KR20060004649A - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents

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Abstract

A method for manufacturing a semiconductor device is disclosed which enables to suppress decrease in the mobility in a channel region by suppressing piercing of boron through a gate insulating film which boron is ion-implanted into a gate electrode. The method for manufacturing a semiconductor device comprises a step for forming a gate insulating layer on an active region of a semiconductor substrate, a step for introducing nitrogen through the front surface of the gate insulating layer using active nitrogen, and a step for conducting an annealing treatment in an NO gas atmosphere so that the nitrogen concentration distribution in the nitrogen-introduced gate insulating layer is high on the front surface side and low on the side of the interface with the semiconductor substrate.

Description

반도체 장치의 제조 방법{METHOD FOR MANUFACTURING SEMICONDUCTOR DEVICE}Method for manufacturing a semiconductor device {METHOD FOR MANUFACTURING SEMICONDUCTOR DEVICE}

본 발명은, 반도체 장치의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 질소를 포함하는 게이트 절연막을 갖는 반도체 장치의 제조 방법에 관한 것이다. TECHNICAL FIELD This invention relates to the manufacturing method of a semiconductor device. Specifically, It is related with the manufacturing method of the semiconductor device which has the gate insulating film containing nitrogen.

반도체 집적 회로 장치의 집적도의 향상, 동작 속도의 향상을 위해, 구성 요소인 MOSFET는 소형화되고, 게이트 절연막은 박막화된다. 게이트 절연막 위에 형성되는 게이트 전극은, 통상 폴리실리콘층, 또는 폴리실리콘층과 실리사이드층의 적층으로 형성된다. 폴리실리콘층은, 통상 소스/드레인 영역과 동시에 불순물이 이온 주입된다. 표면 채널형 n 채널 MOSFET의 게이트 전극, 소스/드레인 영역에는 n형 불순물이 이온 주입된다. 표면 채널형 p 채널 MOSFET의 게이트 전극, 소스/드레인 영역에는 p형 불순물이 이온 주입된다. In order to improve the integration degree and the operation speed of the semiconductor integrated circuit device, the component MOSFET is downsized and the gate insulating film is thinned. The gate electrode formed on the gate insulating film is usually formed by laminating a polysilicon layer or a polysilicon layer and a silicide layer. In the polysilicon layer, impurities are usually ion-implanted at the same time as the source / drain regions. N-type impurities are ion implanted into the gate electrode and the source / drain region of the surface channel type n-channel MOSFET. P-type impurities are ion implanted into the gate electrode and the source / drain regions of the surface channel type p-channel MOSFET.

게이트 절연막이 얇아지면, 표면 채널형 p 채널 MOSFET의 게이트 전극에 이온 주입된 p형 불순물인 붕소가 게이트 절연막을 관통하여, 채널 영역에 도달하게 되는 현상이 발생한다. n형 영역인 채널 영역에 붕소가 주입되면, 임계값을 변동시킬 뿐만 아니라, 이동도가 열화한다. When the gate insulating film becomes thin, a phenomenon occurs in which boron, a p-type impurity ion-implanted into the gate electrode of the surface channel type p-channel MOSFET, passes through the gate insulating film and reaches the channel region. When boron is injected into the channel region, which is an n-type region, not only the threshold value is changed but also the mobility is degraded.

게이트 절연막에 질소를 도입하는 것이 붕소의 관통을 억제하기 위해 유효하 다는 것이 알려져 있다. 산화 실리콘막 내에 질소를 도입하기 위해, NH3 가스, NO 가스, N2O 가스 등의 질화성 가스 분위기 속에서 저항 가열이나 램프 가열에 의해 실리콘 기판을 가열하는 방법이 알려져 있다. 질소 플라즈마를 이용하여, 산화 실리콘막 표면에, 보다 고농도의 질소를 도입하는 방법도 알려져 있다. It is known that introducing nitrogen into the gate insulating film is effective for suppressing boron penetration. In order to introduce nitrogen into a silicon oxide film, a method of heating a silicon substrate by resistance heating or lamp heating in a nitriding gas atmosphere such as NH 3 gas, NO gas or N 2 O gas is known. A method of introducing a higher concentration of nitrogen to the silicon oxide film surface by using nitrogen plasma is also known.

게이트 절연막이 얇아지면, 게이트 전극과 채널 영역과의 사이에 터널 전류가 흘러, 게이트 누설 전류가 증가하는 현상도 알려져 있다. 산화 실리콘의 게이트 절연막(의 일부) 대신에, 유전율이 보다 높은 고유전율 절연막을 이용하면, 반전 용량 환산 막 두께를 얇게 억제하면서, 물리적 막 두께를 두껍게 하여, 게이트 누설 전류를 억제할 수 있다. 질화 산화 실리콘은, 일반적으로 산화 실리콘보다 유전율이 높고, 반전 용량 환산 막 두께를 억제하면서, 물리적 막 두께를 두껍게 하는 것에도 유효하다. When the gate insulating film becomes thin, a phenomenon is known in which a tunnel current flows between the gate electrode and the channel region, and the gate leakage current increases. If a high dielectric constant insulating film having a higher dielectric constant is used instead of a part of the gate insulating film of silicon oxide, it is possible to reduce the thickness of the inversion capacitance conversion film and to increase the physical film thickness to suppress the gate leakage current. Silicon nitride oxide generally has a higher dielectric constant than silicon oxide, and is effective for thickening physical film thickness while suppressing inversion capacity conversion film thickness.

일본 특개 2002-198531호는, 실리콘 기판 위에 형성한 산화 실리콘의 게이트 절연막에 리모트 플라즈마 질화 처리에 의해 질소를 도입하고, 계속해서 800℃∼1100℃, N2O 분위기 속에서 게이트 절연막을 산화 질화 어닐링함으로써, 질소를 재분포시켜, 균일한 질소 농도를 갖는 게이트 절연막을 형성하는 것을 제안하고 있다. 6at% 이상, 예를 들면 8at%, 10at%의 균일한 질소 농도를 갖는 게이트 절연막을 형성함으로써, 수명이 길고, 신뢰성이 높은 트랜지스터가 얻어진다고 설명하고 있다. Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2002-198531 discloses nitrogen introduced into a gate insulating film of silicon oxide formed on a silicon substrate by a remote plasma nitridation treatment, and subsequently oxidizes and anneals the gate insulating film in an 800C to 1100C and N 2 O atmosphere. As a result, it is proposed to redistribute nitrogen to form a gate insulating film having a uniform nitrogen concentration. It is explained that a transistor having a long lifetime and high reliability can be obtained by forming a gate insulating film having a uniform nitrogen concentration of 6 at% or more, for example, 8 at% and 10 at%.

여기서, 리모트 플라즈마 질화란, 기판을 수용한 처리실과는 다른 플라즈마 발생실 내에서 마이크로파 등에 의해 질소 플라즈마를 발생시켜서, 활성 질소를 처리실에 반송하여 질화를 행하는 처리이다. Here, the remote plasma nitriding is a process of generating nitrogen plasma by microwave or the like in a plasma generating chamber different from a processing chamber accommodating a substrate, and conveying active nitrogen to the processing chamber to perform nitriding.

N2O 분위기에서 어닐링을 행하면, N2O 가스의 일부는 N2, O2, NO 등으로 분해되는 것이 생각되고, 산화막 두께 증가량, 질소 농도 증가량의 웨이퍼면 내의 균일성, 웨이퍼 간의 균일성을 제어하는 것에 문제가 생길 수 있다. When annealing is performed in an N 2 O atmosphere, a part of the N 2 O gas is considered to be decomposed into N 2 , O 2 , NO, and the like. Problems can arise with control.

일본 특개 2002-110674호는, Si 기판측의 계면 근방에 질소가 들어가면 MOS 트랜지스터의 이동도가 저하하기 때문에, Si 기판 계면 근방의 질소 농도를 억제하고, 게이트 누설 전류를 저감하기 위해 막 표면측에 많은 질소를 도입하는 것을 제안한다. 미리 질소를 도입한 실리콘 산질화막에 질소 가스를 이용한 래디컬 질화를 행함으로써, 표면으로부터 확산하는 질소류를 억제하여, 실리콘 기판 계면 부근에의 질소의 도입량을 억제하고, 막 표면의 질소 농도를 높게 하는 것을 제안하고 있다. In Japanese Patent Laid-Open No. 2002-110674, when nitrogen enters the interface near the Si substrate, the mobility of the MOS transistor decreases, so that the concentration of nitrogen in the vicinity of the Si substrate interface is suppressed and the film surface side is reduced in order to reduce gate leakage current. It is suggested to introduce a lot of nitrogen. By performing radical nitridation using nitrogen gas to the silicon oxynitride film into which nitrogen has been introduced in advance, it is possible to suppress nitrogen flows from the surface, to suppress the amount of nitrogen introduced near the silicon substrate interface, and to increase the nitrogen concentration on the film surface. I suggest that.

<발명의 개시> <Start of invention>

본 발명의 목적은, 얇은 게이트 절연막을 갖고, 특성이 우수한 MOSFET를 갖는 반도체 장치의 제조 방법을 제공하는 것이다. An object of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor device having a thin gate insulating film and having excellent MOSFET.

본 발명의 다른 목적은, 게이트 전극에 이온 주입되는 붕소의 게이트 절연막 관통을 억제하고, 또한 채널 영역의 이동도의 저하를 억제할 수 있는 반도체 장치의 제조 방법을 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor device which can suppress penetration of a gate insulating film of boron ion-implanted into a gate electrode and can suppress a decrease in mobility of a channel region.

본 발명의 1 관점에 따르면, 반도체 기판의 활성 영역 상에 게이트 절연층을 형성하는 공정과, 상기 게이트 절연층 표면측으로부터 활성 질소에 의해 질소를 도입하는 공정과, 질소를 도입한 게이트 절연층 내의, 표면측에서 높고, 반도체 기판과의 계면에서 낮은 질소 농도 분포를 유지하도록 NO 가스 분위기 속에서의 어닐링 처리를 실시하는 공정을 포함하는 반도체 장치의 제조 방법이 제공된다. According to one aspect of the present invention, there is provided a process for forming a gate insulating layer on an active region of a semiconductor substrate, a step of introducing nitrogen with active nitrogen from the surface of the gate insulating layer, and a gate insulating layer in which nitrogen is introduced. And a step of performing an annealing treatment in a NO gas atmosphere so as to maintain a high nitrogen concentration distribution at the interface with the semiconductor substrate at the surface side.

