JP4560809B2 - Manufacturing method of semiconductor integrated circuit device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体集積回路装置の製造技術に関し、特に、微細なMISFET(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor)のゲート構造の製造に適用して有効な技術に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
MISFETのゲート電極の低抵抗化を図るため、多結晶シリコン膜上にタングステン等の高融点金属を積層した、いわゆるポリメタルゲートが採用されている。
【0003】
一方、ゲート電極のエッチングの際、ゲート電極下部のゲート絶縁膜もエッチングされてしまい、ゲート絶縁膜の耐圧が低下することから、ゲート電極側壁およびゲート電極近傍のシリコン基板表面を熱酸化し、熱酸化膜を形成する、いわゆるライト酸化処理が行われている。
【0004】
例えば、特開平10−335652号公報には、ポリメタルゲートのライト酸化処理に関する技術が開示されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
このポリメタルゲートのライト酸化処理は、ポリメタルゲートを構成する高融点金属が非常に酸化されやすく、高融点金属膜の酸化によりその抵抗値が増加してしまうことから、高融点金属膜の酸化を防止しつつ、下層の多結晶シリコン膜および基板表面のみを酸化する処理が検討されている。
【0006】
例えば、水蒸気/水素混合ガス中でライト酸化(ウエットハイドロゲン(Wet. Hydrogen)酸化)を行った場合には、金属膜を酸化することなく、シリコン(多結晶シリコン、シリコン基板)のみを選択的に酸化することができる。
【0007】
しかしながら、Wet. Hydrogen酸化処理を施した半導体集積回路装置に関し、本発明者らは、以下に示すような問題を認識した。
【0008】
即ち、DRAM(Dynamic Random Access Memory)メモリセルのリフレッシュ特性が悪く、周辺回路のpチャネル型MISFETにキンク現象が見られる等の問題が認められた。また、前記メモリセルを構成するnチャネル型MISFETの閾値Vthが高く、サブスレッショルド係数が大きい。また、セルリーク電流が多い等の問題が認められた。
【0009】
本発明者らは、かかる問題を鋭意検討した結果、Wet. Hydrogen酸化処理を施した半導体集積回路装置のライト酸化膜の膜厚が5nm以下と、ごく薄くなっていることから前記問題の原因を次のように分析した。なお、ライト酸化膜の膜厚が5nm以下となるのは、Wet Hydrogen酸化の酸化条件(水蒸気/水素混合比、処理時間等)によっては、タングステン膜等の高融点金属膜に異常酸化が生じ、ゲート電極間のショート等の要因となるため、この異常酸化を防止する条件下では、5nm以下の膜厚しか確保できないからである。
【0010】
即ち、追って詳細に説明するように、ライト酸化膜上には窒化シリコン膜からなるサイドウォールスペーサ膜が積層され、窒化シリコン膜とライト酸化膜との界面に負電荷が形成される。メモリセルを構成するnチャネル型MISFETにおいては、この負電荷によりn-型拡散層の表面が空乏化し、ライト酸化膜と基板との界面準位に起因して接合リーク電流が増加する。また、n-型拡散層の表面が空乏化すると、ゲート電極端部で実行的なゲート絶縁膜厚が増加するためサブスレショルド係数が大きくなる。さらに、n-型拡散層が実効的にオフセット構造に近づくためにMISFETの閾値電位Vthが高くなってしまう。
【0011】
また、ゲート電極端部の負電荷の影響を受けてメモリセルのセルトランジスタの接合電界が大きくなり、リフレッシュ特性が劣化してしまう。
【0012】
