JPS6387772A - Mis形容量 - Google Patents

Mis形容量

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JPS6387772A
JPS6387772A JP19446887A JP19446887A JPS6387772A JP S6387772 A JPS6387772 A JP S6387772A JP 19446887 A JP19446887 A JP 19446887A JP 19446887 A JP19446887 A JP 19446887A JP S6387772 A JPS6387772 A JP S6387772A
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JP
Japan
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film
silicon
silicon nitride
nitride film
mis
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JP19446887A
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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MI8形容量に関し、詳しくは、高誘電率絶縁
薄膜を有するMIS形容t(こ関するものである。
〔従来の技術〕
シリコン半導体のMO8(Metal −0xide 
−8emiconductor )技術には、従来トラ
ンジスタのゲート絶縁膜や容量へ容量絶縁膜として、界
面特許の良好な熱酸化5in2 膜が用いられてきた。
〔発明が解決しよ(rとする問題点〕
しかし、5t02は誘電率が低いという欠点を有してい
るため、MO8−FET(Field−Effect−
Transistor )や容量を構成した場合、小領
域で(1)大きな静電容量がとれない% (2+十分ナ
トラシ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S i 02に代るべき絶縁膜
として、近年、誘電率が扁くシリコンとの界面の電気特
許が良好であり、力)っ不純物の拡散に対するバリヤー
特許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
リコンさ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。しかし、
この方法は(111200’O以上の高温を必要とする
(2)窒化シリコン膜厚を約100λ以上番こすると多
粕晶化し、均質かつ電気特性の良好な膜が得られない、
という重大な欠点を有している。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明は、これらの欠点を除くためになされたもので、
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
よりて、窒化シリコン膜をシリコンウニ・・−上に生成
させ、さらにこの上lこ高誘電率薄膜を成長させ、M 
I S (Metal −Insulator−8em
iconductor)  fF性の良好な、多層絶縁
膜有するMI8形容量を提供するものである。すなわち
、MISキャパシタの上記多層絶縁膜を単結晶または多
結晶シリコン上に形成しようとするものである。さらに
、上記多層絶縁膜。
縁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。
〔作用〕 直接窒化によって窒化シリコン膜を形成すると、シリコ
ン上の自然酸化膜が窒化されて、窒化シリコン膜番こな
るので、自然酸化膜による誘電率の低下が防止される。
上記窒化シリコン膜上に、CvDもしくはスバ、タリン
グGこよって形成された第2の窒化シリコン膜を有して
いるので、上部電極との界面特性も良好になる。
〔実施例〕
実施例1 第1図1こおいて、石英製反応管1とこれを加熱するサ
ブヒーター2と力)らなる反応系番こ、あらかじめ化学
的に洗浄した8iウエノ・−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からN 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。つぎにニードルパルプ7.7′
を用い、窒素流量を100 c c/mm  反応管内
圧力を8mm Hg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2.45 GHzのマイク
ロ波共振器3によりプラズマを励起し、窒素プラズマと
8iを直接仄応させるものである。
反応温度を1000 ’Os反応時間を15分、共振器
出力を50Wとした場合、膜厚的200にの窒化シリコ
ンを容易に作成できた。膜圧は、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、本実施例に示した
ものに限られるものではない。本らζこ、試料の加熱方
法も、本方法に限られるものではなく、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、
N ガスの場合の1000 ’Oに対応する反応温度は
800 ’C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S + 02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13,100人を形成する。
次をこ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(bl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MISFETを構成したもので
ある。16は11と導電性を異にする不紳物を高濃度に
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領域である。
上記の素子はいずれも従来のS t 02膜等を絶絶膜
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c
vosio□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 化学的に十分洗浄したシリコン基板ノ・−を熱窒化し、
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1200λとする。
なお典型的なCvD条件の例は、N をキャリアーガス
としてS iH4とNHを1:100の割合で送り、S
OO℃の温度で反応させるものである。、 この絶縁膜上にAj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I MH2F、22は10 H
z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!’i X 10”のn型である。またこ
のMISダイオードのFixed−Charge−De
ns i tyは5 X 101G 1/an2バンド
ギヤツプ中心付近の界面準位密度は3 X 10” 1
膜cm2evである。 コノ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、Siと界面準位密度を8i02と8i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基板を用い底面にn型反転層を生成するい
わゆるnチャネルデパイヌ(こ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(al 、 (blに示す。第4図fa
)は、シリコン基板31上に熱酸化等で厚い8i02 
  □膜32(厚さ0.5〜1.0μm)に形成し、そ
の−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50
λ、959入形成する。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(こ窒化シリコン膜33.34を誘電体とするM
I8キャパシタが構成する。
第4図(bl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MI8−F’gTを構
成したものである。3B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8i02膜等を絶縁膜とす
るいわゆるMOS形の素子番こ比べて、はじめに述べた
様な利点を有する。また、第2層のCVD8i3N4膜
は、スパッタリング等番こよっても作成可能である。
実施例3 本実施例は、MNOS(Metal−Nitride−
Oxide−8膜miconductor )、あるい
は、強誘電薄膜ゲー)FBTとよ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rため、後者は強
誘電体の抗−電場が高いため、薔き込みおよび消去時1
こ例えば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
板と導電性を異ζこ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Sin、膜(厚さ0.5〜1.
0μm)、44は43のSiO□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2
0〜100に厚みのSi3N4膜である。 45は0.
1〜1.0μm厚みのチタン酸バリウムをスパッタリン
グfλ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は絶縁保護膜、4
8は引き出し電極である。
本発明の主たる特徴は、Si3 N4膜とチタン酸バリ
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Si3N4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、
5in2とSiとの界面特性と同等程度(こできる。■
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、St、N4 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。8i3N
4の代りにSiO□などを用いれば、相互拡散により8
i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
書き辺み消去ができる点を除き、MNO8型不揮発性記
憶素子と類似である。しかし、低電圧(例えばIOV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りている。
すなわち、分極反転を必要としないため高速書込み消去
か可能となり、力1つ、ゲート絶縁膜の誘1を率が高い
ため、低電圧書き込み消去ができることが著しい特徴で
ある。
第5図(blは、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、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、Si、N4 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、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lこかかわる高誘電率膜として
はNb20!l 、TiO2、Ta20. 。
K(TaNb)03’ 、Tb(ZrITi)0.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ζこよれば、シリコンと、の
界面特性の良好な高誘電率絶縁膜を有する大容量小面積
のキャパシターを容易に作成することができる。
【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、菓2図は本発明の方法により製造した半導体装置の
断面図、第3図は本発明の方法により製造したMISダ
イオードの静電容量と電圧との関係を示すグラフ、第4
図ならびに第5図は本発明の方法ζこより製造した半導
体装置の断面図である。 各図において、記号5は8iウニ/)、5はソーブシ、
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、1
7は窒化シリコン膜、31はシリコン基板、33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帖晶シリコン等の金
属層である。 第2巴 CtQ) (D 第3目 第4固 (θ (υ Z

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、多結晶もしくは単結晶シリコンからなる下部電極の
    表面上に形成された窒化シ リコン膜と、該窒化シリコン膜上に 形成された該窒化シリコン膜より膜厚の大きさの第二の
    窒化シリコン膜と、該第2の窒化シリコン膜上に形成さ
    れた導電性膜からなる電極を有することを特徴とするM
    IS形容量。
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