JP3256059B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
半導体装置の製造方法Info
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Description
半導体装置の製造方法に関する。
ッシュメモリでは、高速動作を行うために10MV/c
mレベルの高電界をゲート絶縁膜に印加して情報の書換
え、すなわち浮遊ゲート電極への電子の注入、放出を行
う。このため、書換えを繰り返すことによりゲート絶縁
膜が劣化し、書換え時間の増大や情報(浮遊ゲート電極
に蓄積した電子)の漏洩が起こる。ゲート絶縁膜の従来
技術としては、Si基板を熱酸化することによって得ら
れるSiO2 膜を用いており、書換え動作中に電子がゲ
ート絶縁膜中に捕獲されて内部電界が変化し、実効的な
電界が下がって電流が流れにくくなり、書換え時間の増
大という問題が生じた。
を用いてSiO2 膜中に微量のガスを導入することによ
り上記の電子捕獲量が低減されるという報告がなされて
いる。また、情報の漏洩をもたらす低電界漏洩電流につ
いても、N2O ガス中で熱処理することにより低減でき
ることが示されている。以上、N2O 処理はフラッシュ
メモリにおける書換え動作時間の抑制と情報漏洩の抑制
という二重の効果がある。
ラッシュメモリの書換え信頼性に有効ではあるが、例え
ばジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィ
ジックス(Japanese Journal of Applied Physics)第
32巻、第447頁(1993)に示されているように
1100℃という高温の処理が必要である。このため、
基板中の不純物分布が変化したり、結晶欠陥が発生する
という問題があった。
ート絶縁膜との界面における界面準位増大の抑制を図る
新規な半導体装置の製造方法を提供することにある。
板主面上にゲート絶縁膜を形成する工程を含む半導体装
置の製造方法において、上記ゲート絶縁膜を形成する工
程は、水素ガスと酸素ガスとを用いてパイロジェニック
酸化し、上記Si基板主面に酸化膜を形成する第1の段
階と、しかる後、非反応性ガス又は非酸化性ガスと、N
2O、NO、NO2のうちの少なくとも1つを含有する酸
化性ガスとの混合ガスを用いて加熱し、酸化膜を形成す
る第2の段階とから成ることを特徴とする半導体装置の
製造方法にある。本発明の他の一つは、素子分離により
区画された半導体基板主面を露出し、水素ガスと酸素ガ
スとを用いてパイロジェニック酸化し、該露出した基板
主面に酸化膜を形成する第1の段階と、しかる後、該酸
化膜が形成された基板主面を酸窒化する第2の段階とか
ら成るゲート絶縁膜形成工程と、前記ゲート絶縁膜上に
不純物を含んだゲート電極を形成する工程と、から成る
ことを特徴とする半導体装置の製造方法にある。
れた場合には、高電界(−11MV/cm)印加後の低
電界(−6MV/cm)での漏洩電流が10-11A/c
m2から4.3×10-10A/cm2 に増大する。これ
は、酸化Si膜中に存在する応力を持った結合、あるい
はSi−H(3.1eV)のような弱い結合に電荷が捕
獲されることによってトラップ準位が生じ、この準位を
通して電荷が流れることにより低電界漏洩電流の増大に
つながると解釈できる。
エネルギーの大きなSi−N(4.6eV)を形成する
ような元素を応力緩和に必要な量だけ制御して導入する
ことにより、高電界ストレス耐性は向上する。加えて、
700℃以上で熱処理するとSiO2 膜中のSi−O−
H、Si−Hという形で存在するHが脱離し易くなり、
また950℃以上で加熱すると粘性流動によりSiO2
膜構造の緩和が生じるため、構造緩和が進行し易くな
る。しかし、高温での処理では不純物分布の変化や結晶
欠陥の発生という上記問題が生じる。そこで、N2O を
希釈するか、あるいは分圧を大気圧以下に下げることに
より酸化反応を遅らせ、その間に構造緩和を起こすこと
により、より低い温度で構造緩和を行うことができる。
絶縁膜の形成温度としては、特に950℃から1000
℃の温度範囲で有効である。粘性流動を起こして構造緩
和をするためには、950℃以上の温度が必要であり、
結晶欠陥を抑制するためには1000℃以下にすること