さらに、ゲート電極端部に負電荷が存在すると、周辺回路のpチャネル型MISFETにおいては、n型基板(ウエル)が空乏化するためVthが低くなり、特に、溝型素子分離構造を採用した場合には、溝内の分離酸化膜が後退するリセス現象が生じ(図22)、キンク現象(ゲート絶縁膜がゲート電極端部で局所的に薄くなり、この部分にゲート電圧による電界が集中し、低いゲート電圧(V)でもドレイン電流(A)が流れてしまう(図21)現象)が発生する。
【0013】
本発明の目的は、ゲート電極側壁に薄い窒化シリコン膜から成るサイドウォール膜を形成した後、ゲート電極側部のシリコン基板表面を熱酸化し、厚いライト酸化膜を形成することにより、メモリセルのリフレッシュ特性を向上させることにある。また、本発明の他の目的は、メモリセルを構成するnチャネル型MISFETの閾値Vthの上昇を抑え、また、サブスレッショルド係数の増加を抑え、さらには、セルリーク電流の低減を図ることにある。
【0014】
また、本発明の他の目的は、周辺回路のpチャネル型MISFETのキンク現象の発生の低減を図ることにある。
【0015】
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【0016】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
【0025】
(1)本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、(a)半導体基板上に、ゲート絶縁膜を形成する工程と、(b)前記ゲート絶縁膜上に多結晶シリコン膜、高融点金属膜および窒化シリコン膜を順次形成し、パターニングすることによって前記多結晶シリコン膜および前記高融点金属膜を含むゲート電極を形成する工程と、(c)ウェットハイドロゲン酸化を行い、前記多結晶シリコン膜の側面および前記半導体基板の表面に第1のライト酸化膜を形成する工程と、(d)前記ゲート電極の側壁に窒化シリコン膜を用いてサイドウォール膜を形成する工程と、(e)酸化性雰囲気で熱処理を行い、前記ゲート電極および前記サイドウォール膜で覆われていない前記半導体基板の表面に第2のライト酸化膜を形成する工程と、(f)前記半導体基板に不純物を注入して低濃度拡散層を形成する工程と、を有する。
(2)本発明の別の実施形態における、半導体集積回路装置の製造方法は、半導体基板のメモリセル形成領域に形成された情報転送用nチャネル型MISFETと、容量素子から成るメモリセルおよび周辺回路形成領域に形成されたCMIS構成用nチャネル型MISFETおよびpチャネル型MISFETと、を有する半導体集積回路装置の製造方法であって、(a)半導体基板上に、ゲート絶縁膜を形成する工程と、(b)前記ゲート絶縁膜上に多結晶シリコン膜、高融点金属膜および窒化シリコン膜を順次形成し、パターニングすることによって前記メモリセル領域および前記周辺回路領域に、前記多結晶シリコン膜および前記高融点金属膜を含むゲート電極を形成する工程と、(c)ウェットハイドロゲン酸化を行い、前記メモリセル領域および前記周辺回路領域に形成した前記ゲート電極の前記多結晶シリコン膜の側面と、前記メモリセル領域および前記周辺回路領域の前記半導体基板の表面とに、第1のライト酸化膜を形成する工程と、
(d)前記メモリセル領域および前記周辺回路領域の前記半導体基板上を覆う窒化シリコン膜を形成する工程と、(e)異方的エッチングを行って、前記メモリセル領域の前記半導体基板上に形成されている前記窒化シリコン膜を除去することで、前記メモリセル領域に形成した前記ゲート電極の側面に前記窒化シリコン膜からなるサイドウォール膜を形成すると共に、前記周辺回路領域の半導体基板上に形成されている前記窒化シリコン膜を残存させる工程と、(f)酸化性雰囲気で熱処理を行い、前記メモリセル領域の前記半導体基板の表面に第2のライト酸化膜を形成する工程と、(g)前記メモリセル領域の前記半導体基板に不純物を注入して低濃度拡散層を形成する工程と、を有する。
