263434 A JPS6263434 A JP S6263434A JP 21388186 A JP21388186 A JP 21388186A JP 21388186 A JP21388186 A JP 21388186A JP S6263434 A JPS6263434 A JP S6263434A
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JP
Japan
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film
silicon
silicon nitride
electrode
nitride film
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JP21388186A
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English (en)
Inventor
Katsumi Miyauchi
宮内 克己
Kenzo Susa
憲三 須佐
Kiichiro Mukai
向 喜一郎
Yokichi Ito
伊藤 容吉
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、高誘電率絶縁薄膜を使用する半導体装置に関
するものである。
〔従来の技術〕
シリコン半導体のMOS (Metal−Oxide 
−8aiiconductor)技術には、従来ゲート
絶縁膜として、界面特性の良好な熱酸化SiO□膜が用
いられてきた。しかし、5i02は誘電率が低いという
欠点を有しているため、高集積MO8・F E T (
F 1eld −E ffect、 −Transis
tor)  を構成した場合、小領域で(1)大きな静
電容置がとれない、(2)充分なトランスコンダクタン
スがとれないという欠点を有していた。これに対し、上
記5i02に代るべき絶縁膜として、近年、誘電率が高
くシリコンとの界面の電気特性が良好であり、かつ不純
物の拡散に対するバリヤー特性のすぐれている窒化シリ
コンを、ゲート絶縁膜として使用する試みが進められて
いる。これは現在まで、シリコンと窒素ガスとの高温窒
化反応で作成する方法が最もすぐれた特性を示すことが
報告されている。
〔発明が解決しようとする問題点〕
しかし、この方法は(1)1200℃以上の高温を必要
とする。(2)窒化シリコン膜厚を約100Å以上にす
ると多結晶化し、均質かつ電気特性の良好な膜が得られ
ない、とい)重大な欠点を有している。
本発明の目的は、これらの欠点を除いた半導体装置を提
供することにある。
〔問題点を解決するための手段〕
上記目的は、低温にて窒素、アンモニア、およびこれら
の混合ガスプラズマとシリコンウェハーとを直接反応さ
せることによって、窒化シリコン膜をシリコンウェハー
上に生成させ、該窒化シリコン膜上に、さらに高誘電率
薄膜又は5i02膜を成長させ、M I S (Met
al −I n5ulator −8emicondu
ctor)特性の良好な、多層絶縁膜を有する半導体装
置によって達成される。すなわち。
MOSに代わるMISトランジスタのゲート絶縁膜やM
ISキャパシタ等、単体または集積回路を構成する素子
の絶縁膜を単結晶または多結晶シリコン基板上に構成し
ようとするものである。さらに、高誘電率薄膜を適切に
選択することにより、半導体不揮発性記憶素子を構成す
るものである。
〔実施例〕
以下、本発明を実施例によって詳しく説明する。
実施例1゜ 第1図において1石英製反応管1とこれを加熱するサブ
ヒーター2とからなる反応系に、あらかじめ化学的に洗
浄したSiウェハー5を試料支持台4とを共に挿入する
。本反応系をソープションポンプ6により排気し、その
後、N2ガスボンベ8がN2ガスを水分と酸素を除去す
るガス純化器10を通して反応管1に導入する。排気と
窒素ガス導入を数回繰り返し、反応管内を高純度窒素雰
囲気にする。つぎにニードルバルブ7.7′を用い、窒
素流量を100ee/mir+反応管内圧力をammH
gに制御する。ガス圧は真空計9によってモニターされ
る。
プラズマ窒化反応は、反応系をサブヒーター2によって
所定の温度に加熱し、周波数2.45GHzのマイクロ
波共振器3によりプラズマを励起し、窒素プラズマSi
を直接反応させるものである。反応温度を1000℃2
反応時間を15分。
共振器出力を50Wとした場合、膜厚約200人の窒化
シリコンを容易に作成できた。膜圧は1反応条件により
、比較的自由に変化させることができる。
なお、シリコンウェハー5に、窒素プラズマに対し、正
の電圧をバイアスすることによっても。
窒化反応が促進される。
また、共振器の周波数、出力などは1本実施例に示した
ものに限られるものではない、さらに。
試料の加熱方法も、本方法に限られるものでなく、内熱
法およびプラズマによる直接加熱法なども有効である。
つぎに反応ガスとして、アンモニアガスを用いた場合、