が必要がある。なお、希釈して酸化性ガスによる処理時
間を長くすることができるため、加熱装置として抵抗加
熱炉を用いることができ、量産性が向上する。
に希釈したN2O ガスを用いて酸化したSiO2膜を有
する半導体装置の例である。図1に本実施例の半導体装
置のキャパシタの断面図を示す。このキャパシタは次の
ようにして作成される。
Si面が露出したp型Si基板11を850℃でH2 と
O2 ガスを用いてパイロジェニック酸化してSiO2 膜
を形成した後、密閉型の抵抗加熱炉中に導入し、N2 28
50cc、N2O 150cc を大気圧で流して1000℃で加熱
し、膜厚約1.5nm分だけ増大させ、ゲート絶縁膜1
3を形成した。ゲート絶縁膜厚の違いは下地のパイロジ
ェニックSiO2 膜の厚さで変化させた。
成長法によりジシランとホスフィンとを用いて、540
℃でリンを含んだ多結晶Siを200nmだけ堆積し、
その後Ar雰囲気中900℃で20分間加熱した。この
後、ゲート電極14の加工を行って、図1に示すような
キャパシタを作成した。
mA/cm2 )で700秒間電流を流し、106 回書換
え相当の7C/cm2 の注入を行った。注入前後におけ
る6MV/cmでの電流の増大値を図2に示す。N2 希
釈のN2O 処理を行った場合にも、低電界漏洩電流は膜
厚依存性があり、薄膜化するほど増大するが、パイロジ
ェニックSiO2 と比べると、1/2になっている。ま
た、バイアス電界の変動、界面準位の増大、フラットバ
ンド電圧の変動もそれぞれ図3、4、5に示すように抑
制された。
に希釈したN2O ガスを用いて酸化したSiO2膜を有
する半導体装置の例である。図6に本実施例の半導体装
置のメモリセルの断面図を示す。このメモリセルは次の
ようにして作成される。素子分離酸化膜2が形成され、
酸化するSi面が露出したp型Si基板1を850℃で
H2 とO2ガスを用いてパイロジェニック酸化して膜厚
6nmのSiO2 膜を形成した後、密閉型の抵抗加熱炉
中に導入し、N2 2850cc、N2O 150cc を大気圧で流し
て1000℃で加熱し、膜厚7.5nmのゲート絶縁膜
4を形成した。このゲート絶縁膜4上に、減圧気相化学
成長法によりジシランとホスフィンとを用いて、540
℃でリンを含んだ多結晶Siを200nmだけ堆積し、
その後Ar雰囲気中900℃で20分間加熱した。この
多結晶Siは浮遊ゲート電極5を構成する。この後、そ
の表面を酸化して層間絶縁膜6を形成し、浮遊ゲート電
極5の形成と同様にして制御ゲート電極7を形成し、こ
れらをパターンニングした後、表面と側壁を酸化した。
ン領域9をイオン打ち込みで形成し、通常の方法で絶縁
膜10、電極3を設け、図6に示すようなメモリセルを
作成した。
後、制御ゲート電極7に電圧を印加して加速試験を行
い、しきい電圧の変化から電荷保持特性を算出すると、
電荷保持時間が7年から15年に改善された。この効果
は、実施例1でゲート絶縁膜をN2 希釈のN2O ガスを
用いて形成することにより低電界漏洩電流が1/2に改
善されたことと対応している。また、浮遊ゲート電極か
ら基板側に電子を引き抜く動作時間も106 回書換え
後、パイロジェニックSiO2 膜では初期の10倍程度
まで増大したが、本技術を適用することにより初期の値
の2倍レベルまで低減された。これは、実施例1でのバ
イアス電界変動の低減効果に対応している。
に酸化性ガスの分圧を大気圧以下に減圧することによっ
ても得られる。
む雰囲気中での熱処理温度が950℃〜1050℃の範
囲で得られる。特に、950℃から1000℃で絶縁膜
を形成することにより、高電界に対する絶縁膜特性の変
動が少なく、不純物分布の変化が少なく、Si基板に結
晶欠陥の入りにくい安定したプロセスとなる。
わりにランプ加熱炉を用いても得られる。
にN2O 、NO、NO2の内の少なくとも1つを含む混
合ガス中で熱処理することによっても得られる。
NO2の合計の流量が全体の3%から20%の範囲で特
に有効である。また、N2O 、NO、NO2の合計の流
量が1%から60%の範囲でも希釈の効果はある。
代わりにN2 、Ar、Heの内の少なくとも1つを含む
混合ガスで希釈することによっても得られる。
ては、N2O 等の酸窒化するガスの分圧を大気圧以下で
用いることにより、半導体膜又は半導体基板と絶縁膜と
の界面での不整合及びバルク絶縁膜中の不整合を緩和す
