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JPH0964362A - Mos型半導体装置とその製造方法 - Google Patents

Mos型半導体装置とその製造方法

Info

Publication number
JPH0964362A
JPH0964362A JP23614795A JP23614795A JPH0964362A JP H0964362 A JPH0964362 A JP H0964362A JP 23614795 A JP23614795 A JP 23614795A JP 23614795 A JP23614795 A JP 23614795A JP H0964362 A JPH0964362 A JP H0964362A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
insulating film
gate insulating
film
gate
semiconductor device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP23614795A
Other languages
English (en)
Inventor
Akinori Suzuki
章徳 鈴木
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ricoh Co Ltd
Original Assignee
Ricoh Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ricoh Co Ltd filed Critical Ricoh Co Ltd
Priority to JP23614795A priority Critical patent/JPH0964362A/ja
Publication of JPH0964362A publication Critical patent/JPH0964362A/ja
Pending legal-status Critical Current

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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/40Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/43Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
    • H01L29/49Metal-insulator-semiconductor electrodes, e.g. gates of MOSFET
    • H01L29/51Insulating materials associated therewith
    • H01L29/518Insulating materials associated therewith the insulating material containing nitrogen, e.g. nitride, oxynitride, nitrogen-doped material
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/28Manufacture of electrodes on semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/268
    • H01L21/28008Making conductor-insulator-semiconductor electrodes
    • H01L21/28017Making conductor-insulator-semiconductor electrodes the insulator being formed after the semiconductor body, the semiconductor being silicon
    • H01L21/28158Making the insulator
    • H01L21/28167Making the insulator on single crystalline silicon, e.g. using a liquid, i.e. chemical oxidation
    • H01L21/28176Making the insulator on single crystalline silicon, e.g. using a liquid, i.e. chemical oxidation with a treatment, e.g. annealing, after the formation of the definitive gate conductor