N2ガスの場合の1000℃に対応する反応温度は80
0℃となり、低温でも窒化シリコン膜が得られる。
次に本発明の窒化シリコン薄膜を半導体装置に適用した
実施例を第2図に示す。第2図(a)は。
シリコン基板11上に熱酸化等で厚い5iOz膜12(
厚さ0.5〜1.0μm)を形成し、その一部を除去し
てシリコン表面を露出した後、本発明の方法を用いて窒
化シリコン膜13,100λを形成する。
次にその上に多結晶シリコン膜の電極15を形成する。
14はさらにその上に被着した保護膜である。多結晶シ
リコン電極15とシリコン基板11間に窒化シリコン膜
13を誘電体とするMISキャパシタが構成できる。
第2図(b)は(a)と同様の方法で窒化シリコン膜1
3をゲート絶縁膜とするM I S FETを構成した
ものである。16は11と導電性を異にする不純物を高
濃度に添加したFETのソースまたはドレーン領域であ
る。
第2図(c)は、(b)と同様の方法で作られたMIS
FETにおいて、ゲート電極が2層構造を成し、第1層
(下側)のゲート電極下の絶縁膜はシリコン基板を窒化
した窒化シリコン膜13からなり第1層ゲート15と第
2ゲート電極18間の絶縁膜17は第1層の多結晶シリ
コン膜15を窒化した窒化シリコン膜17からなる。な
お。
19はソースおよびドレイン電極である。
上記の素子はいずれも従来のSiO□膜等を絶縁膜とす
るいわゆるMOS形の素子に比べて初めに述べた様な利
点を有する。また必要に応じて窒化シリコン膜とCvD
 S】02膜等の重ね合わせ膜を用いることができるこ
とは勿論である。
以下の実施例においてこれを示す。
実施例2゜ 化学的に充分洗浄したシリコンウェハーを熱窒化し1表
面に約50人の窒化シリコン膜を成長させる。つづいて
、この窒化シリコン膜上にさらにCVD法により、窒化
シリコン膜を作成し、該膜厚を約1200人とする。な
お典型的なCVD条件の例は、N2をキャリアーガスと
してSj、H。
とNH4を1:100の割合で送り、800℃の温度で
反応させるものである。
この絶縁膜上にAN電極を蒸着し、MISダイオードの
静電容量−電圧曲線を測定した結果が第3図である。こ
こに、21は変調周波数IMHzで、22は10Hzで
測定したものである。ここに用いたSi基板は、ドーピ
ング濃度5×1O15のn型である。またこのMISダ
イオードのF 1xed −Chargo −D en
sityは5X10”1./cd。
バンドギャップ中心付近の界面準位密度は3 X 10
 ” 1 / d−e vである。このように本発明を
用いれば、窒化シリコンの膜圧を任意に変化させること
ができ、かつ−8iとの界面準位密度を5i02とSt
とのそれと同等程度におさえることができる。全く同様
にして本発明はP型のSi基板を用い表面にn型反転層
を生成するいわゆるnチャネルデバイスに適用できるこ
とは勿論である。
次に、本発明の窒化シリコン膜を半導体装置に適用した
実施例を第4図(a)、(b)に示す。第4図(a)は
、シリコン基板31上に熱酸化等で厚い5i02膜32
(厚さ0.5〜1.0μm)を形成し、その一部を除去
してシリコン表面を露出した後、本発明の方法を用いて
窒化シリコン膜33.34をそれぞれ50λ、950人
形成する。
次にその上に多結晶シリコン膜の電極36を形成する。
5は、さらにその上に被着した保護膜である。多結晶シ
リコン電極36とシリコン基板31間に窒化シリコン膜
33.34を誘電体とするMISシャパシタが構成でき
る。
第4図(b)は、(a)と同様の方法で窒化シリコン膜
33.34をゲート絶縁膜とするMIS・FETを構成
したものである。38は31と導電性を異にする不純物
を高濃度に添加したFETのソースまたはドレーン領域
である。37は金属電極である。
上記の素子はいずれも従来のSiO2膜等を絶縁膜とす
るいわゆるMOS形の素子に比べて、はじめに述べた様
な利点を有する。また、第2層のCV D  S l 
3 N a膜は、スパッタリング等によっても作成可能
である。
実施例3゜ 本実施例は、 MNOS (Metal−Nitrid
e −0xide−8ei+1conduetor) 
、あるいは、強誘電薄膜ゲートFETと呼ばれる電気的
に書き換え可能な不揮発性メモリーの特性を大幅に改良
することを目的としたものである。すなわち、これら素
子においては、前者では、絶縁体の誘電率が低いため、
後者は強誘電体の抗電場が高いため、書き込みおよび消
去時に例えば20V以上の高電圧が必要となるという欠
点を有していた。また後者では。
強誘電体の分極反転速度が遅いため、記憶装置の書き込
み消去時間が長くなるという欠点を有している。
本実施例は、これらの欠点を除くためになされたもので
、高速、低電圧書き込み、消去を可能とならしめる素子
を提供するものである。
第5図(a)は、本発明の一実施例を示す半導体不揮発
性記憶装置の断面図である。41はシリコン半導体42
は拡散もしくはイオン打込み等で作成されたシリコン基
体と導電性を異にする不純物を高濃度に添加したソース