ることができ、高電界ストレスによるバイアス電界の変
動、界面準位の増大、フラットバンド電圧の変動を抑
え、漏洩電流を低減できるため、書換え信頼性が高く電
荷保持特性がすぐれた高性能なデバイスの実現が可能と
なる。
る。
電界漏洩電流の抑制効果を示す図である。
イアス電界変動の抑制効果を示す図である。
面準位増大の抑制効果を示す図である。
ラットバンド電圧の抑制効果を示す図である。
る。
Claims (10)
- 【請求項1】Si基板主面上にゲート絶縁膜を形成する
工程を含む半導体装置の製造方法において、 上記ゲート絶縁膜を形成する工程は、水素ガスと酸素ガ
スとを用いてパイロジェニック酸化により、上記Si基
板主面に酸化膜を形成する第1の段階と、しかる後、非
反応性ガス又は非酸化性ガスと、N2O、NO、NO2
のうちの少なくとも1つを含有する酸化性ガスとの混合
ガスを用いて加熱し、酸化膜を形成する第2の段階とか
ら成ることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 【請求項2】請求項1記載の半導体装置の製造方法にお
いて、前記非反応性ガス又は非酸化性ガスは、N2、A
r、Heのうち少なくとも1つであることを特徴とする
半導体装置の製造方法。 - 【請求項3】請求項2記載の半導体装置の製造方法にお
いて、前記混合ガス中の前記酸化性ガスの割合は3%以
上20%以下であることを特徴とする半導体装置の製造
方法。 - 【請求項4】請求項1乃至3記載のいずれかの半導体装
置の製造方法において、前記第2の段階での形成温度は
前記第1の段階での形成温度よりも高いことを特徴とす
る半導体装置の製造方法。 - 【請求項5】請求項4記載の半導体装置の製造方法にお
いて、前記第2の段階での形成温度は950℃〜105
0℃の範囲であることを特徴とする半導体装置の製造方
法。 - 【請求項6】素子分離により区画された半導体基板主面
を露出し、水素ガスと酸素ガスとを用いてパイロジェニ
ック酸化により、該露出した基板主面に酸化膜を形成す
る第1の段階と、しかる後、該酸化膜が形成された基板
主面を酸窒化する第2の段階とから成るゲート絶縁膜形
成工程と、 前記ゲート絶縁膜上に不純物を含んだゲート電極を形成
する工程とを有し、 前記第2の段階は、非反応性ガス又は非酸化性ガスと、
N 2 O、NO、NO 2 のうちの少なくとも1つを含有す
る酸化性ガスとの混合ガスを用いて加熱する ことを特徴
とする半導体装置の製造方法。 - 【請求項7】請求項6記載の半導体装置の製造方法にお
いて、前記第2の段階での加熱温度は950℃〜105
0℃の範囲であることを特徴とする半導体装置の製造方
法。 - 【請求項8】請求項6記載の半導体装置の製造方法にお
いて、前記第2の段階での加熱は抵抗加熱により行なう
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 【請求項9】請求項6記載の半導体装置の製造方法にお
いて、前記第2の段階での加熱はランプ加熱により行な
うことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 【請求項10】請求項6記載の半導体装置の製造方法に
おいて、前記混合ガス中の前記酸化性ガスの割合は1%
から60%の範囲であることを特徴とする半導体装置の
製造方法。
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JPH07193059A JPH07193059A (ja) | 1995-07-28 |
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JP33052793A Expired - Fee Related JP3256059B2 (ja) | 1993-12-27 | 1993-12-27 | 半導体装置の製造方法 |
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1993
- 1993-12-27 JP JP33052793A patent/JP3256059B2/ja not_active Expired - Fee Related
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