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  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Formation Of Insulating Films (AREA)
  • Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 Vthの制御性と絶縁耐性を兼ね備るたゲー
ト絶縁膜を形成したMOS型半導体装置および、その製
造方法を提供する。 【解決手段】 P型シリコン基板1上に形成したゲート
酸化膜(ゲート絶縁膜)2、フィールド酸化膜3の全面
にポリシリコン膜を積層した後、熱拡散法によりリンを
ポリシリコン中に拡散させて低抵抗化させた。フォトリ
ソグラフィーおよびエッチングによりポリシリコン4
(ゲート電極)およびフォトレジスト5をパターニング
した。フォトレジスト5を除去した後、窒素イオン6を
回転斜め注入法によりイオン注入した後、熱処理を施す
ことにより、ゲート酸化膜2のうちポリシリコン4の端
部直下部分からフィールド酸化膜3の直近部分までを窒
化酸化膜7に変えた。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、MOS型半導体装
置および、その製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】デバイスの微細化に伴って、ゲート絶縁
膜の薄膜化が進んでいる。しかし、ゲート絶縁膜として
現在よく用いられているゲート酸化膜では、これを薄膜
化した場合の絶縁耐圧の劣化が重要な問題となってき
た。
【0003】最近では、オキシナイトライド膜が、絶縁
耐圧特性およびホットキャリア耐性が酸化膜に比べて優
れているため注目されている。この膜は、NH3 雰囲気
中でのアニールにより酸化膜を熱窒化して形成される。
このオキシナイトライド膜では、アニールによりH原子
が導入されるため、電子トラップを導くという重大な欠
点があるが、この欠点は、この膜を高温で熱処理して前
記H原子をアニールアウトすることで取り除くことがで
きる。
【0004】しかし、デバイスを微細化した場合、上記
高温の熱処理により増加した熱履歴が、デバイス特性に
悪影響を及ぼす問題があった。また、このオキシナイト
ライド膜は、信頼性の点では優れているものの、界面準
位、固定電荷の増加により移動度、Vth制御等の性能
面が、酸化膜に比べて劣るという問題もあった。
【0005】一方、H原子の導入が伴わないN2 O雰囲
気中でのアニールも検討されている。この方法で形成さ
れた膜は、NH3 雰囲気中でのアニールによるオキシナ
イトライド膜に比べて性能面で優れているが、この膜中
に含まれる窒素濃度が低い(窒素原子濃度は2〜3原子
%)ため信頼性の面で、NH3 雰囲気中でのアニールに
よるオキシナイトライド膜に比べて劣るという問題があ
った。
【0006】オキシナイトライド膜の形成方法として、
ゲート酸化膜を形成し、このゲート酸化膜上から窒素イ
オンを注入した後、熱処理を施すものがあるが、この方
法では、拡散領域の全体で窒素濃度が一様になってしま
うという不具合があった。
【0007】その一例として、特開平5−283679
号公報に、ゲート絶縁膜の固定電荷を減らし、しきい値
電圧のシフトを少なくするとともに、酸化膜トラップを
減らし、チャネルホットエレクトロン注入によるホット
キャリア劣化を抑えたMIS型半導体装置が開示されて
いる。この半導体装置におけるゲート絶縁膜は、チャネ
ル領域との界面部を構成する、窒素原子を1019/cm
3 以上含む窒化酸化膜と、該窒化酸化膜上に配置され
た、窒素原子を1019/cm3 以下の濃度で含むシリコ
ン酸化膜とからなる2層構造としたものである。
【0008】また、特開平6−151829号公報に
は、固定電荷の発生や不安定化、界面準位の増大などを
防止することができるゲート絶縁膜を備えた半導体装置
の製造方法が記載されている。この製造方法は、シリコ
ン基板上に形成されたシリコン窒化酸化膜をゲート絶縁
膜として用い、このゲート絶縁膜上にゲート電極を形成
する半導体装置の製造方法において、シリコン窒化酸化
膜、またはシリコン窒化酸化膜とシリコン基板との界面
に窒素イオンをイオン注入することを特徴としている。
しかし、これら公報記載の技術では、ゲート絶縁膜の全
面にわたってシリコン窒化酸化膜を用いている。
【0009】さらに、特開平3−38839号公報およ
び、特開平3−42872号公報には、半導体装置の製
造に当たり、基板中に窒素イオンを注入することが開示
されている。しかし、この窒素イオン注入は、ソースお
よびドレインの拡散層の拡がりを抑制することを目的と
したものである。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】ゲート絶縁膜の絶縁破
壊は、一般にゲートエッジで発生すると言われている。
これを防止するには、ゲート絶縁膜の窒素濃度を高くす
ることにより絶縁耐性を向上させればよい。しかし、窒
素濃度が高くなると、チャネル領域直上部のゲート絶縁
膜の固定電荷が増加してVthをシフトするため、Vt
hの制御性が劣るという問題が発生する。
【0011】本発明は、上記の点に鑑みなされたもの
で、その目的は、Vthの制御性と絶縁耐性を兼ね備え
るゲート絶縁膜を形成したMOS型半導体装置および、
その製造方法を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明のMOS型半導体
装置は、ゲート電極端部直下のゲート絶縁膜中の窒素濃
度を高くし、ゲート電極中央部(チャネル領域直上)の
ゲート絶縁膜中の窒素濃度を低くすることで、上記のよ
うに優れた特性を有するゲート絶縁膜を設けたものであ
る。また、本発明のMOS型半導体装置の製造方法は、
上記ゲート絶縁膜を形成するために、ゲートエッジに窒
素イオンを導入するようにしたものである。
【0013】すなわち、請求項1に記載のMOS型半導
体装置は、半導体基板上に第1導電型半導体からなるド
レイン領域およびソース領域と、これらの領域間にチャ
ネル領域と、このチャネル領域の表面にゲート絶縁膜
と、このゲート絶縁膜上にゲート電極とを有するMOS
型半導体装置において、ゲート絶縁膜のうちゲート電極
端部直下の部分に含まれる窒素原子濃度が、ゲート絶縁
膜のうちゲート電極中央部直下の部分に含まれる窒素原
子濃度に比べて高いことを特徴とする。
【0014】請求項2に記載のMOS型半導体装置は、
請求項1において、ゲート絶縁膜のうちゲート電極端部
直下の部分に含まれる窒素原子濃度が3.0原子%以上
であることを特徴とする。
【0015】請求項3に記載のMOS型半導体装置の製
造方法は、請求項1に記載のMOS型半導体装置を製造
する方法であって、半導体基板上にゲート絶縁膜と、該
ゲート絶縁膜上にゲート電極とを形成し、これらゲート
絶縁膜上およびゲート電極上からゲート絶縁膜および、
ゲート絶縁膜と半導体基板との界面に窒素イオンをイオ
ン注入法により導入した後、熱酸化処理またはアニール
処理を施すことを特徴とする。
【0016】請求項4に記載のMOS型半導体装置の製
造方法は、請求項3においてイオン注入法による窒素イ
オンの導入を、回転斜め注入法を用いて行うことを特徴
とする。
【0017】本発明に係るMOS型半導体装置では、ゲ
ート電極エッジ部のゲート絶縁膜の窒素濃度を、ゲート
電極中央部直下のゲート絶縁膜(チャネル領域のゲート
絶縁膜)の窒素濃度よりも高くしたことで絶縁耐性が向
上し、かつVthの制御性が良いゲート絶縁膜を形成す
ることができる。
【0018】本発明に係るMOS型半導体装置の製造方
法では、ゲート電極エッジ部のゲート絶縁膜に窒素をイ
オン注入法で導入するため、ゲート絶縁膜における最適
な窒素濃度分布の形成が可能となる。そのうえ、H原子
が導入されないので、高温の熱処理を施すことなく高信
頼性、かつ高性能のゲート絶縁膜を提供することができ
る。
【0019】
【実施例】次に、本発明に係るMOS型半導体装置の製
造方法の実施例を、図面を参照して説明する。 実施例 図1は、この製造方法を工程順に示す断面図である。P
型シリコン基板1上に膜厚10〜40nmの保護酸化膜
を、次いで膜厚80〜150nmの窒化シリコン膜を積
層し、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術
でパターニングし、窒化シリコン膜をマスクにして膜厚
400〜800nmのフィールド酸化膜を形成した。
【0020】窒化シリコン膜および保護酸化膜をウエッ
トエッチングで除去した後、850〜950℃のウエッ
ト酸化工程により、図1(A)に示すように膜厚8〜2
0nmのゲート酸化膜(ゲート絶縁膜)2を形成した。
3はフィールド酸化膜である。なお、ゲート酸化膜2に
代えて、950〜1050℃のN2 O,O2 混合ガス雰
囲気中でRTP法(Rapid Thermal Process )で処理す
ることにより、膜厚8〜20nmのオキシナイトライド
膜を形成してもよい。
【0021】ゲート酸化膜2、フィールド酸化膜3の全
面に膜厚200〜400nmのポリシリコン膜を積層し
た後、熱拡散法によりリンをポリシリコン中に拡散させ
て低抵抗化させた。図1(B)に示すように、フォトリ
ソグラフィー技術およびエッチング技術にでパターニン
グした。4はポリシリコン(ゲート電極)、5はフォト
レジストである。
【0022】図1(C)に示すように、フォトレジスト
5を除去した後、ゲート酸化膜2およびポリシリコン4
の上方から窒素イオン6を回転斜め注入法によりイオン
注入した。この場合、注入エネルギーを5〜20ke
V、ドーズ量を1〜5E14cm-2、注入角度を10〜
40°とした。その後、850〜950℃のN2 O雰囲
気中で酸化処理(または850〜950℃のN2 雰囲気
中でアニール処理)を施した。これにより、ゲート酸化
膜2のうち露出部分および、ポリシリコン4の端部直下
の部分を窒化酸化膜7に変え、この窒化酸化膜7に含ま
れる窒素原子濃度を3.0原子%以上とした。ゲート酸
化膜2のうちポリシリコン4の中央部直下部分は、ゲー
ト酸化膜のままにした。すなわち、図1(C)において
1 ,R2 の部分は窒化酸化膜7とし、R3 の部分はゲ
ート酸化膜2のままとした。
【0023】図1(D)に示すようにソース領域8の拡
散層および、ドレイン領域9の拡散層をイオン注入と、
その後の熱処理で形成し、CVD技術、フォトリソグラ
フィ技術ーおよびエッチング技術でコンタクト孔、次い
でメタル配線10を形成してMOS半導体装置を得た。
なお、11はポリメタ層間膜である。
【0024】
【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明の
MOS型半導体装置は、例えば、ゲート絶縁膜のうちゲ
ート電極端部直下の部分からフィールド酸化膜直近の部
分までを窒化酸化膜とすることにより、この窒化酸化膜
に含まれる窒素原子濃度を、ゲート絶縁膜のうちゲート
電極の中央部直下の部分に含まれる窒素原子濃度に比べ
て高くしたものである。このため本発明のMOS型半導
体装置におけるゲート絶縁膜では、絶縁耐性およびホッ
トキャリア劣化耐性が向上すると同時に、Vth制御性
および移動度が高まる。また、半導体基板中に導入され
た窒素イオンはソース、ドレインの拡散層の拡がりを抑
制することができる。このように、本発明によれば、特
性の優れたMOS型半導体装置を提供することができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】MOS型半導体装置の製造方法の実施例に係る
もので、この製造方法を工程順に示す断面図である。
【符号の説明】
1 P型シリコン基板 2 ゲート酸化膜 3 フィールド酸化膜 4 ポリシリコン 5 フォトレジスト 6 窒素イオン 7 窒化酸化膜 8 ソース領域 9 ドレイン領域 10 メタル配線 11 ポリメタ層間膜

