JP3998403B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はゲート絶縁膜近傍に窒化膜の存在するトランジスタに関し、特に窒化膜成膜後に高温工程を行う半導体装置及びその製造方法に関わる。
【0002】
【従来の技術】
年々、高集積化の進む半導体装置に於いては、微細化への要求として回路設計ルールの縮小化が取り入れられている。ロジックデバイス用のMOSトランジスタのゲート電極は、一般にNMOSトランジスタにはリン添加多結晶シリコンが、PMOSトランジスタにはホウ素添加多結晶シリコンが用いられる。このゲート電極周囲にシリコン窒化膜Si3N4がその上方や側壁に設けられている。またゲート絶縁膜には酸化膜あるいは酸窒化膜が用いられている。ホウ素のシリコン酸化膜中における拡散係数はリンに比べて大きく、素子の微細化に伴うゲート酸化膜の薄膜化により、ゲート電極にホウ素を添加後に高温工程を経るとゲート酸化膜中をホウ素が拡散し、シリコン半導体基板にホウ素が拡散してしまう。例えば、ゲート幅が0.13μm程度のトランジスタであれば、ゲート酸化膜は4nm程度に薄膜化する。通常PMOSトランジスタはN型ウェル上に形成されるため、ホウ素が半導体基板中に拡散することで閾値が変動する。
【0003】
また、ホウ素の拡散の仕方がセルによりばらつくことで閾値のばらつきが増大する。すなわち、微細化が進み、ゲート幅がゲート電極を構成する結晶粒界の間隔に近づき、より小さくなるにつれて、ゲートごとに結晶粒界が存在したりしなかったりするばらつきが生じてしまう。例えば、1000万個のトランジスタがひとつの半導体装置に含まれる場合、そのばらつきは多数のトランジスタの閾値のばらつきに影響することになる。
【0004】
その理由は、ゲート中に存在するホウ素は多結晶シリコン層の結晶粒界に偏析しやすく、結晶粒界の部分でホウ素の濃度が高くなっている。ゲート上あるいはゲートの側壁に窒化膜があると高温の熱工程により、窒化膜から水素が脱離してゲート絶縁膜に達し、ゲート絶縁膜に欠陥を形成する。この欠陥を介して多結晶シリコンゲート電極中のホウ素が半導体基板へ拡散する。この際、上述のように多結晶シリコン層中の結晶粒界には高濃度のホウ素が析出しており、結晶粒界では半導体基板へのホウ素の拡散が顕著に見られる。従って、結晶粒界の有無がトランジスタの閾値のばらつきの原因となる。
【0005】
ここで、半導体基板がNタイプの場合、基板のホウ素濃度は1017 cm-3程度であり、1016cm-3程度のわずかなホウ素が拡散するだけでも閾値が変動してしまう。
【0006】
なお、特開平10−22396号公報の図1などには、シリコン窒化膜の存在によるボロンの突き抜け拡散現象を防ぐためにボロンと水素の結合温度で熱処理を行う技術が記載されている。また、特開平11−97558号公報の図5などには、SiH2Cl2を800〜900℃で用いてトンネル酸化膜を形成する技術が記載されている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
以上のような従来の半導体装置の製造方法では、以下の課題が生じる。
【0008】
上記のホウ素の拡散は、MOSトランジスタの近傍にシリコン窒化膜が存在する場合に加速されることがわかっている。またこのようなホウ素の増速拡散を防止するためにシリコン酸化膜中に窒素を添加することが試みられているが、高濃度の窒素の添加により移動度が減少してトランジスタ特性を劣化させるという問題がある。
【0009】
一方、ソース、ドレインに形成する拡散層は、素子の微細化とともに浅くする必要がある。NMOSトランジスタにおいては、ソース、ドレインの拡散層はヒ素にて形成する。特にゲート幅が0.15μm程度の微細なトランジスタでは、ソース、ドレイン拡散層の近傍にシリコン窒化膜が存在する場合、ヒ素が増速拡散し浅い接合を形成することが困難である点も報告されている。
【0010】
また、フラッシュメモリにおいては、トンネル酸化膜を通して電子が移動することでデータの書き込み、読み出し、消去が行われる。このトンネル酸化膜を介した電子の移動に際して、その移動ごとに書き込み、読み出し、消去の特性が変化してしまうと半導体記憶装置として好ましくない。例えば、シリコン窒化膜がトンネル酸化膜近傍に存在する場合、高温工程によりシリコン窒化膜中の水素がトンネル酸化膜に取り込まれて、酸化膜に欠陥が生じ、酸化膜が薄膜化されている場合には、絶縁破壊寿命が短くなり、ストレス印加時の電子トラップ発生量が増加する。特に急速熱アニ−ル(RTA)では、1000℃で10秒の高温加熱、ファーネス炉では、900℃で30分程度の高温加熱を行うと窒化膜中の水素がトンネル酸化膜と反応して欠陥を形成していることが確認されている。このようにトンネル酸化膜の特性、特に電子トラップ密度の増加を引き起こすと書き換え回数が制限されてしまう課題もある。
【0011】
本発明の目的は以上のような従来技術の課題を解決することにある。
【0012】
特に、本発明の目的は、Si−H結合の少ない窒化膜を形成して、その後の高温熱工程を行ってもゲート絶縁膜の特性を維持する微細な半導体装置の製造方法を提供することにある。
【0013】
さらに本発明の他の目的はPMOSトランジスタを製造する際に熱工程での多結晶シリコン層から半導体基板へのホウ素の増速拡散を防止する半導体装置の製造方法を提供することにある。
【0014】
本発明の他の目的は、NMOSトランジスタを製造する際に熱工程での半導体基板中のヒ素の増速拡散を防止する半導体装置の製造方法を提供することにある。
【0015】
本発明の他の目的は、EEPROMを製造する際に、トンネル酸化膜の劣化を防止する点にある。
【0016】
【課題を解決するための手段】
半導体基板上にゲート絶縁膜を形成する工程と、前記ゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程と、前記ゲート電極を覆うようにシリコン酸化膜を形成する工程と、前記シリコン酸化膜上に、650度以下の温度でSi2Cl6を原料ガスとしてシリコン窒化膜を成膜する工程と、前記シリコン窒化膜の成膜温度から150度から250度高く、且つ800度以下の温度で熱処理を行う工程とを具備することで、Si−H結合の少ない窒化膜を形成する半導体装置の製造方法を提供することができる。
【0021】
【発明の実施の形態】
次に,図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり,厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は、現実のものとは異なる。従って、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。
(第1の実施の形態)
図2(a)に示されるように、P型シリコン基板1の一部にレジストマスク2を設ける。このレジストマスク2を用いて、P型シリコン基板中にイオン注入を行い、N型のウェル3を形成する。その後レジストを除去する。
【0022】
次いで、図2(b)に示されるように、この後NOガスを用いて、ゲート酸化膜となる熱酸窒化膜4を膜厚が2.0nmとなるように形成する。その後ゲート電極となる多結晶シリコン層5を膜厚が200nmとなるように形成する。その後、図3(a)に示されるように通常のリソグラフィー工程を用いてパターニングして多結晶シリコン層5を加工して、PMOSトランジスタのゲート電極6とNMOSトランジスタのゲート電極7を形成する。その後熱酸化法にて酸化膜8を膜厚が5nmとなるように形成する。
【0023】
次に図3(b)に示されるようにP型シリコン基板上のPMOSトランジスタ形成領域以外の上にレジストマスク9を設けて、PMOSトランジスタのゲート電極6をマスクとしてイオン注入法により、ホウ素をイオン注入しP型拡散層10を形成する。
【0024】
次に図4(a)に示されるようにレジストマスク9を除去した後に、今度はP型シリコン基板上のNMOSトランジスタ形成予定領域以外の上にレジストマスク11を設けて、NMOSトランジスタのゲート電極7をマスクとしてイオン注入法により、ヒ素をイオン注入しN型拡散層12を形成する。
【0025】
次に図4(b)に示されるように四塩化シリコンSiCl4とアンモニアNH3を原料ガスとして例えば温度700℃にて膜厚20nmのシリコン窒化膜Si3N413を形成する。
【0026】
次に図5(a)に示されるように、RIE法にてPMOSトランジスタ及びNMOSトランジスタのゲート電極の側壁のみ残してシリコン窒化膜13を除去する。その後さらにP型シリコン基板1上のPMOSトランジスタ形成予定領域以外の上にレジストマスク14を形成して、PMOSトランジスタのゲート電極6及びその側壁に形成されたシリコン窒化膜13をマスクとしてホウ素をイオン注入しソース、ドレインとなるP型拡散層15を形成する。
【0027】
次に図5(b)に示されるように、レジストマスク14を除去後、P型シリコン基板1上のPMOSトランジスタ形成予定領域以外の上にレジストマスク16を形成して、NMOSトランジスタのゲート電極7及びその側壁に形成されたシリコン窒化膜13をマスクとしてヒ素をイオン注入し、ソース、ドレインとなるN型拡散層17を形成する。