도 1a∼도 1f는 본 발명자가 행한 실험 및 그 결과를 설명하기 위한 단면도 및 그래프. 1A to 1F are cross-sectional views and graphs for explaining the experiments performed by the inventors and the results thereof.

도 2a∼도 2d는 본 발명자가 행한 실험 및 그 결과를 설명하기 위한 단면도 및 그래프. 2A to 2D are cross-sectional views and graphs for explaining the experiments performed by the present inventors and the results thereof.

도 3a, 도 3b는 본 발명자가 행한 또 다른 실험의 조건 및 결과를 나타내는 표 및 그래프. 3A and 3B are tables and graphs showing conditions and results of another experiment conducted by the present inventors.

도 4a, 도 4b는 본 발명자가 행한 또 다른 실험의 조건 및 결과를 나타내는 표 및 그래프. 4A and 4B are tables and graphs showing conditions and results of still another experiment conducted by the present inventors.

도 5a∼도 5d는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 장치의 제조 방법을 설명하기 위한 반도체 기판의 단면도. 5A to 5D are cross-sectional views of a semiconductor substrate for explaining the method for manufacturing a semiconductor device according to the embodiment of the present invention.

도 6a, 도 6b는 본 발명자가 행한 또 다른 실험의 조건 및 결과를 나타내는 표 및 그래프. 6A and 6B are tables and graphs showing conditions and results of still another experiment conducted by the present inventors.

도 7a, 도 7b, 도 7c는 리모트 플라즈마 질화 장치, 디커플드 RF 질소 플라즈마 장치의 구성을 개략적으로 도시하는 단면도, 및 하이 k 재료를 이용한 게이트 절연층의 구성을 개략적으로 도시하는 단면도. 7A, 7B, and 7C are cross-sectional views schematically showing the configuration of a remote plasma nitride device, a decoupled RF nitrogen plasma device, and a cross-sectional views schematically showing the structure of a gate insulating layer using a high k material.

<발명을 실시하기 위한 최량의 형태> <Best mode for carrying out the invention>

산화 실리콘막에 질소를 도입하면, 게이트 전극에 대한 붕소의 이온 주입에서, 붕소의 게이트 절연막 관통을 방지하는 데 유효하다. 그러나, 게이트 절연막이 얇아짐에 따라, 붕소의 관통을 방지하는 것이 곤란해져, 게이트 절연막과 실리콘 기판과의 계면에 붕소가 도달하도록 된다. 채널 영역에 붕소가 도달하면, 이동도를 저하시킨다. 또한, 계면에서의 붕소 농도가 불균일해지기 쉽다. The introduction of nitrogen into the silicon oxide film is effective in preventing boron from penetrating the gate insulating film in the ion implantation of boron into the gate electrode. However, as the gate insulating film becomes thinner, it becomes difficult to prevent the penetration of boron, so that boron reaches the interface between the gate insulating film and the silicon substrate. When boron reaches the channel region, the mobility is lowered. In addition, the boron concentration at the interface tends to be nonuniform.

플라즈마에 의해 발생한 활성 질소를 산화 실리콘막 또는 산화 질화 실리콘막에 도입함으로써, 절연막 표면 또는 막 중에 피크를 갖는 질소 농도 분포를 얻을 수 있다. 이과 같은 플라즈마 질화를 이용함으로써, 기판과의 계면에서의 질소 농도를 억제하면서, 보다 많은 질소를 도입할 수 있다. 높은 질소 농도는 붕소의 관통 억제에 유효하다. By introducing the activated nitrogen generated by the plasma into the silicon oxide film or the silicon oxynitride film, a nitrogen concentration distribution having a peak in the surface of the insulating film or in the film can be obtained. By using such plasma nitridation, more nitrogen can be introduced while suppressing the nitrogen concentration at the interface with the substrate. High nitrogen concentrations are effective for inhibiting boron penetration.

또한, 보다 많은 질소를 도입함으로써, 절연막의 유전율을 크게 하는 것이 가능하다. 반전 용량 환산 막 두께(Teff)를 얇게 억제하면서, 물리적 막 두께를 두껍게 함으로써, 게이트의 누설 전류 억제에 유효하게 된다. In addition, by introducing more nitrogen, it is possible to increase the dielectric constant of the insulating film. It is effective for suppressing the leakage current of the gate by making the physical film thickness thick while suppressing the inversion capacitance conversion film thickness Teff thinly.

절연막과 실리콘 기판과의 계면에서의 질소 농도를 낮게 억제함으로써, 채널 영역에서의 이동도의 저하를 억제할 수 있다. 또한, NBTI(negative bias temperature instability) 특성의 열화를 억제하는 데 유효하다. 또, NBTI 특성은, 스트레스를 걸어, 온도를 상승시켰을 때의 열화 특성이다. By suppressing the nitrogen concentration at the interface between the insulating film and the silicon substrate to a low level, the decrease in mobility in the channel region can be suppressed. It is also effective for suppressing deterioration of negative bias temperature instability (NBTI) characteristics. Moreover, NBTI characteristic is a deterioration characteristic at the time of raising a temperature under stress.

질소 플라즈마를 기판으로부터 떨어진 장소에서 발생시켜, 활성 질소를 기판 에 도입하는 기술은 기판에 손상을 주지 않는 손상 없는 프로세스로 되어 있다. The technique of generating nitrogen plasma at a location away from the substrate and introducing active nitrogen into the substrate is a damage-free process that does not damage the substrate.

본 발명자는, 플라즈마에 의해 발생한 활성 질소를 플라즈마로부터 분리하여 배치한 실리콘 기판의 절연막 중에 도입해도, 기판에 어떠한 손상을 줄 가능성이 있다고 생각하였다. 이 손상을 회복시키기 위해서는, 질소 도입 공정보다 고온에서의 어닐링 처리가 유효할 것이다. 따라서, 어닐링 처리에 의한 영향을 조사했다. This inventor considered that even if the active nitrogen which generate | occur | produced by the plasma is introduce | transduced into the insulating film of the silicon substrate arrange | positioned separately from a plasma, there exists a possibility that it may cause damage to a board | substrate. In order to recover this damage, annealing treatment at a higher temperature than the nitrogen introduction process will be effective. Therefore, the influence by the annealing treatment was investigated.

도 1a∼도 1e는 본 발명자가 행한 실험의 샘플의 작성 공정을 도시하는 단면도이다. 1A to 1E are cross-sectional views showing steps for preparing a sample of an experiment performed by the present inventors.

도 1a에 도시한 바와 같이, 실리콘 기판(1)의 표면에 활성 영역(4)을 피복하는 마스크를 형성하고, 실리콘 기판(1)에 이방성 에칭을 행하여, 소자 분리용 트렌치(2)를 형성한다. 소자 분리용 트렌치(2)를 매립하도록 산화 실리콘 등의 절연층을 퇴적하고, 실리콘 기판(1) 표면 상의 불필요한 절연층을 화학 기계 연마(CMP)에 의해 제거함으로써, 트렌치 내에 절연막을 매립한 쉘로우 트렌치 아이솔레이션(STI)에 의한 소자 분리 영역(3)을 형성했다. As shown in FIG. 1A, a mask covering the active region 4 is formed on the surface of the silicon substrate 1, and anisotropic etching is performed on the silicon substrate 1 to form a trench 2 for element isolation. . An insulating layer such as silicon oxide is deposited so as to fill the trench 2 for element isolation, and the shallow trench in which the insulating film is embedded in the trench is removed by chemical mechanical polishing (CMP) to remove the unnecessary insulating layer on the surface of the silicon substrate 1. The device isolation region 3 by isolation (STI) was formed.

도 1b에 도시한 바와 같이, 965℃의 산소 분위기 속에서 실리콘 기판(1)의 활성 영역(4) 표면에 두께 1.0㎚의 게이트 산화막(5)을 형성했다. As shown in Fig. 1B, a gate oxide film 5 having a thickness of 1.0 nm was formed on the surface of the active region 4 of the silicon substrate 1 in an oxygen atmosphere at 965 deg.

도 1c에 도시한 바와 같이, 1.5㎾의 마이크로파에 의해서 여기한 질소 플라즈마로부터 도출한 활성 질소에 의해서, 450℃의 분위기 속에서 게이트 절연막(5)에 질소를 도입했다. 산화 실리콘막 표면에 질소가 도입되어, 질화 산화 실리콘막(5x)으로 된다. 활성 질소 도입은, 미국 캘리포니아주 산타클라라의 어플라이드 머티리얼즈사로부터 입수 가능한 리모트 플라즈마 질화 장치를 이용했다. As shown in FIG. 1C, nitrogen was introduced into the gate insulating film 5 in an atmosphere of 450 ° C. by active nitrogen derived from a nitrogen plasma excited by 1.5 GHz microwave. Nitrogen is introduced to the silicon oxide film surface to form a silicon nitride oxide film 5x. Active nitrogen introduction used a remote plasma nitridation apparatus available from Applied Materials, Inc. of Santa Clara, California.

도 7a는, 리모트 플라즈마 질화 장치의 구성을 개략적으로 도시한다. 플라즈마 발생 챔버(21)에는 N2 가스가 도입되어, 질소 플라즈마를 발생시킨다. 질소 플라즈마로부터 활성 질소(래디컬)가 발생하여, 반응 챔버(22) 내에 공급된다. 반응 챔버(22)에는, 다수의 램프를 포함하는 램프 가열 장치(23)가 구비되어, 웨이퍼(24)를 가열할 수 있다. 7A schematically shows the configuration of a remote plasma nitriding device. N 2 gas is introduced into the plasma generation chamber 21 to generate nitrogen plasma. Active nitrogen (radical) is generated from the nitrogen plasma and supplied into the reaction chamber 22. The reaction chamber 22 is provided with a lamp heating device 23 including a plurality of lamps, and can heat the wafer 24.