およびドレイン領域、43はシリコン半導体基体表面に
熱酸化等で形成された5i02膜(厚さ0.5〜1.0
μm)。
44は43の5i02の一部を除去してシリコン表面を
露出した後、高温窒化などにより作成した20〜100
人厚みのSi3N、膜である。45は0.1〜1.0μ
m厚みのチタン酸バリウムをスパッタリングなどで作成
した薄膜、46はアルミニウムまたはポリシリコンなど
のゲート電極、47は絶縁保厩膜、48は引き出し電極
である。
本発明の主たる特徴は、Si3N4膜とチタン膜バリウ
ムなどの高誘電率誘電体薄膜との二層薄膜を用いること
である。とくにS i 3 N 4膜を用いる理由は以
下の二つである。■Siとの界面準位密度などの電気特
性を、Sj、02とSiとの界面特性と同等程度にでき
る。■チタン酸バリウム等の高誘電率誘電体を作成する
際高温での熱処理が必要であるが、Si3N4膜がチタ
ン酸バリウムのSi中への拡散のバリヤーとなる。
Si3N4の代りに5in2Lなどを用いれば、相互拡
散によりSiとの界面特性が著しく低下する。
本発明になる素子の動作原理は、10v以下の低電圧で
書き込み消去ができる点を除き、M N OS型不揮発
性記憶素子と類似である。しかし、低電圧(例えば10
v程度)で書き込み消去が可能であるということは、半
導体システムから見て大きな利点である。また、本素子
の構成は、従来の強誘電体の分極反転を用いる強誘電体
薄膜ゲート半導体不揮発性記憶素子と著しく異なってい
る。すなわち、分極反転を必要としないため高速書込み
、消去が可能となり、かつ、ゲート絶縁膜の誘電率が高
いため、低電圧書込み消去ができることが著しい特徴で
ある。
第5図(b)は1本発明の他の実施例を示したものであ
る。第5図(a)とほとんど同じ構造であるが1本実施
例の場合、チタン酸バリウムとSi3N4との界面にチ
タンあるいはポリシリコンなどの金属層49を導入した
。これは、Si3N、とチタン酸バリウムの界面に注入
されるべきキャリヤーのトラップ濃度を高めるためのも
のである。
なお、チタン酸バリウムにかわる高誘電率膜としては、
Nb205 + TiO21Taz Os +K(Ta
Nb)03.Pb(Zr1Ti)03などを挙げること
ができる。
〔発明の効果〕
以上説明したごとく本発明によれば、シリコンとの界面
特性の良好な高誘電率絶縁膜を容易に作成することがで
きる。また、これをゲート絶縁膜として使用することに
より、高積集MISFETや、不揮発性記憶装置の諸特
性を著しく改善することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の実施例において用いた製造装置の概略
図、第2図は本発明の半導体装置の断面図、第3図は本
発明の方法により製造したMISり゛ ダイオードの静電容量と電圧との関係を示す/ラフ 2、第4図ならびに第5図は本発明の半導体装置の断面
図である。 各図において、5はSiウェハー、6はソープションポ
ンプ、8はN2ガスボンベ、11はシリコン基板、13
は窒化シリコン膜、15は多結晶シリコン膜、17は窒
化シリコン膜、31はシリコン基板533および34は
窒化シリコン膜、41はシリコン半導体、44は窒化シ
リコン膜、45はチタン酸バリウム膜、46はゲート電
極、49はチタンもしくは多結晶シリコン等の金属層で
ある。 禎 Z 図 (oL) (b) (C) 第 3 図 $ 4.’7 (”′ (a)

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1、シリコン上に窒化シリコン膜を形成し、その上にさ
    らに高誘電率薄膜又はSiO_2膜を形成してなる多層
    膜を有することを特徴とする半導体装置。
JP21388186A 1986-09-12 1986-09-12 半導体装置 Pending JPS6263434A (ja)

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JP4207179A Division JPS55134937A (en) 1979-04-09 1979-04-09 Preparation of semiconductor device

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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5199980A (en) * 1975-02-28 1976-09-03 Fujitsu Ltd mis gatahandotaisochi

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5199980A (en) * 1975-02-28 1976-09-03 Fujitsu Ltd mis gatahandotaisochi

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