【0028】
次に図1に示されるように、レジストマスク16を除去後、イオン注入された不純物を活性化するために急速熱処理法により1050℃、30秒の熱処理を行って、それぞれのゲート周囲にシリコン窒化膜を設けたPMOSトランジスタ及びNMOSトランジスタを得る。
【0029】
本実施の形態の様にSiCl4を原料ガスとして用いてシリコン窒化膜を成膜することでゲート電極内でのホウ素のシリコン基板への突き抜けを大幅に抑制することができる。また、ヒ素により形成したN型拡散層17の増速拡散を防止でき、かつ容易に浅い接合を形成することができる。
【0030】
なお、熱酸窒化膜4形成においては、850℃において、NOを原料ガスとして用いて、酸化シリコン膜SiO2とシリコン窒化膜Si3N4との中間的性質を持つSiOxNyとして熱酸膣化膜4を生成している。
【0031】
ここでは、シリコン酸化膜の特性を向上させるために窒素を含有させて、水素が後に混入しても影響を受けにくい強い結合を形成している。しかしながらゲート酸化膜中に窒素を添加することでゲート酸化膜中の固定電荷や酸化膜/Si界面の界面準位が増加することが知られており、トランジスタ特性が劣化する。本実施の形態のように窒化膜にSi−Hの少ない窒化膜をゲート側壁等に用いた場合、酸窒化膜をゲート絶縁膜に用いないことも可能である。その場合には、トランジスタの特性をさらに向上できる。
【0032】
ここで、図6(a)にはP型シリコン基板上のNウェル中にホウ素を添加した多結晶シリコン電極を用いたMOSキャパシタのCV特性が示される。この図6(a)で示される特性は図7に示されるようなMOSキャパシタにおいて測定されたものである。図7に示されるMOSキャパシタでは、P型半導体基板20上のNウエル21中に酸化シリコン膜22を介してホウ素が添加されている多結晶シリコン層23が形成されている。この多結晶シリコン層23の上にシリコン窒化膜Si3N424が形成されている。このシリコン窒化膜24中の水素が多結晶シリコン層23を突き抜けて酸化シリコン膜22中に入り込むことで、酸化シリコン膜22に欠陥を形成する。この欠陥を介して多結晶シリコン層23中のホウ素、特に結晶粒界に偏析しているホウ素がNウエル21に入り込んでしまう。
【0033】
図6(b)では、フラットバンド電圧VFBは図6(a)中で特性が立ち上がる際の電圧値に対応し、トランジスタの閾値に相当する。ここで、Coxはシリコン酸化膜を光学的に測定した場合の膜厚に応じた容量を示す。また、Cgは実際のシリコン酸化膜の測定値に応じた容量である。従って、Cg/Coxはその値が1に近いことが好ましい。
【0034】
ここで、図6(a)中でDCSとして表示する従来のSiH2Cl2をシリコン原料ガスとしてアンモニアNH3と反応させて、780℃において窒化膜を形成した場合にはVFBが大きくずれて、シリコン基板中にBが拡散していることがわかる。一方本発明のように図6(a)中にTCSで示されるSiCl4をシリコン原料ガスとしてアンモニアNH3と反応させて、700℃で窒化膜を形成した場合にはこのようなBの突き抜けがまったく起こっていないことが分かる。
【0035】
ここで、図6(a)でDCSとTCSの分布を比較すると明らかにTCSの方がDCSに比べてVgの値が小さいうちにCg/Coxの値が大きくなっていて、TCSが特性上好ましい結果を示している。また、図6(b)に示されるように水素濃度とVFBの関係を示す特性図によれば、窒化膜中のSi−H濃度が増加すると、VFBのシフト量が増大することがわかる。すなわち、SiCl4とNH3とを反応させた場合には、700℃では、0.18V程度、780℃では0.15V程度のVFBが観測されている。また、SiH2Cl2とNH3とを反応させた場合には、700℃では、0.35V程度、780℃では0.23V程度のVFBが観測されている。また、Si2Cl6(図中HCDで示す)をNH3と反応させた場合には650℃で、0.7V程度のVFBが観測されている。
【0036】
閾値のばらつきは、図6(b)中でSiH濃度が0の場合に測定値の直線の縦軸との接点である0.175Vに対して+−0.01V以下に抑えることが半導体装置の特性上好ましい。そこで、測定値の直線が0.175Vに対して+0.01V加えられた位置は横軸では1×1020cm-3であることから、その場合の成膜温度は850℃程度以上であることが確認されている。
【0037】
さらにトランジスタで閾値電圧のばらつきを評価した結果、本実施の形態では従来例に比較して閾値ばらつきが小さくなっていた。これはBの突き抜けの仕方がトランジスタによって異なっていることにより閾値が変動しているためと考えられる。さらに従来方法で形成した場合にはN型拡散層12の拡散深さは25nmであるが本発明では20nm程度の深さとすることができる。これも窒化膜の水素による砒素の増速拡散が抑制されたためと考えられる。
【0038】
上記増速拡散のメカニズムは、窒化膜中の水素が窒化膜成膜後の高温工程によって脱離し、その水素が上述の劣化を引き起こしていると考えられる。窒化膜中の水素はSi−HあるいはN−Hの形態で取り込まれているが、水素の挙動はSi−HとN−Hの場合で大きく異なり上記増速拡散、トンネル酸化膜劣化に対しては特にSiに結合したHが支配的な役割を果たしていることが明らかとなった。
【0039】
そこで、Si−H結合の無いあるいは少ない窒化膜を形成することが重要である。そのためにSiH2Cl2を原料ガスとした場合には高温にて成膜を行うことにより、Si−H結合の少ない窒化膜を形成できる。また、原料ガスとして四塩化シリコンを用いることによりSi−H結合の無い窒化膜を形成できる。また、Si2Cl6を原料ガスとして使用し、700℃以下の低温で窒化膜を成膜後に成膜温度より高い温度でかつ、850℃以下の温度でアニールを行うことにより窒化膜中の水素を一旦脱離し、Si−H結合の少ない窒化膜を形成することができ、Si−H結合の影響を抑制できる。
【0040】
なお、上記のシリコン窒化膜の成膜温度や成膜後の高温加熱の温度は例えば、それぞれ、成膜装置及び加熱装置に備え付けられた熱電対を使用して測定し、その測定温度に基づいて温度制御を行っている。また、Si−H結合濃度は例えば、FT−IR法(フーリエ変換赤外分光法)による赤外線の吸光度スペクトルを用いて測定できる。
(第2の実施の形態)
本発明をEEPROMに適用した第2の実施の形態について説明する。図8はEEPROMの上平面を示す図である。このEEPROMの製造方法に係る工程が図8中でA−A´方向の断面図である制御電極方向の図面として、図9(a)及至図13(a)に示される。また、このEEPROMの製造方法に係る工程が図8中でB−B´方向の断面図である制御電極方向と垂直な方向の断面図が図9(b)及至図13(b)に示される。
【0041】
図9(a)及び図9(b)に示すようにシリコン基板31上にトンネル酸化膜となるシリコン酸化膜32を膜厚8nmにて形成する。その後、浮遊ゲート電極となる多結晶シリコン膜33を通常のCVD法にてシリコン酸化膜32上に膜厚200nmにて形成する。その後加工マスクとなるシリコン窒化膜34を膜厚200nmにて形成する。この際、シリコン窒化膜34は原料ガスとしてSiH2Cl2とNH3を用いて850℃で成膜を行う。その後レジストを用いた通常のリソグラフィー工程を用いて素子分離を行うための溝35を形成し、レジストを除去する。なお図9(b)に示される方向では溝35は示されない。
【0042】
次に図10(a)及び図10(b)に示すように、例えば1050℃、10〜20秒間の急速熱酸化法により膜厚6nmの酸化膜36を形成した後、溝35を膜厚500nmのシリコン酸化膜37で埋め込む。その後に化学的機械的平坦化法を用いてシリコン酸化膜37の上部を除去した後、シリコン窒化膜34を熱燐酸で除去する。なお、図10(b)では、シリコン窒化膜34が除去される工程のみが示されている。
【0043】
次に図11(a)及び図11(b)に示すように第2の浮遊ゲート電極となる多結晶シリコン膜38をCVD法にて膜厚100nmにて形成した後、通常のリソグラフィー工程により浮遊ゲート電極に加工する。
【0044】
次に図12(a)及び図12(b)に示すように、電極間絶縁膜としてONO膜39をCVD法にて膜厚がそれぞれ、酸化膜6nm、窒化膜8nm、酸化膜6nmとなるように連続して形成する。ここで、ONO膜39は溝35に埋め込まれた素子分離となるシリコン酸化膜37上の窪み形状に応じてその上面が窪んだ形状となっている。さらに制御電極となる多結晶シリコン膜40を膜厚300nm堆積する。この多結晶シリコン膜40は素子分離となるシリコン酸化膜37上の窪み形状に応じてその下面が下に凸な形状となって、ONO膜39の上面の窪みを覆う。多結晶シリコン膜40の上にシリコン窒化膜41をSiCl4とNH3を原料ガスとして用いたCVD法にて例えば温度700℃にて膜厚200nmにて形成した後、通常のリソグラフィー工程を用いて制御電極40、第2コントロール電極38、第1コントロール電極33をそれぞれパターニングして、溝42により分離する。