도 1d에 도시한 바와 같이, 1050℃의 질소 분위기 속에서 어닐링 처리를 행하여, 활성 질소 도입에 의해 생길 수 있던 기판의 손상을 회복시켰다. 질화 산화 실리콘막(5x)은, 어닐링 처리에 의해 질화 산화 실리콘막(5y)으로 된다. As shown in Fig. 1D, the annealing treatment was performed in a nitrogen atmosphere at 1050 占 폚 to recover the damage of the substrate caused by the introduction of active nitrogen. The silicon nitride oxide film 5x becomes the silicon nitride oxide film 5y by the annealing process.

도 1e에 도시한 바와 같이, 게이트 절연막 위에 두께 100㎚의 다결정 실리콘층을 CVD에 의해 퇴적하고, 레지스트 패턴을 이용하여 패터닝함으로써, 게이트 길이 0.5㎛∼1.0㎛ 정도의 게이트 전극(6)을 형성하였다. 게이트 절연막(5y)도 패터닝되어, 게이트 절연막(5z)으로 되었다. As shown in Fig. 1E, a 100 nm thick polycrystalline silicon layer was deposited on the gate insulating film by CVD and patterned using a resist pattern, thereby forming a gate electrode 6 having a gate length of about 0.5 mu m to 1.0 mu m. . The gate insulating film 5y was also patterned to obtain a gate insulating film 5z.

게이트 전극을 패터닝한 후, p형 불순물인 B를 이온 주입하여, 익스텐션 영역(7)을 형성했다. 그 후, 게이트 전극을 피복하도록 기판 위에 두께 약 60㎚의 산화 실리콘막을 화학 기상 퇴적(CVD)에 의해 퇴적하고, 반응성 이온 에칭을 행하여, 평탄면 위의 산화 실리콘막을 제거하고, 게이트 전극 측벽 위에만 사이드월 스페이서(8)를 남겼다. After patterning the gate electrode, B as a p-type impurity was implanted to form an extension region 7. Thereafter, a silicon oxide film having a thickness of about 60 nm is deposited by chemical vapor deposition (CVD) on the substrate so as to cover the gate electrode, and reactive ion etching is performed to remove the silicon oxide film on the flat surface, and only on the gate electrode sidewalls. The sidewall spacers 8 were left.

사이드월 스페이서(8) 형성 후, 또한 p형 불순물 B를 이온 주입하여, 고농도 소스/드레인 영역(9)을 형성했다. 이온 주입 공정에서는, 게이트 전극(6)에도 p형 불순물 B가 이온 주입된다. 그 후, 층간 절연막을 형성하고, 소스/드레인 영역, 게이트 전극을 노출하는 개구를 형성하고, 전극을 형성했다. 이와 같이 하여 샘플 S1을 얻었다. After the sidewall spacers 8 were formed, the p-type impurity B was further ion implanted to form a high concentration source / drain region 9. In the ion implantation step, the p-type impurity B is also ion implanted into the gate electrode 6. Then, the interlayer insulation film was formed, the opening which exposes a source / drain area | region and a gate electrode was formed, and electrode was formed. Thus, sample S1 was obtained.

또, 비교를 위해 도 1c에 도시한 활성 질소 도입 공정 후에, 도 1d에 도시한 어닐링 처리는 행하지 않고, 도 1e에 도시한 바와 같이, MOSFET를 형성한 비교용 샘플 S2도 작성했다. For comparison, after the active nitrogen introduction step shown in FIG. 1C, the annealing treatment shown in FIG. 1D was not performed. As shown in FIG. 1E, a comparison sample S2 in which a MOSFET was formed was also created.

도 1f는 작성한 2 종류의 MOSFET의 특성을 나타내는 그래프이다. 도 1f 중 횡축은, 게이트 전압 Vg로부터 임계값 Vth를 제한 Vg-Vth를 단위 V로 나타낸다. 종축은, 상호 컨덕턴스 Gm에 반전 용량 환산 막 두께 Teff를 승산하고, 또한 채널 영역의 폭 W와 길이 L의 비 W/L을 승산한 정규화 상호 컨덕턴스를 단위 mS×㎚로 나타낸다. 상호 컨덕턴스가 게이트 절연막의 두께 및 채널 영역의 크기에 상관없이 정규화된다. 1F is a graph showing the characteristics of the two types of MOSFETs created. In FIG. 1F, the horizontal axis represents the threshold Vth from the gate voltage Vg and the limit Vg-Vth in units V. FIG. The vertical axis represents the normalized mutual conductance obtained by multiplying the inductance conversion film thickness Teff by the mutual conductance Gm and multiplying the ratio W / L of the width W and the length L of the channel region in units of mS × nm. The mutual conductance is normalized regardless of the thickness of the gate insulating film and the size of the channel region.

활성 질소 도입 후, 질소 분위기 속 1050℃로 어닐링 처리를 행한 샘플 S1의 특성 s1은, 질소 분위기 속의 어닐링 처리를 행하지 않은 샘플 S2의 특성 s2와 비교하여, 거의 전체 영역에서 보다 높은 상호 컨덕턴스를 나타내고 있다. 어닐링 처리에 의해, MOSFET의 특성이 향상한 것이 분명하다. 캐리어의 이동도가 향상하고, 포화 전류가 향상한 것이라고 생각된다. The characteristic s1 of the sample S1 subjected to annealing treatment at 1050 ° C. in a nitrogen atmosphere after the introduction of active nitrogen shows a higher mutual conductance in almost all regions compared to the characteristic s2 of the sample S2 not subjected to annealing treatment in a nitrogen atmosphere. . It is clear that the characteristics of the MOSFET are improved by the annealing treatment. It is thought that the mobility of a carrier improved and the saturation current improved.

이와 같이 하여, 활성 질소의 도입 후 어닐링 처리를 행함으로써, 트랜지스터의 특성이 향상하는 것이 판명되었지만, 어닐링 처리의 조건에 따라서 특성 향상 이 어떻게 변화하는지를 더 조사했다. 어닐링 처리의 분위기로서, 질소(N2), 일산화 질소(NO), 산소(O2)를 이용했다. In this way, the annealing treatment after the introduction of the active nitrogen proved to improve the characteristics of the transistor. However, further investigation was made on how the characteristic improvement changes depending on the conditions of the annealing treatment. As the atmosphere for the annealing treatment, nitrogen (N 2 ), nitrogen monoxide (NO), and oxygen (O 2 ) were used.

우선, 도 1a에 도시한 공정과 마찬가지의 공정에 의해, 실리콘 기판에 소자 분리 영역(3)을 형성하였다. 도 1b에 도시한 공정과 마찬가지의 공정에 의해, 온도 965℃의 O2 분위기 속에서 실리콘 기판 표면을 열 산화하여, 두께 1.2㎚의 게이트 산화막(5)을 형성했다. First, the element isolation region 3 was formed in the silicon substrate by the same process as that shown in FIG. 1A. By one step and the process of the same shown in Figure 1b, in the O 2 atmosphere at a temperature 965 ℃ by thermally oxidizing the silicon substrate surface to form a gate oxide film 5 having a thickness of 1.2㎚.

그 후, 도 1c에 도시한 공정과 마찬가지의 질화 공정을 기판 온도 550℃에서 행하였다. 질소를 도입한 단계에서, 게이트 절연막의 막 두께는, 엘립소미터에 의한 측정으로 1.457㎚였다. Then, the same nitriding process as the process shown in FIG. 1C was performed at the substrate temperature of 550 degreeC. In the step of introducing nitrogen, the film thickness of the gate insulating film was 1.457 nm as measured by an ellipsometer.

도 2a에 도시한 바와 같이, 제3 샘플 S3에 대해서는, 질소 도입 후 질소 분위기 속에서 1050℃의 어닐링 처리를 행하였다. 이 어닐링 처리는, 불활성 가스 중에서의 어닐링 처리이다. As shown to FIG. 2A, about 3rd sample S3, the annealing process of 1050 degreeC was performed in nitrogen atmosphere after nitrogen introduction. This annealing treatment is an annealing treatment in an inert gas.

도 2b에 도시한 바와 같이, 제4 샘플 S4에 대해서는, 질소 도입 후 NO 분위기 속에서 950℃의 어닐링 처리를 행하였다. 이 어닐링 처리는 산화, 질화를 수반하는 어닐링 처리이다. 그 후, 질소 분위기 속에서 1050℃의 어닐링 처리를 행하였다. 이 단계에서 엘립소미터로 측정한 게이트 절연막의 막 두께는 1.538㎚였다. 제3 샘플과 비교하면, 제4 샘플에 대해서는 NO 중 어닐링 처리가 추가되어 있다. NO 중 어닐링 처리에 의해 증가한 막 두께는 0.081㎚였다. As shown in FIG. 2B, the annealing treatment at 950 ° C. was performed in the NO atmosphere after introduction of nitrogen to the fourth sample S4. This annealing treatment is an annealing treatment involving oxidation and nitriding. Thereafter, annealing treatment was performed at 1050 ° C. in a nitrogen atmosphere. At this stage, the film thickness of the gate insulating film measured by the ellipsometer was 1.538 nm. Compared with a 3rd sample, the annealing process of NO is added about the 4th sample. The film thickness increased by annealing in NO was 0.081 nm.

도 2c에 도시한 바와 같이, 제5 샘플 S5에 대해서는, 질소 도입 후 산소(O2) 분위기 속에서 1000℃의 어닐링 처리를 행하였다. 이 어닐링 처리는, 산화를 수반하는 어닐링 처리이다. 그 후, 질소 분위기 속에서 1050℃의 어닐링 처리를 행하였다. 제3 샘플과 비교하면, 제5 샘플에 대해서는 O2 중 어닐링 처리가 추가되어 있다. As shown in FIG. 2C, the fifth sample S5 was subjected to annealing treatment at 1000 ° C. in an oxygen (O 2 ) atmosphere after nitrogen introduction. This annealing treatment is an annealing treatment with oxidation. Thereafter, annealing treatment was performed at 1050 ° C. in a nitrogen atmosphere. In comparison with the third sample, an annealing treatment in O 2 is added to the fifth sample.