(3)本発明のさらに別の実施形態における、半導体集積回路装置の製造方法は、半導体基板のメモリセル形成領域に形成された情報転送用nチャネル型MISFETと、容量素子から成るメモリセルおよび周辺回路形成領域に形成されたCMIS構成用nチャネル型MISFETおよびpチャネル型MISFETと、を有する半導体集積回路装置の製造方法であって、(a)半導体基板上に、ゲート絶縁膜を形成する工程と、(b)前記ゲート絶縁膜上に多結晶シリコン膜、高融点金属膜および窒化シリコン膜を順次形成し、パターニングすることによって前記メモリセル領域および前記周辺回路領域に、前記多結晶シリコン膜および前記高融点金属膜を含むゲート電極を形成する工程と、(c)ウェットハイドロゲン酸化を行い、前記メモリセル領域および前記周辺回路領域に形成した前記ゲート電極の前記多結晶シリコン膜の側面と、前記メモリセル領域および前記周辺回路領域の前記半導体基板の表面とに、第1のライト酸化膜を形成する工程と、(d)前記メモリセル領域および前記周辺回路領域の前記半導体基板上を覆う窒化シリコン膜を形成する工程と、(e)異方的エッチングを行って、前記メモリセル領域の前記半導体基板上に形成した前記窒化シリコン膜および前記周辺回路領域のうちの前記pチャネル型MISFETを形成する領域の前記半導体基板上に形成されている前記窒化シリコン膜を除去することで、前記メモリセル領域に形成されている前記ゲート電極の側壁および前記pチャネル型MISFETの前記ゲート電極の側壁に前記窒化シリコン膜からなるサイドウォール膜を形成すると共に、前記周辺回路領域のうちの前記CMIS構成用nチャネル型MISFETを形成する領域の前記半導体基板上に形成されている前記窒化シリコン膜を残存させる工程と、(f)酸化性雰囲気で熱処理を行い、前記メモリセル領域の前記半導体基板の表面、および前記周辺回路領域のうちの前記pチャネル型MISFETを形成する前記領域の前記半導体基板の表面に、第2のライト酸化膜を形成する工程と、(g)前記メモリセル領域の前記半導体基板に不純物を注入して低濃度拡散層を形成する工程と、を有する。
【0026】
本発明によれば、ゲート電極側壁にサイドウォール膜を形成した後、第2のライト酸化膜を形成するので、ゲート電極中のタングステン膜の酸化を防止しつつライト酸化膜を厚くすることができ、情報転送用nチャネル型MISFETに適用した場合には、メモリセルのリフレッシュ特性を向上させ、メモリセルを構成するnチャネル型MISFETの接合リーク電流を低減することができる。また、サブスレショルド係数を小さくすることができ、閾値電位Vthの上昇を抑えることができる。また、CMIS構成用pチャネル型MISFETに適用した場合には、pチャネル型MISFETのキンク現象の発生を低減することができる。
【0027】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において同一機能を有するものは同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【0028】
(実施の形態1)
本発明の実施の形態1であるDRAMの製造方法を図1〜図13を用いて工程順に説明する。なお、基板の断面を示す各図の左側部分はDRAMのメモリセルが形成される領域(メモリセルアレイ部)を示し、右側部分は周辺回路形成領域を示している。
【0029】
まず、図1に示すように、例えば1〜10Ωcm程度の比抵抗を有するp型の単結晶シリコンからなる半導体基板1をエッチングすることにより深さ350nm程度の素子分離溝2を形成する。
【0030】
その後、半導体基板1を約1000℃で熱酸化することによって、溝の内壁に膜厚10nm程度の薄い酸化シリコン膜(図示せず)を形成する。この酸化シリコン膜は、溝の内壁に生じたドライエッチングのダメージを回復すると共に、次の工程で溝の内部に埋め込まれる酸化シリコン膜5と半導体基板1との界面に生じるストレスを緩和するために形成する。
【0031】
次に、溝の内部を含む半導体基板1上にCVD(Chemical Vapor deposition)法で膜厚450〜500nm程度の酸化シリコン膜5を堆積し、化学的機械研磨(CMP;Chemical Mechanical Polishing)法で溝の上部の酸化シリコン膜5を研磨し、その表面を平坦化する。
【0032】