【0045】
最後に、図13(a)及び図13(b)に示すように1050℃での急速熱酸化法にて溝42表面及びシリコン窒化膜41上表面上に酸化膜43を10nm形成する。さらにシリコン窒化膜44をSiCl4とNH3を原料ガスとして例えば700℃の成膜温度にて、膜厚が20nmとなるように形成する。次いで、半導体基板31中にイオン注入にて拡散層45を形成して、1000℃以上で10〜20秒間急速熱処理法にて不純物の活性化アニールを行って、拡散層の抵抗を下げる。この拡散層45がEEPROMのソース、ドレインとして機能する。なお、図13(a)では、図12(a)と同じ形状が示されていて図13(b)のみに製造工程での特徴が示されている。
【0046】
窒化膜として上述のようなSi−Hの少ない膜を用いることでトラップ密度の上昇を大幅に抑制できることがわかる。上述したようにシリコン窒化膜として、SiH2Cl2を原料ガスとして高温、特に850℃で成膜した場合には図14に示すようにSi−H結合を大幅に減らすことができる。
【0047】
特に850℃で成膜した場合には、Si−H結合濃度は1.0×1020cm-3であり、NH濃度は4.0×1021cm-3であることが確認されている。また、780℃で成膜した場合には、Si−H濃度は2.5×1020cm-3であり、NH濃度は5.0×1021cm-3であることが確認されている。さらに700℃で成膜した場合には、Si−H濃度は8.0×1020cm-3であり、NH濃度は6.0×1021cm-3であることが確認されている。このように成膜温度を700℃から850℃まで変化させることで、Si−H濃度は8.0×1020cm-3、2.5×1020cm-3、1.0×1020cm-3と急激に減少しているのに対して、NH濃度は6.0×1021cm-3、5.0×1021cm-3、4.0×1021cm-3と直線的に減少している。
【0048】
このようにシリコン窒化膜中の水素の挙動に影響しないN−H結合濃度は各成膜温度でそれほど変化していないが、Si−H結合濃度は成膜温度を上昇させることで大幅に減少している。Si−H結合の濃度はこのようなシリコン窒化膜を用いることで通常の窒化膜を用いた場合に比べて大幅にトンネル酸化膜の劣化を抑制することができ、特性の安定したEEPROMを提供できる。
【0049】
なお、上記のシリコン窒化膜の成膜温度や成膜後の高温加熱の温度及びSi−H結合濃度は第1の実施の形態同様に測定できる。また、トンネル絶縁膜中の水素濃度をSIMS(Secondary Ion Mass Spectroscopy:二次元イオン質量分析装置)にて測定したところ、シリコン窒化膜中のSi−H濃度が増加するに従って、トンネル絶縁膜中の水素量が増加することがわかった。このように酸化膜中の水素濃度を測定することでも本実施の形態の効果を確認できる。
(第2の実施の形態の変形例)
ここで、図9(a)及び9(b)で示されたシリコン窒化膜34形成の際に、使用されているSiH2Cl2の替わりにSiCl4を用いることで700℃程度の低温で成膜してもSi−Hの無い膜を形成することができる。こうした場合、図12(a)及び12(b)で示されたシリコン窒化膜41形成の際及び図13(b)に示されるシリコン窒化膜44の形成に使用される原料ガスSiCl4と同一の原料ガスを使用することになり、シリコン窒化膜形成のために1種類のガスを用意することで製造方法が効率化される。このように形成されたシリコン窒化膜を用いることで通常のシリコン窒化膜を用いた場合に比べて大幅にトンネル酸化膜の劣化を抑制することができる。
(第3の実施の形態)
窒化膜形成のための原料ガスとして、Si2Cl6を用いて700℃以下好ましくは550℃で窒化膜を堆積した後、800℃で熱処理を行うことで、Si−H結合を大幅に低減できる。Si2Cl6を原料ガスとして窒化膜を低温で成膜することで、成膜直後のSi−H結合濃度は高くなるが、その後の熱工程で比較的低温でシリコンに結合した水素を窒化膜から脱離することができる。例えば、Si2Cl6を原料ガスとして550℃で成膜した窒化膜は800℃で熱処理することで成膜直後に6×1020cm-3あったSi−H結合濃度が2×1020cm-3に減少できる。
【0050】
Si−H結合は熱処理により脱離して素子特性に影響を及ぼすが、熱処理温度が800℃以下であれば、その影響を低減できる。またシリコン窒化膜の成膜温度を下げることで窒化膜中の水素を脱離しやすくなる。NMOS、PMOSトランジスタにおいては、この実施の形態によるシリコン窒化膜をゲート電極周囲に設けることで、ホウ素の基板への突き抜けやヒ素の基板への増速拡散を防止することができる。
【0051】
シリコン窒化膜の成膜温度が高すぎる場合には、シリコンに結合している水素を抜くのに高い温度が必要とされ、高い温度を加えた場合にはゲート絶縁膜に悪影響を与えるため、できるだけ成膜温度を低くすることが好ましい。しかし、成膜温度を低くすると、窒化膜の成長速度が遅くなってしまう。ここで、Si2Cl6を用いることで、SiH2Cl2を原料ガスとして用いる場合よりも同じ成膜温度では高速に成膜している。このようにSi2Cl6を用いて低温で高速に成膜した後、成膜温度よりも150℃〜250℃高く設定された温度で加熱することで、ゲート絶縁膜を劣化させることなく、水素を脱離している。すなわち、Si2Cl6を原料ガスとして、650℃以下の成膜温度でシリコン窒化膜を形成し、成膜温度以上で800℃以下の温度で熱処理を行うことで、Si−H濃度の低いシリコン窒化膜を形成できる。
【0052】
また、EEPROMにおいては、ゲート電極上のシリコン窒化膜をこの実施の形態により設けることで、ホウ素の基板への突き抜けを防止してトンネル酸化膜の特性を維持することができる。なお、EEPROMにおいては、熱窒化膜をトンネル酸化膜として利用することで、ホウ素の半導体基板への突き抜けを防止でき、トンネル酸化膜の特性を向上することができる。
【0053】
ここで、図15に示されるように、Si2Cl6とNH3を原料ガスとして550℃から650℃の範囲で窒化膜を成膜後に800℃でN2ガス中30分間熱処理を行うことにより窒化膜から水素を一旦除去した後、1000℃の熱工程を行った場合のホウ素添加多結晶シリコンをゲート電極に持つMOSキャパシタのC−V特性が示される。ここで、キャパシタの面積は0.1mm2で、窒化膜を用いない場合、窒化膜を用いて550℃、600℃、650℃でそれぞれ成膜した場合の電圧と容量の分布の関係が示されている。
【0054】
窒化膜の成膜温度が下がるのに伴って、Si−H結合が増加し、本来であればVFBのシフト量が増加する。しかしながら、800℃という低温で、30分間N2雰囲気で熱処理を行うことで素子(MOSキャパシタ)の特性を劣化させることなく、Siに結合したHを脱離できる。この後、1000℃の高温で熱処理を行う際には、既にSi−H結合は減少しており素子の特性劣化を抑制できる。800℃熱処理時の窒化膜中のSiに結合したHの脱離は窒化膜の成膜温度が低下するほど容易になり、図15に示すように成膜温度が低いほど特性の劣化が抑制できる。すなわち、成膜温度が低いほど、窒化膜を用いない場合の特性に近づいている。
【0055】
これにより従来シリコン酸化膜の特性を向上させるために窒素を含有させて後工程での水素混入の影響を防いでいた酸窒化膜をトンネル酸化膜として採用することなくトンネル酸化膜の特性を維持できる。
【0056】
なお、上記のシリコン窒化膜の成膜温度や成膜後の高温加熱の温度及びSi−H結合濃度は第1の実施の形態同様に測定できる。
【0057】
【発明の効果】
本発明によれば、Si−H結合の少ない窒化膜を形成して、その後の高温熱工程を行ってもゲート絶縁膜の特性を維持する微細な半導体装置の製造方法を提供できる。
【0058】
さらに本発明の他の特徴によればPMOSトランジスタを製造する際に熱工程での多結晶シリコン層から半導体基板へのホウ素の増速拡散を防止する半導体装置の製造方法を提供することができる。
【0059】
さらに本発明の他の特徴によれば、NMOSトランジスタを製造する際に熱工程での半導体基板中のヒ素の増速拡散を防止する半導体装置の製造方法を提供することができる。
【0060】
本発明の他の特徴によれば、EEPROMを製造する際に、トンネル酸化膜の劣化を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1の実施の形態である半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図。
【図2】 (a)は、本発明の第1の実施の形態である半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図。(b)は、本発明の第1の実施の形態である半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図。