또, 각 어닐링 처리는 래피드 서멀 어닐링 RTA에 의해 행하여, 극히 단시간이다. 그 후, 제1, 제2 샘플과 마찬가지로 절연 게이트 전극, 소스/드레인 영역을 형성했다. In addition, each annealing process is performed by rapid thermal annealing RTA, and it is extremely short time. Then, similarly to the 1st, 2nd sample, the insulated gate electrode and the source / drain area were formed.

도 2d는, 작성한 제3, 제4 및 제5 샘플의 특성을 나타내는 그래프이다. 횡축 및 종축은 도 1f와 마찬가지이다. 2D is a graph showing the characteristics of the created third, fourth and fifth samples. The horizontal axis and the vertical axis are the same as in FIG. 1F.

제1 샘플과 게이트 절연막의 두께, 활성 질소 도입 시의 온도가 약간 서로 다른 제3 샘플 S3의 특성 s3은, 도 1f의 특성 s1과 거의 마찬가지였다. 활성 질소 도입 후 NO 분위기 속에서 950℃의 (질화, 산화) 어닐링 처리를 행한 샘플 S4의 특성 s4는, 명백한 향상을 나타내었다. 활성 질소 도입 후 산소 분위기 속에서 1000℃의 (산화)어닐링 처리를 행한 샘플 S5의 특성 s5는 양자의 중간의 특성이었다. The characteristic s3 of the third sample S3 in which the thickness of the first sample and the gate insulating film and the temperature at the time of introduction of active nitrogen slightly differed was almost the same as the characteristic s1 of FIG. 1F. The characteristic s4 of the sample S4 which performed 950 degreeC (nitriding and oxidation) annealing process in NO atmosphere after active nitrogen introduction showed clear improvement. The characteristic s5 of the sample S5 which performed 1000 degreeC (oxidation) annealing treatment in oxygen atmosphere after active nitrogen introduction was the intermediate characteristic of both.

이들의 결과를 정리하면, 활성 질소 도입 후, 어닐링 처리를 행하면 상호 컨덕턴스가 향상되는 것이 명백하다. 산소 분위기 속에서 어닐링 처리를 행해도, 질소 분위기 속의 어닐링 처리의 경우와 비교하여 상호 컨덕턴스는 향상하지만, 어닐링 처리를 NO 분위기 속의 질화 산화 어닐링으로 행할 때가 가장 상호 컨덕턴스가 더 높아진다. To sum up these results, it is clear that the annealing treatment after the introduction of active nitrogen improves the mutual conductance. Even if annealing is performed in an oxygen atmosphere, the mutual conductance is improved as compared with the annealing treatment in a nitrogen atmosphere. However, the mutual conductance is higher when the annealing treatment is performed by nitriding oxidation annealing in a NO atmosphere.

이것은 NO 분위기 속의 어닐링에 따르면, 기판측의 계면 근방에 실리콘-산소-질소(Si-O-N) 결합이 효율적으로 형성되기 때문이라고, 발명자는 생각하고 있다. The inventors believe that this is because silicon-oxygen-nitrogen (Si-O-N) bonds are formed efficiently near the interface on the substrate side by annealing in the NO atmosphere.

단 산화성, 또는 질화 산화성 분위기 속에서의 어닐링 처리는, 기판의 산화, 또는 질화 산화를 발생시켜서, 게이트 절연막이 두꺼워진다. 실효 게이트 절연막 두께 2㎚ 이하의 트랜지스터를 작성하는 경우, 막 두께 증가가 적은 NO 분위기 속의 어닐링 처리가 보다 바람직할 것이다. NO 가스 분위기 속에서의 어닐링 처리에 의한 절연막 두께의 증가는 0.2㎚ 이하로 하는 것이 바람직하다. 두께 1.7㎚ 이하의 게이트 절연막을 얻는 경우, 초기의 산화막 두께는 1.5㎚ 이하로 하는 것이 바람직하다. However, the annealing treatment in an oxidizing or nitriding oxidizing atmosphere causes oxidation of the substrate or nitriding oxidation, and the gate insulating film becomes thick. In the case of producing a transistor having an effective gate insulating film thickness of 2 nm or less, an annealing treatment in a NO atmosphere with a small increase in film thickness will be more preferable. It is preferable that the increase in the thickness of the insulating film by the annealing treatment in the NO gas atmosphere be 0.2 nm or less. When obtaining the gate insulating film of 1.7 nm or less in thickness, it is preferable to make an initial oxide film thickness 1.5 nm or less.

종래 기술로 설명한 바와 같이, 실리콘 산질화막에 활성 질소(래디컬)를 도입하는 것이 제안되어 있다. 본 발명자는, 하기의 2 종류의 제조 방법에 의해서 형성한 게이트 절연막을 갖는 반도체 장치에서, 신뢰성 평가인 TDDB(time dependent dielectric breakdown)의 측정을 행하였다. (1), (2)의 제조 방법에서, 산화막 두께, 활성 질소 도입, NO 열 처리, N2 열 처리는 순서가 서로 다르지만, 각각의 처리 내용은 동일한 것이다. As described in the prior art, introduction of active nitrogen (radical) into the silicon oxynitride film has been proposed. MEANS TO SOLVE THE PROBLEM This inventor measured the time dependent dielectric breakdown (TDDB) which is reliability evaluation in the semiconductor device which has the gate insulating film formed by the following two types of manufacturing methods. In the production methods of (1) and (2), the order of oxide film thickness, active nitrogen introduction, NO heat treatment, and N 2 heat treatment are different in sequence, but the contents of each treatment are the same.

(1) 열 산화막을 형성한 후에, NO 가스 분위기에서 열 처리한 후에, 활성 질소에 의해서 질소를 도입하고, 그런 후에 N2 가스 분위기에서 열 처리한 게이트 절연막과, (1) a gate insulating film formed by forming a thermal oxide film, followed by heat treatment in an NO gas atmosphere, followed by introduction of nitrogen with active nitrogen, and then heat treatment in an N 2 gas atmosphere;

(2) 열 산화막을 형성한 후에, 활성 질소에 의해서 질소를 도입하고, 그런 후에 NO 가스 분위기 속에서 열 처리하고, 또한 그것보다도 고온의 N2 가스 분위기에 의해 열 처리한 게이트 절연막. (2) A gate insulating film obtained by introducing nitrogen with activated nitrogen after forming a thermal oxide film, followed by heat treatment in a NO gas atmosphere, and heat treatment with a N 2 gas atmosphere at a higher temperature than that.

상기 측정에 의해 스트레스 인가 후에 파괴 판정 기준 이하이던 수율을 비교하면, (1)의 샘플에서는 0%였지만, (2)의 샘플에서는 88%로 양자에 큰 차가 발생했다. When the yields below the failure determination criteria were compared by the above measurement, it was 0% in the sample of (1), but a large difference occurred between them in 88% in the sample of (2).

즉 (2)의 샘플은, (1)의 샘플과 거의 마찬가지인 절연막 중에서의 질소 분포를 갖지만, 신뢰성면에서의 효과의 차가 크다. 그 이유는 활성 질소 도입 처리 후에 행하는 NO 분위기에서의 열 처리에 의해서, 기판측의 계면 근방에 실리콘-산소-질소(Si-O-N) 결합이 효율적으로 형성되기 때문이라고, 본 발명자는 생각하고 있다. That is, although the sample of (2) has nitrogen distribution in the insulating film which is almost the same as the sample of (1), the difference of the effect in reliability is large. The reason for this is that the silicon-oxygen-nitrogen (Si-O-N) bond is efficiently formed in the vicinity of the interface on the substrate side by the heat treatment in the NO atmosphere performed after the active nitrogen introduction treatment.

또, NO 가스 분위기 속에서의 어닐링 후에, 또한 그것보다 고온의 N2 가스 분위기에서의 열 처리를 행한 것은, NBTI 특성을 개선하기 위해서이며, 필수적인 공정은 아니다. The heat treatment in the N 2 gas atmosphere at a higher temperature than that after the annealing in the NO gas atmosphere is for improving the NBTI characteristics and is not an essential step.

플라즈마 질화 장치로서, 리모트 플라즈마 질화 장치 외에, 동일한 미국 캘리포니아주 산타클라라의 어플라이드 머티리얼즈사로부터 입수 가능한 디커플드 RF 질소 플라즈마 장치가 알려져 있다. As the plasma nitriding apparatus, in addition to the remote plasma nitriding apparatus, a decoupled RF nitrogen plasma apparatus available from Applied Materials, Inc. of Santa Clara, California, USA is known.

도 7b는 디커플드 RF 질소 플라즈마 장치의 구성을 개략적으로 나타낸다. 이 장치에서는, 하부에 샘플(27)을 수용하는 반응실(25)의 꼭대기부 위에 설치한 코일(26)의 RF 여기에 의해 질소 플라즈마를 발생시킨다. 질소 플라즈마는 반응실 의 상벽을 따른, 샘플(27)로부터 떨어진 영역 내에만 발생한다. 이 장치를 이하 DPN으로 약기한다. 7B schematically illustrates the configuration of a decoupled RF nitrogen plasma apparatus. In this apparatus, nitrogen plasma is generated by RF excitation of the coil 26 provided on the top of the reaction chamber 25 which accommodates the sample 27 in the lower portion. Nitrogen plasma is generated only in an area away from the sample 27 along the upper wall of the reaction chamber. This device is abbreviated as DPN below.

DPN 질화 장치를 이용하여, 2 종류의 샘플을 형성했다. Two types of samples were formed using a DPN nitriding device.

도 3a는, 2 종류의 샘플 S6, S7 및 비교용 샘플 S8의 작성 조건을 도시한다. FIG. 3A shows the creation conditions of two types of samples S6 and S7 and comparison sample S8.

우선, 도 1a, 도 1b에 도시한 공정과 마찬가지의 공정에 의해, 900℃의 산소 분위기 속에서 두께 0.85㎚의 산화 실리콘막을 램프 어닐링 장치에서 성막하였다. 그 후, DPN 장치 내에서 RF 전력 700W에서 질소 플라즈마를 여기하고, 실온 분위기 속에서 하방에 배치한 기판의 산화 실리콘막에 활성 질소를 도입했다. First, a silicon oxide film having a thickness of 0.85 nm was formed in a lamp annealing apparatus in a 900 ° C oxygen atmosphere by the same steps as those shown in FIGS. 1A and 1B. Thereafter, nitrogen plasma was excited at 700 W of RF power in the DPN apparatus, and activated nitrogen was introduced into the silicon oxide film of the substrate disposed below in a room temperature atmosphere.