次に、半導体基板1にp型不純物(ホウ素)およびn型不純物(例えばリン)をイオン打ち込みした後、約1000℃の熱処理で上記不純物を拡散させることによって、メモリセルアレイ部の半導体基板1にp型ウエル3を形成し、周辺回路形成領域の半導体基板1にp型ウエル3およびn型ウエル4を形成する。なお、ここで、これらp型ウエル3およびn型ウエル4の前記不純物濃度は、これらのウエル上に形成されるMISFETの所望の閾値Vthが得られるよう調整されている。
【0033】
次に、図2に示すように、フッ酸系の洗浄液を用いて半導体基板1(p型ウエル3およびn型ウエル4)の表面をウェット洗浄した後、約800℃の熱酸化でp型ウエル3およびn型ウエル4のそれぞれの表面に膜厚6nm程度の清浄なゲート酸化膜8を形成する。
【0034】
次に、ゲート酸化膜8の上部にリン(P)を4×1020/cm3の濃度でドープした膜厚100nm程度の低抵抗多結晶シリコン膜9aをCVD法で堆積する。続いて、その上部にスパッタリング法で膜厚10nm程度のWN膜(図示せず)と膜厚50nm程度のタングステン等の高融点金属から成るW膜9bとを堆積し、さらにその上部にCVD法で膜厚200nm程度の窒化シリコン膜10を堆積する。次に、上記W膜9bの応力緩和とWN膜のデンシファイ(緻密化)とを目的として、窒素などの不活性ガス雰囲気中で約800℃の熱処理を行う。
【0035】
次に、フォトレジスト膜(図示せず)をマスクにして窒化シリコン膜10をドライエッチングすることにより、ゲート電極を形成する領域に窒化シリコン膜10を残す。
【0036】
次に、窒化シリコン膜10をマスクにしてW膜9b、WN膜(図示せず)および多結晶シリコン膜9aをドライエッチングすることにより、メモリセルアレイ部および周辺回路形成領域に多結晶シリコン膜9a、WN膜およびW膜9bからなるn+ゲート電極9(ゲート長:0.15μm)を形成する。なお、メモリセルアレイ部に形成されたゲート電極9は、ワード線WLとして機能する。また、前記エッチングの際、ゲート電極9間のゲート酸化膜8を残存させてもよい。
【0037】
次に、図3に示すように、Wet. Hydrogen酸化により多結晶シリコン膜9aの側壁に4nm程度の薄い酸化膜(以下、ライト酸化膜という)11aを形成する。前述した通り、Wet. Hydrogen酸化によれば、タングステン膜を酸化することなく、シリコン(多結晶シリコン、シリコン基板)のみを選択的に酸化することができる。なお、この酸化によって、半導体基板1(p型ウエル3、n型ウエル4)表面もわずかに酸化される。また、前述のごとくゲート酸化膜8を残存させた場合は、このWet. Hydrogen酸化を省略することも可能である。図4(a)は、図3のメモリセルアレイ部(DRAMのメモリセル選択用MISFETQs)のゲート電極部の拡大図、図4(b)は、周辺回路形成領域(nチャネル型MISFETQnおよびpチャネル型MISFETQp)のゲート電極部の拡大図である。
【0038】
次いで、図5に示すように、半導体基板1上にCVD法で膜厚10nm程度の窒化シリコン膜を堆積し、異方的にエッチングすることによって、ゲート電極9の側壁にサイドウォール膜12を形成する。図6(a)は、図5のメモリセルアレイ部(DRAMのメモリセル選択用MISFETQs)のゲート電極部の拡大図、図5(b)は、周辺回路形成領域(nチャネル型MISFETQnおよびpチャネル型MISFETQp)のゲート電極部の拡大図である。
【0039】
次いで、図7に示すように、酸化性雰囲気でライト酸化を施すことにより、ゲート電極両側の半導体基板1(p型ウエル3、n型ウエル4)の表面を酸化し、ライト酸化膜11b(請求項記載のライト酸化膜)を形成する。ここで、このライト酸化膜11bと前記ライト酸化膜11aの膜厚の和(ゲート酸化膜8が残存している場合はその膜厚も含む)を8nm程度とする。図8(a)は、図7のメモリセルアレイ部(DRAMのメモリセル選択用MISFETQs)のゲート電極部の拡大図、図8(b)は、周辺回路形成領域(nチャネル型MISFETQnおよびpチャネル型MISFETQp)のゲート電極部の拡大図である。なお、実際のゲート電極部のライト酸化膜11a、11bおよびゲート酸化膜8は、酸化による体積膨張やバーズビークの発生により図9に示すような構造となるが、前記Wet. Hydrogen酸化およびライト酸化処理における酸化部位を明確にするため、以降の断面図においても図8と同様に表記する。