【図3】 (a)は、本発明の第1の実施の形態である半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図。(b)は、本発明の第1の実施の形態である半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図。
【図4】 (a)は、本発明の第1の実施の形態である半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図。(b)は、本発明の第1の実施の形態である半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図。
【図5】 (a)は、本発明の第1の実施の形態である半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図。(b)は、本発明の第1の実施の形態である半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図。
【図6】 (a)は、本発明の効果を示すMOSキャパシタの容量−電圧特性を示す図。(b)は、本発明の効果を示す水素濃度とVfbの関係を示す図。
【図7】 本発明の効果を示すMOSキャパシタの構成図。
【図8】 本発明の第2の実施の形態を示す上面図。
【図9】 (a)は、本発明の第2の実施の形態である半導体装置の製造方法の一工程を示す図8中のA−A´方向の断面図。(b)は、本発明の第2の実施の形態である半導体装置の製造方法の一工程を示す図8中のB−B´方向の断面図。
【図10】 (a)は、本発明の第2の実施の形態である半導体装置の製造方法の一工程を示す図8中のA−A´方向の断面図。(b)は、本発明の第2の実施の形態である半導体装置の製造方法の一工程を示す図8中のB−B´方向の断面図。
【図11】 (a)は、本発明の第2の実施の形態である半導体装置の製造方法の一工程を示す図8中のA−A´方向の断面図。(b)は、本発明の第2の実施の形態である半導体装置の製造方法の一工程を示す図8中のB−B´方向の断面図。
【図12】 (a)は、本発明の第2の実施の形態である半導体装置の製造方法の一工程を示す図8中のA−A´方向の断面図。(b)は、本発明の第2の実施の形態である半導体装置の製造方法の一工程を示す図8中のB−B´方向の断面図。
【図13】 (a)は、本発明の第2の実施の形態である半導体装置の製造方法の一工程を示す図8中のA−A´方向の断面図。(b)は、本発明の第2の実施の形態である半導体装置の製造方法の一工程を示す図8中のB−B´方向の断面図。
【図14】 窒化膜中の水素濃度の成膜温度依存性を示す温度濃度特性図。
【図15】 MOSキャパシタの電圧と容量の関係を示す特性図。
【符号の説明】
1,20 P型シリコン基板
2,9,11,14,16 レジストマスク
3,21 N型ウエル
4 熱酸窒化膜
5 多結晶シリコン層
6,7 ゲート電極
8,36,43 酸化膜
10,15 P型拡散層
12,17 N型拡散層
20,13,24,34,41,44 シリコン窒化膜
22 酸化シリコン膜
23,33,38,40 多結晶シリコン膜
31 シリコン基板
32,37 シリコン酸化膜
35,42 溝
39 ONO膜
45 拡散層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a transistor having a nitride film in the vicinity of a gate insulating film, and more particularly to a semiconductor device that performs a high-temperature process after the nitride film is formed and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
In semiconductor devices that are becoming increasingly integrated year by year, circuit design rules have been reduced as a requirement for miniaturization. As the gate electrode of a MOS transistor for a logic device, phosphorus-doped polycrystalline silicon is generally used for an NMOS transistor and boron-doped polycrystalline silicon is used for a PMOS transistor. Around this gate electrode, a silicon nitride film Si 3 N 4 is provided above and on the side wall. An oxide film or an oxynitride film is used for the gate insulating film. The diffusion coefficient of boron in the silicon oxide film is larger than that of phosphorus. Due to the thinning of the gate oxide film due to the miniaturization of the element, boron diffuses in the gate oxide film after a high temperature process after adding boron to the gate electrode. Then, boron diffuses into the silicon semiconductor substrate. For example, in the case of a transistor having a gate width of about 0.13 μm, the gate oxide film is thinned to about 4 nm. Since the PMOS transistor is usually formed on the N-type well, the threshold value varies as boron diffuses into the semiconductor substrate.
[0003]
In addition, the dispersion of the threshold value increases because the diffusion method of boron varies from cell to cell. That is, as the miniaturization progresses and the gate width approaches the interval between the crystal grain boundaries constituting the gate electrode and becomes smaller, there is a variation that the crystal grain boundary exists or does not exist for each gate. For example, in the case where 10 million transistors are included in one semiconductor device, the variation affects the variation in threshold values of many transistors.
[0004]
The reason is that boron existing in the gate is easily segregated at the crystal grain boundary of the polycrystalline silicon layer, and the boron concentration is high at the crystal grain boundary part. If there is a nitride film on the gate or the side wall of the gate, hydrogen is desorbed from the nitride film and reaches the gate insulating film by a high-temperature thermal process, and defects are formed in the gate insulating film. Boron in the polycrystalline silicon gate electrode diffuses into the semiconductor substrate through this defect. At this time, as described above, high-concentration boron is precipitated at the crystal grain boundaries in the polycrystalline silicon layer, and boron diffusion into the semiconductor substrate is noticeable at the crystal grain boundaries. Therefore, the presence or absence of crystal grain boundaries causes variations in transistor thresholds.