제6 샘플 S6에 대해서는, 활성 질소 도입 후에, 1000℃의 감압 산소 분위기 속에서 산화 어닐링 처리(RTO)를 행한 후, 1050℃의 질소 분위기 속에서 어닐링 처리(RTA)를 행하였다. The sixth sample S6 was subjected to an oxidation annealing treatment (RTO) in a reduced pressure oxygen atmosphere at 1000 ° C. after the introduction of active nitrogen, followed by annealing treatment (RTA) in a nitrogen atmosphere at 1050 ° C.

제7 샘플 S7에 대해서는, 활성 질소 도입 후에, 950℃의 NO 가스 분위기 속에서 질화 산화 어닐링 처리(RTNO)를 행하고, 계속해서 1050℃의 질소 분위기 속에서 어닐링 처리(RTA)를 행하였다. 비교를 위해, 산화 실리콘막만으로 게이트 전극을 형성한 샘플 S8도 2 종류 작성했다. The seventh sample S7 was subjected to nitriding oxidation annealing treatment (RTNO) in an NO gas atmosphere at 950 ° C after the introduction of active nitrogen, followed by annealing treatment (RTA) in a nitrogen atmosphere at 1050 ° C. For comparison, two kinds of samples S8 in which the gate electrode was formed only by the silicon oxide film were also prepared.

도 3b는, 이들 샘플의 측정 결과를 나타낸다. 횡축이 반전 용량 환산 막 두께 Teff를 단위 ㎚로 나타내고, 종축이 게이트 누설 전류 Ig를 단위(A/㎠)로 나타낸다. 산화 실리콘막만으로 게이트 절연막을 형성한 샘플의 특성 s8은 × 표시로 나타낸 2점으로, 외삽하면 직선과 같이 된다. 3B shows the measurement results of these samples. The horizontal axis represents the inversion capacitance converted film thickness Teff in units of nm, and the vertical axis represents the gate leakage current Ig in units (A / cm 2). The characteristic s8 of the sample in which the gate insulating film is formed only by the silicon oxide film is two points indicated by x marks, and when extrapolated, it becomes like a straight line.

제6 샘플 S6의 특성 s6은, 비교 샘플 S8의 특성 s8보다 하방에 있어, 게이트 누설 전류가 감소할 수 있는 것을 나타내고 있다. The characteristic s6 of the 6th sample S6 shows that gate leakage current can decrease below the characteristic s8 of the comparative sample S8.

제7 샘플 S7의 측정점 s7은, NO 중 질화 산화 어닐링 처리로, 산화가 억제되어, 실효 게이트 절연막 두께가 측정점 s6보다도 얇게 되어 있다. 또한, 특성 s8과 비교하여 하방에 존재하고, 샘플 S6과 마찬가지로 게이트 누설 전류가 저감할 수 있는 것을 나타내고 있다. The measuring point s7 of the seventh sample S7 is a nitriding oxidation annealing process in NO, and oxidation is suppressed, and the effective gate insulating film thickness is thinner than the measuring point s6. Moreover, it exists below compared with the characteristic s8, and shows that the gate leakage current can be reduced similarly to the sample S6.

도 3b의 특성에서, 게이트 누설 전류의 저감 정도는 2개의 샘플 S6, S7에서 거의 동등하다. 샘플 S7은, 실효 게이트 절연막 두께를 0.013㎚ 얇게 되어 있다. 또한, 상호 컨덕턴스 Gm도 우수하고, 반도체 장치의 특성으로서, 게이트 길이 40㎚의 MOS 트랜지스터에서 포화 전류가 3.6% 향상될 수 있었다. In the characteristic of FIG. 3B, the degree of reduction of the gate leakage current is almost equal in the two samples S6 and S7. Sample S7 has an effective gate insulating film thickness of 0.013 nm thin. In addition, the mutual conductance Gm is also excellent, and as a property of the semiconductor device, the saturation current can be improved by 3.6% in a MOS transistor having a gate length of 40 nm.

또한, 활성 질소를 도입한 게이트 절연막 속에서 질소가 어떻게 분포하는지를 2차 이온 질량 분석(SIMS)에 의해서 조사했다. 활성 질소 도입 장치로서는 DPN을 이용하여, 활성 질소 도입 후의 어닐링 처리를 산소 분위기 속, NO 분위기 속의 2 종류로 행하였다. In addition, secondary ion mass spectrometry (SIMS) investigated how the nitrogen was distributed in the gate insulating film into which the active nitrogen was introduced. DPN was used as an active nitrogen introduction apparatus, and the annealing process after active nitrogen introduction was performed in two types, in oxygen atmosphere and NO atmosphere.

도 4a의 표는, 2 종류의 샘플의 작성 공정을 개략적으로 나타낸다. 제9 샘플 S9는, 900℃의 산소 분위기 속에서 두께 0.8㎚의 산화 실리콘막을 램프 어닐링 장치에 의해서 성막하고, 700W의 디커플드 RF 질소 플라즈마에 의해서 실온 분위기 속에서 게이트 산화막 중에 활성 질소를 도입(DPN)했다. 그 후, 1000℃의 감압 산소 분위기 속에서 어닐링 처리 RTO를 행하고, 계속해서 1050℃의 질소 분위기 속에서 어닐링 처리(RTA)를 행하였다. The table of FIG. 4A schematically shows a production process of two kinds of samples. In the ninth sample S9, a silicon oxide film having a thickness of 0.8 nm was formed by a lamp annealing apparatus in an oxygen atmosphere at 900 ° C, and active nitrogen was introduced into the gate oxide film in a room temperature atmosphere by a 700 W decoupled RF nitrogen plasma ( DPN). Thereafter, annealing treatment RTO was performed in a reduced pressure oxygen atmosphere at 1000 ° C, followed by annealing treatment (RTA) in a nitrogen atmosphere at 1050 ° C.

제10 샘플 S10은, 제9 샘플 S9와 마찬가지의 두께 0.8㎚의 산화 실리콘막을 형성하고, DPN 장치에 의해 활성 질소를 도입한 후, 950℃의 NO 가스 분위기 속의 어닐링 처리(RTNO)를 행하고, 또한 1050℃에서 질소 분위기 속의 어닐링 처리(RTA)를 행하였다. 10th sample S10 forms the silicon oxide film 0.8 nm in thickness similar to 9th sample S9, introduces active nitrogen by a DPN apparatus, and performs annealing process (RTNO) in NO gas atmosphere of 950 degreeC, and also The annealing treatment (RTA) in nitrogen atmosphere was performed at 1050 degreeC.

도 4b는, 이들 2 종류의 샘플의 측정 결과를 나타내는 그래프이다. 횡축이 표면으로부터의 깊이를 단위 ㎚로 나타내고, 종축이 측정된 질소 농도를 단위(atoms/cc)로 나타낸다. 산소 분위기 속에서 어닐링 처리를 행한 샘플의 특성 s9는, 표면 근방에서 보다 높은 피크값을 갖고, 깊이와 함께 서서히 질소 농도는 감소하고 있다. 측정 범위 내에서 1자릿수 이상의 질소의 농도의 변화를 나타내고 있지만 게이트 절연막과 실리콘 기판과의 계면이 도중에 존재한다. 4B is a graph showing the measurement results of these two types of samples. The horizontal axis represents the depth from the surface in units of nm, and the vertical axis represents the measured nitrogen concentration in units (atoms / cc). The characteristic s9 of the sample which performed the annealing process in oxygen atmosphere has higher peak value in the surface vicinity, and nitrogen concentration is gradually decreasing with depth. Although the change of the density | concentration of nitrogen more than 1 digit is shown within the measurement range, the interface of a gate insulating film and a silicon substrate exists in the middle.

질화 산화막의 막 두께는 1.324㎚, 질소 농도의 피크는 8.6at%, 기판과의 계면에서의 질소 농도는 3.6at%였다. 계면에서의 질소 농도는 피크 질소 농도의 1/2 이하이다. The film thickness of the nitride oxide film was 1.324 nm, the peak of nitrogen concentration was 8.6 at%, and the nitrogen concentration at the interface with the substrate was 3.6 at%. The nitrogen concentration at the interface is 1/2 or less of the peak nitrogen concentration.

활성 질소 도입 후 NO 분위기 속에서 어닐링 처리를 행한 샘플 S10의 특성 s10은, 표면측의 피크가 어느 정도 평탄하게 넓어진 것처럼 보이지만, 활성 질소 도입에 의한 질소 분포와 NO 분위기 속의 어닐링 처리에 의한 질소 분포가 포함된 것이다. 그 후 특성 s9보다도 약간 높은 질소 농도를 나타내면서 깊이와 함께 감소하는 경향을 나타내고, 어느 정도 깊은 위치로부터는 특성 s9와 거의 마찬가지의 분포이다. The characteristic s10 of sample S10 subjected to annealing in NO atmosphere after introduction of active nitrogen appears to have broadened to some extent on the surface side, but the distribution of nitrogen by introduction of active nitrogen and annealing in NO atmosphere It is included. Thereafter, it shows a tendency to decrease with depth while showing a nitrogen concentration slightly higher than that of the characteristic s9, and the distribution is almost the same as that of the characteristic s9 from a somewhat deep position.

질화 산화막의 막 두께는 1.174㎚, 질소 농도의 피크는 7.6at%, 기판과의 계면에서의 질소 농도는 4.9at%였다. 질화 산화막의 두께를 증가시키면, 기판 계면 에서의 질소 농도를 피크 질소 농도의 1/2 이하로 하는 것도 가능할 것이다. 기판과의 계면에서의 질소 농도는, 모두 5at% 이하이다. The film thickness of the nitride oxide film was 1.174 nm, the peak of nitrogen concentration was 7.6 at%, and the nitrogen concentration at the interface with the substrate was 4.9 at%. Increasing the thickness of the nitride oxide film may make it possible to reduce the nitrogen concentration at the substrate interface to 1/2 or less of the peak nitrogen concentration. The nitrogen concentration at the interface with the substrate is all 5 at% or less.