【0040】
次に、図10に示すように、ゲート電極9の両側のメモリセルアレイ部のp型ウエル3にn型不純物(リン)を注入(20keV、2×1013/cm2)することによってn-型半導体領域13を形成し、また、周辺回路形成領域のp型ウエル3にn型不純物(ヒ素)を注入(20keV、2×1014/cm2)することによってn-型半導体領域14を、n型ウエル4にp型不純物(ホウ素)を注入(5keV、2×1014/cm2)することによってp-型半導体領域15を形成する。なお、短チャネル効果を抑制するため、周辺回路形成領域のp型ウエル3のn-型半導体領域14およびn型ウエル4のp-型半導体領域15を形成する際に、それぞれ、ホウ素を25keV、1×1013/cm2で、また、リンを50keV、2×1013/cm2でイオン打ち込みすることによって、周辺回路形成領域のp型ウエル3のn-型半導体領域14およびn型ウエル4のp-型半導体領域15の周囲に逆導電型の半導体領域(図示せず)を形成してもよい。
【0041】
次いで、半導体基板1上にCVD法で膜厚40nm程度の窒化シリコン膜を堆積した後、異方的にエッチングすることによって、サイドウォール膜12の側壁にサイドウォールスペーサ16を形成する。
【0042】
次に、周辺回路形成領域のp型ウエル3にn型不純物(リンまたはヒ素)をイオン打ち込みすることによってn+型半導体領域17(ソース、ドレイン)を形成し、n型ウエル4にp型不純物(ホウ素)をイオン打ち込みすることによってp+型半導体領域18(ソース、ドレイン)を形成する。図11(a)は、図10のメモリセルアレイ部(DRAMのメモリセル選択用MISFETQs)のゲート電極部の拡大図、図11(b)は、周辺回路形成領域(pチャネル型MISFETQp)のゲート電極部の拡大図である。
【0043】
ここまでの工程で、周辺回路形成領域にLDD(Lightly Doped Drain)構造のソース、ドレインを備えたnチャネル型MISFETQnおよびpチャネル型MISFETQpが形成される。これらのMISFETで、相補型(complementary)のMISFETを構成する。
【0044】
続いて、図12に示すように、半導体基板1の上部にCVD法で膜厚700nm〜800nm程度の酸化シリコン膜19を堆積した後、酸化シリコン膜19をCMP法で研磨してその表面を平坦化する。
【0045】
次に、メモリセルアレイ部のn-型半導体領域13の上部にコンタクトホール20、21を形成し、半導体基板1(n-型半導体領域13)の表面を露出させる。
【0046】
次に、コンタクトホール20、21を通じてメモリセルアレイ部のp型ウエル3(n-型半導体領域13)にn型不純物(リンまたはヒ素)をイオン打ち込みすることによって、n+型半導体領域17(ソース、ドレイン)を形成する。ここまでの工程で、メモリセルアレイ部にnチャネル型で構成されるメモリセル選択用MISFETQsが形成される。
【0047】
次に、コンタクトホール20、21の内部にプラグ22を形成する。プラグ22は、コンタクトホール20、21の内部を含む酸化シリコン膜19の上部にリン(P)などのn型不純物を4×1020/cm3程度ドープした低抵抗多結晶シリコン膜をCVD法で堆積し、続いてこの多結晶シリコン膜をエッチバック(またはCMP法で研磨)してコンタクトホール20、21の内部のみに残すことによって形成する。
【0048】
次に、図13に示すように、酸化シリコン膜19の上部にCVD法で膜厚20nm程度の酸化シリコン膜23を堆積した後、フォトレジスト膜(図示せず)をマスクにしたドライエッチングで周辺回路形成領域の酸化シリコン膜23およびその下層の酸化シリコン膜19をドライエッチングすることによって、nチャネル型MISFETQnのソース、ドレイン(n+型半導体領域17)の上部にコンタクトホール24を形成し、pチャネル型MISFETQpのソース、ドレイン(p+型半導体領域18)の上部にコンタクトホール25を形成する。また、このとき同時に、図示しない周辺回路形成領域のpチャネル型MISFETおよびnチャネル型MISFETのゲート電極の上部にコンタクトホールを形成する。さらに、メモリセルアレイ部のプラグ22の上部にスルーホールを形成する。