[0005]
Here, when the semiconductor substrate is an N type, the boron concentration of the substrate is about 10 17 cm −3 , and the threshold value fluctuates even if a slight boron of about 10 16 cm −3 diffuses.
[0006]
Incidentally, FIG. 1 of Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-22396 discloses a technique for performing a heat treatment at a bonding temperature of boron and hydrogen in order to prevent a boron penetration diffusion phenomenon due to the presence of a silicon nitride film. Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-97558 discloses a technique for forming a tunnel oxide film by using SiH 2 Cl 2 at 800 to 900 ° C.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
The conventional method for manufacturing a semiconductor device as described above has the following problems.
[0008]
It has been found that the boron diffusion is accelerated when a silicon nitride film is present in the vicinity of the MOS transistor. In order to prevent such accelerated diffusion of boron, it has been attempted to add nitrogen to the silicon oxide film. However, the addition of a high concentration of nitrogen reduces the mobility and deteriorates the transistor characteristics. There's a problem.
[0009]
On the other hand, the diffusion layers formed in the source and drain need to be shallow as the element is miniaturized. In the NMOS transistor, the source and drain diffusion layers are formed of arsenic. In particular, in a fine transistor having a gate width of about 0.15 μm, when a silicon nitride film is present in the vicinity of the source and drain diffusion layers, it has been reported that it is difficult to form a shallow junction due to accelerated diffusion of arsenic. ing.
[0010]
In the flash memory, data is written, read, and erased by moving electrons through the tunnel oxide film. When electrons move through the tunnel oxide film, if the characteristics of writing, reading, and erasing change with each movement, it is not preferable as a semiconductor memory device. For example, when a silicon nitride film is present in the vicinity of the tunnel oxide film, hydrogen in the silicon nitride film is taken into the tunnel oxide film by a high temperature process, causing a defect in the oxide film, and the oxide film is thinned. This shortens the dielectric breakdown lifetime and increases the amount of electron traps generated when stress is applied. In particular, rapid thermal annealing (RTA) is heated at 1000 ° C. for 10 seconds, and furnace furnace is heated at 900 ° C. for about 30 minutes. Has been confirmed to form. As described above, when the characteristics of the tunnel oxide film, in particular, the electron trap density is increased, the number of rewrites is limited.
[0011]
An object of the present invention is to solve the above-described problems of the prior art.
[0012]
In particular, an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a fine semiconductor device in which a nitride film with few Si—H bonds is formed, and the characteristics of the gate insulating film are maintained even after a subsequent high-temperature thermal process. is there.
[0013]
Still another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor device that prevents accelerated diffusion of boron from a polycrystalline silicon layer to a semiconductor substrate in a thermal process when manufacturing a PMOS transistor.
[0014]
Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor device that prevents the accelerating diffusion of arsenic in a semiconductor substrate during a thermal process when manufacturing an NMOS transistor.