표면측에서의 질소 농도를 보다 높고, 기판과의 계면에서의 질소 농도를 보다 낮게 하는 관점으로부터는 O2 등의 산화성 분위기 속에서의 어닐링이 보다 적합할 것이다. 단, 막 두께의 증가는 질화 산화성 분위기 속에서의 어닐링보다 크다. 질화 산화막의 두께를 얇게 억제하여, 우수한 구동 능력을 갖는 트랜지스터를 형성하는 관점으로부터는, NO 등의 질화 산화성 분위기 속에서의 어닐링이 적합할 것이다. From the viewpoint of higher nitrogen concentration at the surface side and lower nitrogen concentration at the interface with the substrate, annealing in an oxidizing atmosphere such as O 2 will be more suitable. However, the increase in the film thickness is larger than annealing in the nitric oxidizing atmosphere. From the viewpoint of thinly suppressing the thickness of the nitride oxide film to form a transistor having excellent driving capability, annealing in a nitriding oxidative atmosphere such as NO may be suitable.

어느 측정 결과에서도, 질소 농도는 게이트 절연막 표면측에 피크를 갖고, 깊이와 함께 실리콘 기판과의 계면을 향하여 감소를 계속하고 있다. 따라서, 게이트 절연막 중에 다량의 질소를 도입하여, 붕소의 관통을 유효하게 억제할 수 있음과 함께, 실리콘 기판과의 계면에서의 질소 농도는, 바람직하게는 5at% 이하로, 억제하고, 채널 영역에서의 이동도의 저하를 억제할 수 있는 것을 알 수 있다. In either measurement result, the nitrogen concentration has a peak on the gate insulating film surface side and continues to decrease toward the interface with the silicon substrate with depth. Therefore, a large amount of nitrogen can be introduced into the gate insulating film to effectively suppress boron penetration, and the nitrogen concentration at the interface with the silicon substrate is preferably 5 at% or less, and is suppressed in the channel region. It turns out that the fall of the mobility of can be suppressed.

또한, 산화 실리콘막의 표면 근방에만 활성 질소가 도입되는 것을 기대하여, 디커플드 RF 플라즈마의 여기 에너지를 700W로부터 500W로 내린 조건으로 실험을 행하였다. In addition, expecting that active nitrogen was introduced only in the vicinity of the surface of the silicon oxide film, the experiment was carried out under the condition that the excitation energy of the decoupled RF plasma was reduced from 700W to 500W.

도 6a의 표는, 3 종류의 샘플의 작성 공정을 개략적으로 나타낸다. 제11 샘플 S11은, 900℃의 산소 분위기 속에서 두께 0.8㎚의 산화 실리콘막을 램프 어닐링 장치에 의해서 성막하고, 500W의 디커플드 RF 질소 플라즈마에 의해서 실온 분위기 속에서, 바이어스 전계없이 게이트 산화막 중에 활성 질소를 도입(DPN)했다. 그 후, 1000℃의 감압 산소 분위기 속에서 어닐링 처리(RTO)를 행하고, 계속해서 1050℃의 질소 분위기 속에서 어닐링 처리(RTA)를 행하였다. The table of FIG. 6A schematically shows a production process of three kinds of samples. The eleventh sample S11 formed a silicon oxide film having a thickness of 0.8 nm in an oxygen atmosphere at 900 ° C. by a lamp annealing apparatus, and was activated in a gate oxide film without a bias field in a room temperature atmosphere by a 500 W decoupled RF nitrogen plasma. Nitrogen was introduced (DPN). Thereafter, annealing treatment (RTO) was performed in a reduced pressure oxygen atmosphere at 1000 ° C, followed by annealing treatment (RTA) in a nitrogen atmosphere at 1050 ° C.

제12 샘플 S12는, 제11 샘플과 마찬가지로, 900℃의 산소 분위기 속에서 두께 0.8㎚의 산화 실리콘막을 램프 어닐링 장치에 의해서 성막하고, 500W의 디커플드 RF 질소 플라즈마에 의해서 실온 분위기 속에서 게이트 산화막 중에 활성 질소를 도입(DPN)했다. 그 후, 950℃의 감압 NO 분위기 속에서 어닐링 처리(RTNO)를 행하고, 계속해서 1050℃의 질소 분위기 속에서 어닐링 처리(RTA)를 행하였다. Similar to the eleventh sample, the twelfth sample S12 forms a 0.8 nm thick silicon oxide film in a 900 ° C. oxygen atmosphere with a lamp annealing apparatus and uses a 500 W decoupled RF nitrogen plasma to form a gate oxide film in a room temperature atmosphere. Active nitrogen was introduced (DPN) in the air. Thereafter, annealing treatment (RTNO) was performed in a reduced pressure NO atmosphere at 950 ° C, followed by annealing treatment (RTA) in a nitrogen atmosphere at 1050 ° C.

제13 샘플 S13은, 제11 샘플과 마찬가지로 900℃의 산소 분위기 속에서 두께 0.8㎚의 산화 실리콘막을 램프 어닐링 장치에 의해 성막하고, 500W의 디커플드 RF 질소 플라즈마에 의해 실온 분위기 속에서 게이트 산화막 중에 활성 질소를 도입(DPN)했다. 그 후, 1000℃의 감압 산소 분위기 속에서 어닐링 처리(RTO)를 행하고, 계속해서 950℃의 감압 NO 분위기 속에서 어닐링 처리(RTNO)를 행하고, 또한 1050℃의 질소 분위기 속에서 어닐링 처리(RTA)를 행하였다. NO 분위기 속의 어닐링 후에, 또한 고온으로 RTA를 행하는 것은, NBTI 특성의 개선을 위한 것으로, 필수적인 공정은 아니다. Similar to the eleventh sample, the thirteenth sample S13 forms a 0.8 nm thick silicon oxide film in an oxygen atmosphere at 900 ° C. by a lamp annealing apparatus, and in a gate oxide film in a room temperature atmosphere by a 500 W decoupled RF nitrogen plasma. Active nitrogen was introduced (DPN). Thereafter, annealing treatment (RTO) is performed in a reduced pressure oxygen atmosphere at 1000 ° C, followed by annealing treatment (RTNO) in a reduced pressure NO atmosphere at 950 ° C, and further annealing treatment (RTA) in a nitrogen atmosphere at 1050 ° C. Was performed. Performing RTA at high temperature after annealing in the NO atmosphere is for improving the NBTI characteristics and is not an essential process.

도 6b는 이들 3 종류의 샘플의 측정 결과를 나타내는 그래프이다. 횡축이 표면으로부터의 깊이를 단위 ㎚로 나타내고, 종축이 측정된 질소 농도를 단위(atoms/cc)로 나타낸다. 6B is a graph showing the measurement results of these three types of samples. The horizontal axis represents the depth from the surface in units of nm, and the vertical axis represents the measured nitrogen concentration in units (atoms / cc).

산소 분위기 속에서 어닐링 처리를 행한 제11 샘플 S11의 특성 s11은, 표면 근방에서 보다 높은 피크값을 갖고, 깊이와 함께 서서히 질소 농도는 감소하고 있다. 측정 범위 내에서 1자릿수 이상의 질소 농도 변화를 나타내고 있다. 게이트 절연막과 실리콘 기판과의 계면이 도중에 존재한다. The characteristic s11 of the 11th sample S11 which performed the annealing process in oxygen atmosphere has higher peak value in the surface vicinity, and nitrogen concentration is gradually decreasing with depth. The nitrogen concentration change of 1 digit or more is shown within the measurement range. An interface between the gate insulating film and the silicon substrate exists in the middle.

질화 산화막의 막 두께는 1.189㎚, 질소 농도의 피크는 7.5at%, 기판과의 계면에서의 질소 농도는 2.2at%였다. 계면에서의 질소 농도는, 피크 질소 농도의 1/2 이하이다. The film thickness of the nitride oxide film was 1.189 nm, the peak of nitrogen concentration was 7.5 at%, and the nitrogen concentration at the interface with the substrate was 2.2 at%. The nitrogen concentration at the interface is 1/2 or less of the peak nitrogen concentration.

활성 질소 도입 후에, NO 분위기 속에서 어닐링 처리를 행한 제12 샘플 S12의 특성 s12는, 표면 근방의 피크가 어느 정도 증가하여, 넓어지고 있다. 그 후, 특성 S11보다도 약간 높은 질소 농도를 나타내면서, 깊이와 함께 감소하는 경향을 나타내지만, 계면에 근접하면 질소량이 증가하여, 표면과 계면 근방에 2개의 피크를 갖는 특징적인 분포를 나타낸다. NO 분위기 속의 어닐링 처리는, 기판과의 계면 근방에 질소를 도입하는 경향이 있는 것과 같다. After the introduction of active nitrogen, the characteristic s12 of the twelfth sample S12 subjected to annealing in the NO atmosphere is increased to some extent and broadened. Thereafter, although the nitrogen concentration is slightly higher than that of the characteristic S11, it tends to decrease with depth, but when it approaches the interface, the amount of nitrogen increases, and the characteristic distribution having two peaks in the surface and in the vicinity of the interface is shown. The annealing treatment in the NO atmosphere is similar to the tendency to introduce nitrogen in the vicinity of the interface with the substrate.

질화 산화막의 막 두께는 1.170㎚, 질소 농도의 피크는 7.8at%, 기판과의 계면에서의 질소 농도는 4.8at%였다. The film thickness of the nitride oxide film was 1.170 nm, the peak of nitrogen concentration was 7.8 at%, and the nitrogen concentration at the interface with the substrate was 4.8 at%.