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板上に第1導電型半導体からな
    るドレイン領域およびソース領域と、これらの領域間に
    チャネル領域と、このチャネル領域の表面にゲート絶縁
    膜と、このゲート絶縁膜上にゲート電極とを有するMO
    S型半導体装置において、ゲート絶縁膜のうちゲート電
    極端部直下の部分に含まれる窒素原子濃度が、ゲート絶
    縁膜のうちゲート電極中央部直下の部分に含まれる窒素
    原子濃度に比べて高いことを特徴とするMOS型半導体
    装置。
  2. 【請求項2】 前記ゲート絶縁膜のうちゲート電極端部
    直下の部分に含まれる窒素原子濃度が3.0原子%以上
    であることを特徴とする請求項1に記載のMOS型半導
    体装置。
  3. 【請求項3】 請求項1に記載のMOS型半導体装置を
    製造する方法であって、半導体基板上にゲート絶縁膜
    と、該ゲート絶縁膜上にゲート電極とを形成し、これら
    ゲート絶縁膜上およびゲート電極上からゲート絶縁膜お
    よび、ゲート絶縁膜と半導体基板との界面に窒素イオン
    をイオン注入法により導入した後、熱酸化処理またはア
    ニール処理を施すことを特徴とするMOS型半導体装置
    の製造方法。
  4. 【請求項4】 前記イオン注入法による窒素イオンの導
    入を、回転斜め注入法を用いて行うことを特徴とする請
    求項3に記載のMOS型半導体装置の製造方法。
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