[0015]
Another object of the present invention is to prevent deterioration of a tunnel oxide film when manufacturing an EEPROM.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
Forming a gate insulating film on the semiconductor substrate; forming a gate electrode through the gate insulating film; forming a silicon oxide film so as to cover the gate electrode; and on the silicon oxide film , A step of forming a silicon nitride film using Si 2 Cl 6 as a source gas at a temperature of 650 ° C. or lower, and a heat treatment at a temperature of 150 to 250 ° C. and 800 ° C. or lower from the silicon nitride film forming temperature. A manufacturing method of a semiconductor device in which a nitride film with few Si—H bonds is formed can be provided.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, the drawings are schematic, and the relationship between the thickness and the planar dimensions, the ratio of the thickness of each layer, and the like are different from the actual ones. Accordingly, specific thicknesses and dimensions should be determined in consideration of the following description. Moreover, the part from which the relationship and ratio of a mutual dimension differ also in between drawings is contained.
(First embodiment)
As shown in FIG. 2A, a resist
[0022]
Next, as shown in FIG. 2B, a
[0023]
Next, as shown in FIG. 3B, a resist
[0024]
Next, after removing the resist
[0025]
Next, as shown in FIG. 4B, a silicon nitride film Si 3 N 4 13 having a film thickness of 20 nm is formed at a temperature of 700 ° C. using silicon tetrachloride SiCl 4 and ammonia NH 3 as source gases.
[0026]
Next, as shown in FIG. 5A, the
[0027]
Next, as shown in FIG. 5B, after removing the resist mask 14, a resist mask 16 is formed on the P-
[0028]
Next, as shown in FIG. 1, after removing the resist mask 16, heat treatment is performed at 1050 ° C. for 30 seconds by a rapid heat treatment method to activate the ion-implanted impurities, and silicon nitride is formed around each gate. A PMOS transistor and an NMOS transistor provided with a film are obtained.
[0029]
By forming a silicon nitride film using SiCl 4 as a source gas as in the present embodiment, penetration of boron into the silicon substrate in the gate electrode can be significantly suppressed. Further, the accelerated diffusion of the N-
[0030]
In the formation of the
[0031]
Here, in order to improve the characteristics of the silicon oxide film, nitrogen is included to form a strong bond that is hardly affected even if hydrogen is mixed later. However, it is known that the addition of nitrogen to the gate oxide film increases the fixed charge in the gate oxide film and the interface state at the oxide film / Si interface, which degrades the transistor characteristics. In the case where a nitride film with little Si—H is used for the gate sidewall or the like as in the present embodiment, the oxynitride film may not be used for the gate insulating film. In that case, the characteristics of the transistor can be further improved.
[0032]
Here, FIG. 6A shows CV characteristics of a MOS capacitor using a polycrystalline silicon electrode in which boron is added to an N well on a P-type silicon substrate. The characteristics shown in FIG. 6A are measured in a MOS capacitor as shown in FIG. In the MOS capacitor shown in FIG. 7, a polycrystalline silicon layer 23 to which boron is added is formed in an N well 21 on a P-type semiconductor substrate 20 through a silicon oxide film 22. A silicon nitride film Si 3 N 4 24 is formed on the polycrystalline silicon layer 23. Hydrogen in the silicon nitride film 24 penetrates the polycrystalline silicon layer 23 and enters the silicon oxide film 22, thereby forming a defect in the silicon oxide film 22. Through this defect, boron in the polycrystalline silicon layer 23, particularly boron segregated at the grain boundary, enters the N well 21.
[0033]
In FIG. 6B, the flat band voltage V FB corresponds to the voltage value when the characteristic rises in FIG. 6A and corresponds to the threshold value of the transistor. Here, Cox indicates a capacity corresponding to the film thickness when the silicon oxide film is optically measured. Cg is a capacity according to the actual measurement value of the silicon oxide film. Therefore, it is preferable that the value of Cg / Cox is close to 1.
[0034]
Here, when a conventional SiH 2 Cl 2 indicated as DCS in FIG. 6A is reacted with ammonia NH 3 as a silicon source gas to form a nitride film at 780 ° C., V FB is greatly shifted. It can be seen that B is diffused in the silicon substrate. On the other hand, when the nitride film is formed at 700 ° C. by reacting SiCl 4 shown by TCS in FIG. 6A with ammonia NH 3 as a silicon source gas as shown in FIG. You can see that nothing has happened.
[0035]
Here, when the distribution of DCS and TCS is compared in FIG. 6A, the value of Cg / Cox is clearly larger in TCS while the value of Vg is smaller than that in DCS, and TCS is preferable in terms of characteristics. Results are shown. Further, as shown in FIG. 6B, according to the characteristic diagram showing the relationship between the hydrogen concentration and V FB , it can be seen that the shift amount of V FB increases as the Si—H concentration in the nitride film increases. . That is, when SiCl 4 and NH 3 are reacted, V FB of about 0.18 V is observed at 700 ° C. and about 0.15 V is observed at 780 ° C. Further, when SiH 2 Cl 2 and NH 3 are reacted, V FB of about 0.35 V is observed at 700 ° C. and about 0.23 V is observed at 780 ° C. When Si 2 Cl 6 (indicated by HCD in the figure) is reacted with NH 3 , V FB of about 0.7 V is observed at 650 ° C.
[0036]
The variation in threshold value is suppressed to + −0.01 V or less with respect to 0.175 V that is a contact point with the vertical axis of the measurement value line when the SiH concentration is 0 in FIG. 6B. It is preferable in terms of characteristics. Therefore, since the position where the straight line of the measured value is added to +0.01 V with respect to 0.175 V is 1 × 10 20 cm −3 on the horizontal axis, the film forming temperature in that case should be about 850 ° C. or more. Has been confirmed.
[0037]
Further, as a result of evaluating the variation of the threshold voltage with the transistor, the variation in the threshold is smaller in the present embodiment than in the conventional example. This is presumably because the threshold value fluctuates because the manner of penetration of B differs depending on the transistor. Further, when formed by the conventional method, the diffusion depth of the N-
[0038]
The mechanism of the enhanced diffusion is considered that hydrogen in the nitride film is desorbed by a high-temperature process after the nitride film is formed, and the hydrogen causes the above-described deterioration. Hydrogen in the nitride film is incorporated in the form of Si-H or NH, but the behavior of hydrogen is greatly different between Si-H and NH, with respect to the above-mentioned enhanced diffusion and tunnel oxide film degradation. In particular, it became clear that H bonded to Si plays a dominant role.
[0039]
Therefore, it is important to form a nitride film having no or few Si—H bonds. Therefore, when SiH 2 Cl 2 is used as a source gas, a nitride film with few Si—H bonds can be formed by performing film formation at a high temperature. Further, a nitride film having no Si—H bond can be formed by using silicon tetrachloride as a source gas. Further, by using Si 2 Cl 6 as a source gas and forming a nitride film at a low temperature of 700 ° C. or lower, annealing is performed at a temperature higher than the film forming temperature and at a temperature of 850 ° C. or lower, thereby forming hydrogen in the nitride film. Can be removed once and a nitride film with few Si—H bonds can be formed, and the influence of Si—H bonds can be suppressed.
[0040]
In addition, the film-forming temperature of the silicon nitride film and the temperature of the high-temperature heating after the film-forming are measured using, for example, a thermocouple provided in the film-forming apparatus and the heating apparatus, respectively, and based on the measured temperature. Temperature control is performed. The Si—H bond concentration can be measured using, for example, an infrared absorbance spectrum by the FT-IR method (Fourier transform infrared spectroscopy).