활성 질소 도입 후에, 산소 분위기의 어닐링에 계속해서 NO 분위기의 어닐링을 행한 제13 샘플 S13의 특성 s13은, 표면측의 피크는 산소 어닐링의 샘플의 특성 s11과 동등하다. s11의 특성과 차가 있는 것처럼 보이지만, 2차 이온 질량 분석(SIMS)의 측정 오차 내의 차이이다. 계면에 근접하면 질소량이 증가하여, NO 분위기 속에서 계면이 효과적으로 질화되어 있는 것을 확인할 수 있다. The characteristic s13 of 13th sample S13 which performed annealing of an oxygen atmosphere after an introduction of active nitrogen, and followed by annealing of NO atmosphere is equivalent to the characteristic s11 of the sample of oxygen annealing. It seems that there is a difference with the characteristic of s11, but it is the difference within the measurement error of secondary ion mass spectrometry (SIMS). It is confirmed that when the interface is close to the nitrogen content, the interface is effectively nitrided in the NO atmosphere.

질화 산화막의 막 두께는 1.157㎚, 질소 농도의 피크는 7.4at%, 기판과의 계 면에서의 질소 농도는 2.4at%였다. The film thickness of the nitride oxide film was 1.157 nm, the peak of nitrogen concentration was 7.4 at%, and the nitrogen concentration at the interface with the substrate was 2.4 at%.

활성 질소 도입 후에, NO 분위기 속에서 어닐링 처리를 행하여, 특성을 개선해도, 기판과의 계면에서의 질소 농도는 5at% 이하로 억제할 수 있다. 조건을 선택함으로써, 계면에서의 질소 농도를 표면에서의 질소 농도의 1/2 이하로 하는 것도 가능하다. 샘플 S12, S13의 특성 s12, s13로부터, 활성 질소 도입에 의한 질소 분포와 NO 분위기 속의 어닐링 처리에 의한 질소 분포를 각각 제어함으로써, 여러가지의 질소 분포를 실현할 수 있는 것을 알 수 있다. 활성 질소 도입에 의한 예리한 분포 형상을 그다지 무너뜨리지 않고, NO 분위기 속에서 어닐링에 의해 계면 근방에 질소를 도입하는 것도 가능하다. 게이트 절연막 표면과 기판과의 계면에서 서로 다른 요청에 의한 서로 다른 질소 농도를 실현하는 것도 용이해진다. After the introduction of the active nitrogen, the annealing treatment is performed in the NO atmosphere to improve the characteristics, and the nitrogen concentration at the interface with the substrate can be suppressed to 5 at% or less. By selecting conditions, it is also possible to make nitrogen concentration in an interface into 1/2 or less of nitrogen concentration in the surface. From the characteristics s12 and s13 of the samples S12 and S13, it is understood that various nitrogen distributions can be realized by controlling the nitrogen distribution by the introduction of active nitrogen and the nitrogen distribution by the annealing treatment in the NO atmosphere, respectively. It is also possible to introduce nitrogen in the vicinity of the interface by annealing in a NO atmosphere without destroying the sharp distribution shape by the introduction of active nitrogen. It is also easy to realize different nitrogen concentrations by different requests at the interface between the gate insulating film surface and the substrate.

도 5a∼도 5d는 이상의 실험 결과에 기초한, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 장치의 제조 방법을 도시하는 단면도이다. 5A to 5D are sectional views showing the method for manufacturing the semiconductor device according to the embodiment of the present invention, based on the above experimental results.

도 5a에 도시한 바와 같이 실리콘 기판(1)에 STI에 의한 소자 분리 영역(3)을 형성한다. STI의 소자 분리 영역으로 획정된 활성 영역 중에 원하는 이온 주입을 행하여, n형 웰(4n), p형 웰(4p)을 형성한다. 또, 2개의 웰만을 나타내지만, 동시에 복수의 웰이 형성된다. As shown in FIG. 5A, the device isolation region 3 formed by STI is formed in the silicon substrate 1. Desired ion implantation is performed in the active region defined as the device isolation region of the STI to form the n-type well 4n and the p-type well 4p. Although only two wells are shown, a plurality of wells are formed at the same time.

노출되어 있는 실리콘 기판 표면에 800℃의 파이로제닉(pyrogenic) 산화를 행하여, 두께 7㎚의 산화 실리콘막(11)을 형성한다. 또, 파이로제닉 산화는 산소 속에서 수소를 연소시킨 분위기에 의해 산화를 행하는 방법이다. 두께 7㎚의 게이트 산화막은, 동작 전압 3V 정도의 MOSFET를 작성하기 위한 게이트 절연막으로 된 다. Pyrogenic oxidation at 800 ° C. is performed on the exposed silicon substrate surface to form a silicon oxide film 11 having a thickness of 7 nm. In addition, pyrogenic oxidation is a method of oxidation by the atmosphere which burned hydrogen in oxygen. The gate oxide film having a thickness of 7 nm serves as a gate insulating film for forming a MOSFET having an operating voltage of about 3V.

저전압 동작을 하게 하는 MOSFET를 작성하는 활성 영역에서는, 성장한 산화 실리콘막(11)을 에칭으로 제거한다. 965℃의 산소 분위기 속에서 드라이 산화를 행하여, 두께 1.2㎚의 산화 실리콘막(12)을 형성한다. 두께 1.2㎚의 게이트 산화막은, 예를 들면 동작 전압 1∼1.2V 정도의 MOSFET를 작성하기 위한 게이트 절연막으로 된다. 또, 실리콘 기판 표면에 자연 산화막이 존재하는 경우, 수소 래디컬 등의 환원성 분위기에서 자연 산화막을 제거해도 된다. 청정한 실리콘 표면을 산화함으로써 양질의 산화 실리콘막을 형성할 수 있다. The grown silicon oxide film 11 is removed by etching in the active region in which the MOSFET for low voltage operation is produced. Dry oxidation is carried out in an oxygen atmosphere at 965 ° C to form a silicon oxide film 12 having a thickness of 1.2 nm. The gate oxide film having a thickness of 1.2 nm is, for example, a gate insulating film for forming a MOSFET having an operating voltage of about 1 to 1.2 V. In addition, when a native oxide film exists on the surface of a silicon substrate, you may remove a native oxide film in reducing atmospheres, such as hydrogen radicals. By oxidizing the clean silicon surface, a good quality silicon oxide film can be formed.

2 종류의 두께를 갖는 게이트 절연층을 형성하는 경우를 설명했지만, 3 종류 이상의 두께의 게이트 절연층을 형성해도 된다. Although the case where the gate insulating layer which has two types of thickness was formed was demonstrated, you may form the gate insulating layer of three or more types of thickness.

이 산화에 의해 먼저 형성한 두꺼운 산화 실리콘막(11)도 약간 성장한다. 얇은 게이트 절연막(12)을 갖는 웰도 n형 및 p형이 형성된다. This oxidation also slightly grows the thick silicon oxide film 11 formed earlier. Wells with a thin gate insulating film 12 are also formed with n-type and p-type.

도 5b에 도시한 바와 같이, 1.5㎾의 마이크로파에 의해서 얻어진 RPN 질소 플라즈마에 의해, 550℃의 분위기 속에서 게이트 절연막(11, 12)에 활성 질소를 도입한다. 활성 질소가 도입되고, 게이트 절연막은 질화 산화 실리콘막(11x, 12x)으로 된다. As shown in Fig. 5B, active nitrogen is introduced into the gate insulating films 11 and 12 in an atmosphere of 550 占 폚 by RPN nitrogen plasma obtained by 1.5 GHz microwave. Active nitrogen is introduced, and the gate insulating film is made of silicon nitride oxide films 11x and 12x.

도 5c에 도시한 바와 같이, 950℃의 NO 가스 분위기 속에서 어닐링 처리를 행한다. NO 가스에 의해, 게이트 절연막은 또한 산질화되어, 손상이 회복된다. 이와 같이 하여, 게이트 절연막(11y, 12y)이 형성된다. 계속해서, NBTI 특성의 열화를 억제하는 등을 위해, 질소 분위기 속에서 고온의 어닐링 처리를 더 행해도 된 다. As shown in FIG. 5C, annealing is performed in a NO gas atmosphere at 950 ° C. By the NO gas, the gate insulating film is also oxynitrated, and the damage is recovered. In this way, the gate insulating films 11y and 12y are formed. Subsequently, in order to suppress deterioration of NBTI characteristics, etc., you may further perform a high temperature annealing process in nitrogen atmosphere.

그 후, 게이트 절연막 위에 두께 100㎚의 다결정 실리콘층을 형성하고, 레지스트 패턴을 이용하여 원하는 게이트 길이로 패터닝한다. 얇은 게이트 절연막(12y) 위에는, 게이트 길이 40㎚의 게이트 전극을 형성한다. Thereafter, a polycrystalline silicon layer having a thickness of 100 nm is formed on the gate insulating film, and patterned to a desired gate length using a resist pattern. On the thin gate insulating film 12y, a gate electrode having a gate length of 40 nm is formed.

도 5d에 도시한 바와 같이, 패터닝한 게이트 전극 및 n 채널 영역, p 채널 영역을 선택하는 레지스트 마스크를 마스크로 하여, n형 불순물, p형 불순물의 이온 주입을 행하여, 익스텐션 영역(7p, 7n)을 작성한다. 그 후, 두께 약 60㎚의 산화 실리콘막을 퇴적하고, RIE를 행함으로써 사이드월 스페이서(8)를 형성한다. 사이드월 스페이서를 갖는 게이트 전극 및 n 채널 영역, p 채널 영역을 분리하는 레지스트 마스크를 이용하여, n형 불순물, p형 불순물을 이온 주입하여, 소스/드레인 영역(9n, 9p)을 형성한다. As shown in Fig. 5D, ion implantation of n-type impurities and p-type impurities is performed by using a patterned gate electrode, a resist mask that selects an n-channel region and a p-channel region as a mask, and the extension regions 7p and 7n. Write. Thereafter, a silicon oxide film having a thickness of about 60 nm is deposited and RIE is performed to form sidewall spacers 8. The source / drain regions 9n and 9p are formed by ion implantation of n-type impurities and p-type impurities using a gate electrode having sidewall spacers and a resist mask that separates the n-channel region and the p-channel region.