(Second Embodiment)
A second embodiment in which the present invention is applied to an EEPROM will be described. FIG. 8 is a diagram showing an upper plane of the EEPROM. 9A to 13A are shown as drawings in the control electrode direction, which is a cross-sectional view in the direction of AA ′ in FIG. 9B to 13B are cross-sectional views in the direction perpendicular to the control electrode direction, which is a cross-sectional view taken along the line BB ′ in FIG. .
[0041]
As shown in FIGS. 9A and 9B, a
[0042]
Next, as shown in FIGS. 10A and 10B, an
[0043]
Next, as shown in FIGS. 11A and 11B, a
[0044]
Next, as shown in FIGS. 12A and 12B, an
[0045]
Finally, as shown in FIGS. 13A and 13B, an oxide film 43 of 10 nm is formed on the surface of the groove 42 and the upper surface of the
[0046]
It can be seen that an increase in trap density can be significantly suppressed by using a film with less Si—H as described above as the nitride film. As described above, when the silicon nitride film is formed using SiH 2 Cl 2 as a source gas at a high temperature, particularly at 850 ° C., Si—H bonds can be greatly reduced as shown in FIG.
[0047]
In particular, when the film is formed at 850 ° C., it has been confirmed that the Si—H bond concentration is 1.0 × 10 20 cm −3 and the NH concentration is 4.0 × 10 21 cm −3 . In addition, when the film is formed at 780 ° C., it is confirmed that the Si—H concentration is 2.5 × 10 20 cm −3 and the NH concentration is 5.0 × 10 21 cm −3 . Further, when the film is formed at 700 ° C., it is confirmed that the Si—H concentration is 8.0 × 10 20 cm −3 and the NH concentration is 6.0 × 10 21 cm −3 . By changing the film formation temperature from 700 ° C. to 850 ° C. in this way, the Si—H concentration is 8.0 × 10 20 cm −3 , 2.5 × 10 20 cm −3 , 1.0 × 10 20 cm. The NH concentration decreases linearly to 6.0 × 10 21 cm −3 , 5.0 × 10 21 cm −3 , and 4.0 × 10 21 cm −3 , while it decreases sharply to −3 . is decreasing.
[0048]
As described above, the N—H bond concentration that does not affect the behavior of hydrogen in the silicon nitride film does not change so much at each film formation temperature, but the Si—H bond concentration significantly decreases by increasing the film formation temperature. ing. By using such a silicon nitride film, the Si-H bond concentration can greatly suppress the deterioration of the tunnel oxide film as compared with the case of using a normal nitride film, and can provide an EEPROM having stable characteristics. .
[0049]
The film formation temperature of the silicon nitride film, the temperature of the high-temperature heating after the film formation, and the Si—H bond concentration can be measured as in the first embodiment. Further, when the hydrogen concentration in the tunnel insulating film was measured by SIMS (Secondary Ion Mass Spectroscopy), the hydrogen in the tunnel insulating film increased as the Si-H concentration in the silicon nitride film increased. The amount was found to increase. Thus, the effect of this embodiment can also be confirmed by measuring the hydrogen concentration in the oxide film.
(Modification of the second embodiment)
Here, when the
(Third embodiment)
Si—H bonds can be greatly reduced by performing a heat treatment at 800 ° C. after depositing a nitride film at 700 ° C. or less, preferably 550 ° C. using Si 2 Cl 6 as a source gas for forming the nitride film. . By forming a nitride film at a low temperature using Si 2 Cl 6 as a source gas, the Si—H bond concentration immediately after the film formation becomes high, but hydrogen bonded to silicon at a relatively low temperature in the subsequent thermal process is converted into a nitride film. Can be desorbed from. For example, a nitride film formed at 550 ° C. using Si 2 Cl 6 as a source gas is heat-treated at 800 ° C., so that the Si—H bond concentration, which was 6 × 10 20 cm −3 immediately after the film formation, is 2 × 10 20 cm. Can be reduced to -3 .
[0050]
The Si—H bond is desorbed by heat treatment and affects the device characteristics, but if the heat treatment temperature is 800 ° C. or less, the influence can be reduced. Moreover, it becomes easy to desorb hydrogen in the nitride film by lowering the deposition temperature of the silicon nitride film. In the NMOS and PMOS transistors, by providing the silicon nitride film according to this embodiment around the gate electrode, it is possible to prevent boron from penetrating into the substrate and accelerating diffusion of arsenic into the substrate.
[0051]
If the silicon nitride film formation temperature is too high, a high temperature is required to remove hydrogen bonded to silicon, and if a high temperature is applied, the gate insulating film will be adversely affected. It is preferable to lower the deposition temperature. However, when the film formation temperature is lowered, the growth rate of the nitride film becomes slow. Here, by using Si 2 Cl 6 , film formation is performed at a higher speed at the same film formation temperature than when SiH 2 Cl 2 is used as a source gas. Thus, after forming a film at a low temperature and using Si 2 Cl 6 at a high speed, the film is heated at a temperature set to 150 ° C. to 250 ° C. higher than the film forming temperature, so that the gate insulating film is not deteriorated. Is detached. That is, by using Si 2 Cl 6 as a source gas, a silicon nitride film is formed at a film formation temperature of 650 ° C. or lower, and heat treatment is performed at a temperature of 800 ° C. or higher. A nitride film can be formed.
[0052]
Further, in the EEPROM, by providing the silicon nitride film on the gate electrode according to this embodiment, it is possible to prevent the boron from penetrating into the substrate and maintain the characteristics of the tunnel oxide film. In the EEPROM, by using a thermal nitride film as a tunnel oxide film, it is possible to prevent boron from penetrating into the semiconductor substrate and improve the characteristics of the tunnel oxide film.
[0053]
Here, as shown in FIG. 15, by performing a heat treatment in N 2 gas at 800 ° C. for 30 minutes after forming a nitride film in the range of 550 ° C. to 650 ° C. using Si 2 Cl 6 and NH 3 as source gases. The CV characteristics of a MOS capacitor having boron-added polycrystalline silicon as a gate electrode when a thermal process at 1000 ° C. is performed after removing hydrogen from the nitride film once are shown. Here, the area of the capacitor is 0.1 mm 2 , and when the nitride film is not used, the relationship between the voltage and the capacitance distribution when the nitride film is used and formed at 550 ° C., 600 ° C., and 650 ° C. is shown. ing.
[0054]
As the deposition temperature of the nitride film decreases, the Si—H bond increases, and the shift amount of V FB increases. However, by performing heat treatment at a low temperature of 800 ° C. for 30 minutes in an N 2 atmosphere, H bonded to Si can be desorbed without deteriorating the characteristics of the element (MOS capacitor). Thereafter, when heat treatment is performed at a high temperature of 1000 ° C., the Si—H bond has already decreased, and the deterioration of the characteristics of the device can be suppressed. Desorption of H bonded to Si in the nitride film during the heat treatment at 800 ° C. becomes easier as the deposition temperature of the nitride film decreases, and as shown in FIG. . That is, the lower the film formation temperature, the closer to the characteristics when the nitride film is not used.
[0055]
As a result, it is possible to maintain the characteristics of the tunnel oxide film without adopting an oxynitride film, which has previously contained nitrogen in order to improve the characteristics of the silicon oxide film to prevent the influence of hydrogen incorporation in the subsequent process, as the tunnel oxide film. .
[0056]
The film formation temperature of the silicon nitride film, the temperature of the high-temperature heating after the film formation, and the Si—H bond concentration can be measured as in the first embodiment.
[0057]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to provide a method for manufacturing a fine semiconductor device that maintains the characteristics of a gate insulating film even when a nitride film with few Si—H bonds is formed and a subsequent high-temperature thermal process is performed.
[0058]
Furthermore, according to another aspect of the present invention, a method of manufacturing a semiconductor device can be provided that prevents accelerated diffusion of boron from a polycrystalline silicon layer to a semiconductor substrate in a thermal process when manufacturing a PMOS transistor.
[0059]
Furthermore, according to another aspect of the present invention, a method of manufacturing a semiconductor device can be provided that prevents accelerated diffusion of arsenic in a semiconductor substrate during a thermal process when manufacturing an NMOS transistor.
[0060]
According to another aspect of the present invention, the deterioration of the tunnel oxide film can be prevented when manufacturing the EEPROM.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a step of a method for manufacturing a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2A is a cross-sectional view showing a step of the method of manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. (B) is sectional drawing which shows 1 process of the manufacturing method of the semiconductor device which is the 1st Embodiment of this invention.
FIG. 3A is a cross-sectional view showing a step of the method of manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. (B) is sectional drawing which shows 1 process of the manufacturing method of the semiconductor device which is the 1st Embodiment of this invention.
FIG. 4A is a cross-sectional view showing a step of the method of manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. (B) is sectional drawing which shows 1 process of the manufacturing method of the semiconductor device which is the 1st Embodiment of this invention.
FIG. 5A is a cross-sectional view showing a step of the method of manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. (B) is sectional drawing which shows 1 process of the manufacturing method of the semiconductor device which is the 1st Embodiment of this invention.
FIG. 6A is a diagram showing capacitance-voltage characteristics of a MOS capacitor showing the effect of the present invention. (B) is a figure which shows the relationship between the hydrogen concentration which shows the effect of this invention, and Vfb.
FIG. 7 is a configuration diagram of a MOS capacitor showing the effect of the present invention.
FIG. 8 is a top view showing a second embodiment of the present invention.
FIG. 9A is a cross-sectional view taken along the line AA ′ in FIG. 8, showing one step in the method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. (B) is sectional drawing of the BB 'direction in FIG. 8 which shows 1 process of the manufacturing method of the semiconductor device which is the 2nd Embodiment of this invention.
FIG. 10A is a cross-sectional view taken along the line AA ′ in FIG. 8, showing one step in the method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. (B) is sectional drawing of the BB 'direction in FIG. 8 which shows 1 process of the manufacturing method of the semiconductor device which is the 2nd Embodiment of this invention.
FIG. 11A is a cross-sectional view taken along the line AA ′ in FIG. 8, showing one step in the method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. (B) is sectional drawing of the BB 'direction in FIG. 8 which shows 1 process of the manufacturing method of the semiconductor device which is the 2nd Embodiment of this invention.
FIG. 12A is a cross-sectional view taken along the line AA ′ in FIG. 8, showing one step in the method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. (B) is sectional drawing of the BB 'direction in FIG. 8 which shows 1 process of the manufacturing method of the semiconductor device which is the 2nd Embodiment of this invention.
FIG. 13A is a cross-sectional view taken along the line AA ′ in FIG. 8, showing one step in the method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. (B) is sectional drawing of the BB 'direction in FIG. 8 which shows 1 process of the manufacturing method of the semiconductor device which is the 2nd Embodiment of this invention.
FIG. 14 is a temperature concentration characteristic diagram showing the film formation temperature dependence of the hydrogen concentration in the nitride film.
FIG. 15 is a characteristic diagram showing the relationship between the voltage and capacitance of a MOS capacitor.
[Explanation of symbols]
1,20 P-
Claims (4)
前記ゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程と、
前記ゲート電極を覆うようにシリコン酸化膜を形成する工程と、
前記シリコン酸化膜上に、650度以下の温度でSi2Cl6を原料ガスとしてシリコン窒化膜を成膜する工程と、
前記シリコン窒化膜の成膜温度から150度から250度高く、且つ800度以下の温度で熱処理を行う工程とからなることを特徴とする半導体装置の製造方法。Forming a gate insulating film on the semiconductor substrate;
Forming a gate electrode through the gate insulating film;
Forming a silicon oxide film so as to cover the gate electrode;
Forming a silicon nitride film on the silicon oxide film at a temperature of 650 ° C. or less using Si 2 Cl 6 as a source gas;
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising a step of performing a heat treatment at a temperature of 150 to 250 degrees higher than the deposition temperature of the silicon nitride film and at a temperature of 800 degrees or less .
前記ゲート絶縁膜を介して多結晶シリコン膜を形成する工程と、
前記多結晶シリコン膜上に、650度以下の温度でSi2Cl6を原料ガスとしてシリコン窒化膜を成膜する工程と、
前記シリコン窒化膜の成膜温度から150度から250度高く、且つ800度以下の温度で熱処理を行う工程とからなることを特徴とする半導体装置の製造方法。Forming a gate insulating film on the semiconductor substrate;
Forming a polycrystalline silicon film through the gate insulating film;
Forming a silicon nitride film on the polycrystalline silicon film at a temperature of 650 ° C. or less using Si 2 Cl 6 as a source gas;
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising a step of performing a heat treatment at a temperature of 150 to 250 degrees higher than the deposition temperature of the silicon nitride film and at a temperature of 800 degrees or less .
前記ゲート絶縁膜を介して多結晶シリコン膜を形成する工程と、
前記多結晶シリコン膜上に電極間絶縁膜を形成する工程と、
前記電極間絶縁膜上に多結晶シリコン膜を形成する工程と、
前記電極間絶縁膜上に形成された前記多結晶シリコン膜上に、650度以下の温度でSi2Cl6を原料ガスとしてシリコン窒化膜を成膜する工程と、
前記シリコン窒化膜の成膜温度から150度から250度高く、且つ800度以下の温度で熱処理を行う工程とからなることを特徴とする半導体装置の製造方法。Forming a gate insulating film on the semiconductor substrate;
Forming a polycrystalline silicon film through the gate insulating film;
Forming an interelectrode insulating film on the polycrystalline silicon film;
Forming a polycrystalline silicon film on the interelectrode insulating film;
Forming a silicon nitride film on the polycrystalline silicon film formed on the interelectrode insulating film at a temperature of 650 ° C. or less using Si 2 Cl 6 as a source gas;
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising a step of performing a heat treatment at a temperature of 150 to 250 degrees higher than the deposition temperature of the silicon nitride film and at a temperature of 800 degrees or less .
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