그 후, 필요에 따라 노출되어 있는 실리콘 표면에 실리사이드화를 행하여, 층간 절연막으로 피복한다. 층간 절연막(2)에 개구를 형성하여, 인출 플러그를 형성하고, 또한 필요한 배선, 층간 절연막의 형성을 행한다. Thereafter, as needed, silicidation is performed on the exposed silicon surface and coated with an interlayer insulating film. An opening is formed in the interlayer insulating film 2 to form a lead plug, and further, necessary wiring and interlayer insulating film are formed.

이와 같이 하여, 얇은 게이트 절연층과 두꺼운 게이트 절연층을 갖고, 얇은 게이트 절연층에서도 붕소의 관통을 억제하고, 또한 채널 영역의 이동도의 저하를 억제한 CMOS 집적 회로를 형성한다. In this manner, a CMOS integrated circuit having a thin gate insulating layer and a thick gate insulating layer and suppressing the penetration of boron in the thin gate insulating layer and reducing the mobility of the channel region is formed.

이러한 공정에 의해, 2㎚ 이하, 특히 1.7㎚ 이하의 얇은 실효 게이트 절연막두께를 갖고, 붕소 관통을 방지할 수 있고, 또한 채널 영역의 이동도 저감을 억제할 수 있는 반도체 장치가 형성된다. By such a process, a semiconductor device having a thin effective gate insulating film thickness of 2 nm or less, in particular 1.7 nm or less, which can prevent boron penetration and suppress the mobility of the channel region can be formed.

이와 같이, 전술한 실시예에 따르면, 게이트 절연막 중에 표면측에서 높고, 실리콘 기판과의 계면에서 낮은 질소 농도를 도입하여, 붕소의 게이트 절연막 관통을 억제하고, 또한 채널 영역에서의 이동도 저감을 억제할 수 있다. As described above, according to the embodiment described above, a high nitrogen concentration is introduced at the surface side of the gate insulating film and a low nitrogen concentration at the interface with the silicon substrate to suppress boron penetrating the gate insulating film and also to reduce mobility in the channel region. can do.

이상 실시예를 따라 본 발명을 설명했지만, 본 발명은 이들에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 목적에 따라서, NO 중 질화 산화 어닐링 대신에, 불활성 가스로 희석한 NO 속에서 어닐링 등을 이용해도 된다. 반도체 기판 위에 처음에 형성하는 절연막으로서 산화 실리콘막 대신에, 기판과의 계면에서 3at% 이하의 질소를 포함하는 질화 산화 실리콘막을 형성해도 된다. 질화 산화 실리콘막 위에 높은 유전율을 갖는 하이 k 재료의 막을 적층해도 된다. Although the present invention has been described with reference to the above embodiments, the present invention is not limited thereto. For example, depending on the purpose, instead of nitric oxide annealing in NO, annealing or the like may be used in NO diluted with an inert gas. A silicon nitride oxide film containing 3 at% or less of nitrogen may be formed at the interface with the substrate instead of the silicon oxide film as an insulating film formed on the semiconductor substrate first. A high k material film having a high dielectric constant may be laminated on the silicon nitride oxide film.

도 7c는, high-k(고유전율) 재료의 막을 적층한 구성을 나타낸다. high-k 재료는, 산화 실리콘보다 현저하게 큰 유전율을 갖는다. 예를 들면, 실리콘 기판(30) 표면에, 750℃의 산소 분위기 속에서 두께 0.58㎚의 산화 실리콘막(31)을 램프 어닐링 장치에 의해서 성막하고, 500W의 디커플드 RF 질소 플라즈마에 의해서 실온 분위기 속에서 게이트 산화막 중에 활성 질소를 도입(DPN)했다. 그 후, 900℃의 NO 가스 분위기 속의 어닐링 처리(RTNO)를 행하고, 또한 1050℃ 질소 분위기 속에서 어닐링 처리(RTA)를 행하였다. 이 질화 산화막 두께는 0.80㎚였다. 기초 산화막 두께, 플라즈마 질화 강도, NO 가스 어닐링 온도, 시간 등의 조정으로, 더욱 박막화하는 것도 가능할 것이다. 이 산화 질화막 위에, Al, Hf, Zr 등의 산화막, 이들의 산화 실리케이트막 등의 하이 k 재료막(32)을 형성함으로써, 반도체 기판과 하이 k 재료와의 반응을 방지하고, 또한 신뢰성 및 구동 능력이 우수한 게이 트 절연막을 제공할 수 있다. Fig. 7C shows a configuration in which a film of high-k (high dielectric constant) material is laminated. The high-k material has a significantly higher dielectric constant than silicon oxide. For example, a silicon oxide film 31 having a thickness of 0.58 nm is formed on the surface of the silicon substrate 30 in an oxygen atmosphere of 750 ° C. by a lamp annealing apparatus, and is room temperature atmosphere by a 500 W decoupled RF nitrogen plasma. Activated nitrogen was introduced into the gate oxide film (DPN). Thereafter, annealing treatment (RTNO) in a 900 ° C NO gas atmosphere was performed, and annealing treatment (RTA) was performed in a 1050 ° C nitrogen atmosphere. This nitride oxide film thickness was 0.80 nm. Further thinning may be possible by adjusting the base oxide film thickness, the plasma nitriding strength, the NO gas annealing temperature, and the time. On this oxynitride film, by forming a high k material film 32 such as an oxide film such as Al, Hf, Zr, or an oxide silicate film thereof, the reaction between the semiconductor substrate and the high k material is prevented, and the reliability and driving ability This excellent gate insulating film can be provided.

그 외에 여러가지의 변경, 수식, 조합 등이 가능한 것은 당업자에게 자명할 것이다. It will be apparent to those skilled in the art that various changes, modifications, combinations, and the like are possible.

미세화가 진행된 MOS 트랜지스터의 제조에 적합하다. It is suitable for the manufacture of MOS transistors in which miniaturization is advanced.

Claims (12)

반도체 기판의 활성 영역 상에 게이트 절연층을 형성하는 공정과, Forming a gate insulating layer on the active region of the semiconductor substrate, 상기 게이트 절연층 표면측으로부터 활성 질소에 의해 질소를 도입하는 공정과, Introducing nitrogen by active nitrogen from the gate insulating layer surface side; 계속해서 상기 반도체 기판에 NO 가스 분위기 속에서의 어닐링 처리를 실시하는 공정Successively performing an annealing treatment in the NO gas atmosphere on the semiconductor substrate. 을 포함하는 반도체 장치의 제조 방법. Method for manufacturing a semiconductor device comprising a. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 활성 질소는, 래디컬 질소 또는 플라즈마로부터 발생한 질소인 반도체 장치의 제조 방법. The said active nitrogen is a manufacturing method of the semiconductor device which is radical nitrogen or nitrogen which generate | occur | produced from plasma. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 NO 가스 분위기 속에서의 어닐링 처리 후, 보다 고온에서의 불활성 가스 중에서의 어닐링 처리를 실시하는 공정을 더 포함하는 반도체 장치의 제조 방법. And an annealing treatment in an inert gas at a higher temperature after the annealing treatment in the NO gas atmosphere. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 NO 가스 분위기 속에서의 어닐링 처리에 의한 게이트 절연막의 막 두께 증가는 0.2㎚ 이하인 반도체 장치의 제조 방법. The film thickness increase of the gate insulating film by the annealing process in said NO gas atmosphere is 0.2 nm or less. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 NO 가스 분위기 속에서의 어닐링 처리는, 활성 질소에 의해서 질소를 도입하는 공정에서의 기판 온도보다도 고온의 NO 가스 분위기 속에서 행해지는 반도체 장치의 제조 방법. The annealing treatment in the NO gas atmosphere is performed in a NO gas atmosphere at a temperature higher than the substrate temperature in the step of introducing nitrogen by active nitrogen. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 NO 가스 분위기 속에서의 어닐링 처리는, N2, Ar, He 중 어느 하나를 포함하는 불활성 가스로 희석된 NO 가스 분위기 속에서 행해지는 반도체 장치의 제조 방법. The annealing treatment in the NO gas atmosphere is performed in a NO gas atmosphere diluted with an inert gas containing any one of N 2 , Ar, and He. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 NO 가스 분위기 속에서의 어닐링 처리 전에, 산소 분위기 속 또는 불활성 가스로 희석한 산소 분위기 속에서 어닐링을 행하는 공정을 더 포함하는 반도체 장치의 제조 방법. And a step of annealing in an oxygen atmosphere or an oxygen atmosphere diluted with an inert gas before the annealing treatment in the NO gas atmosphere. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 활성 영역 상에 형성하는 게이트 절연층은, 상기 반도체 기판 표면을 열산화하여 형성하는 절연층으로, 두께 1.5㎚ 이하인 반도체 장치의 제조 방법. The gate insulating layer formed on the active region is an insulating layer formed by thermally oxidizing the surface of the semiconductor substrate, and has a thickness of 1.5 nm or less. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 게이트 절연층은, 상기 반도체 기판과의 계면에서 3at% 이하의 미량의 질소를 포함하는 산질화층인 반도체 장치의 제조 방법. And the gate insulating layer is an oxynitride layer containing a trace amount of nitrogen of 3 at% or less at the interface with the semiconductor substrate. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 NO 가스 분위기 속에서의 어닐링 처리 후의, 상기 게이트 절연층의 반도체 기판과의 계면에서의 질소 농도는, 5at% 이하인 반도체 장치의 제조 방법. The manufacturing method of the semiconductor device whose nitrogen concentration in the interface with the semiconductor substrate of the said gate insulating layer after the annealing process in the said NO gas atmosphere is 5 at% or less. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 반도체 기판 표면을 열 산화하는 공정 전에, 반도체 기판을 환원성 분위기 속에서 어닐링 처리하고, 자연 산화막을 제거하는 공정을 포함하는 반도체 장치의 제조 방법. And a step of annealing the semiconductor substrate in a reducing atmosphere and removing a natural oxide film before the step of thermally oxidizing the surface of the semiconductor substrate. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 반도체 기판의 활성 영역 상에 게이트 절연층을 형성하는 공정은, 영역에 따라 두께가 서로 다른 절연층을 형성하는 반도체 장치의 제조 방법. The step of forming a gate insulating layer on an active region of the semiconductor substrate is a method of manufacturing a semiconductor device, the insulating layer having a different thickness depending on the region.
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