【0049】
次いで、コンタクトホール24、25、図示しないMISFETのゲート電極上のコンタクトホール、およびスルーホールの内部を含む酸化シリコン膜23の上部にCVD法で膜厚300nm程度のW膜を堆積した後、酸化シリコン膜23の上部のW膜をCMP法で研磨し、これらの膜をコンタクトホール24、25等の内部およびスルーホールの内部のみに残すことによってプラグ26を形成する。なお、W膜の下層にCVD法により薄いWN膜を形成し、WN膜およびW膜の2層でプラグ26を構成してもよい。
【0050】
次に、メモリセルアレイ部のプラグ26の上部にビット線BLを形成し、周辺回路形成領域のプラグ26の上部に第1層目の配線30〜33を形成する。ビット線BLおよび第1層目の配線30〜33は、例えばプラグ26上を含む酸化シリコン膜23の上部にスパッタリング法で膜厚100nm程度のW膜を堆積した後、フォトレジスト膜をマスクにしてこのW膜をドライエッチングすることによって形成する。なお、W膜の下層にCVD法により薄いWN膜を形成し、WN膜およびW膜の2層でビット線BLおよび第1層目配線を構成してもよい。
【0051】
次に、ビット線BLおよび第1層目の配線30〜33の上部に膜厚300nm程度の酸化シリコン膜34をCVD法で堆積する。
【0052】
次に、メモリセルアレイ部の酸化シリコン膜34およびその下層の酸化シリコン膜23等をドライエッチングしスルーホール38を形成する。
【0053】
次に、酸化シリコン膜34の上部にCVD法で膜厚100nm程度の窒化シリコン膜40を堆積し、続いて窒化シリコン膜40の上部にCVD法で酸化シリコン膜41を堆積した後、メモリアレイ部の酸化シリコン膜41および窒化シリコン膜40をドライエッチングすることにより、スルーホール38の上部に溝42を形成する。
【0054】
次に、上記溝42の内部を含む酸化シリコン膜41の上部にリン(P)などのn型不純物をドープした膜厚50nm程度の低抵抗多結晶シリコン膜をCVD法で堆積した後、溝42の内部にフォトレジスト膜などを埋め込み、酸化シリコン膜41の上部の多結晶シリコン膜をエッチバックすることによって、溝42の内壁のみに残す。これにより、溝42の内壁に沿って情報蓄積用容量素子Cの下部電極43が形成される。
【0055】
次に、下部電極43の上部に酸化タンタル膜などで構成された容量絶縁膜44とTiN膜などで構成された上部電極45とを形成する。ここまでの工程により、メモリセル選択用MISFETQsとこれに直列に接続された情報蓄積用容量素子Cとで構成されるDRAMのメモリセルが完成する。
【0056】
次いで、半導体基板1の上部にCVD法で膜厚100nm程度の酸化シリコン膜50を堆積し、周辺回路形成領域の第1層配線30、33の上部の酸化シリコン膜50、41、窒化シリコン膜40および酸化シリコン膜34をドライエッチングすることによってスルーホール51を形成する。その後、スルーホール51の内部にプラグ52を形成した後、プラグ52および酸化シリコン膜50の上部に第2層目の配線53、54、55を形成する。次いで、この第2層目配線53、54、55の上部に酸化シリコン膜等(図示せず)を形成することにより、本実施の形態のDRAMが略完成する。
【0057】
このように、本実施の形態においては、ライト酸化膜11a、11bを厚くしたので、ライト酸化膜11a、11bとその上層膜12、16との界面に形成される負電荷量を低減させることができる。その結果、情報転送用nチャネル型MISFETのn-型半導体領域13の表面の空乏化を抑制することができ、接合リーク電流の増加を防止することができる。また、空乏層表面の準位起因のリーク電流が減少するため、DRAMのリフレッシュ特性の劣化を防止することができる。さらに、負電荷による接合電界の増加を防止することができ、電界起因のリークによるDRAMのリフレッシュ特性の劣化を防止することができる。
【0058】
図14は、Wet. Hydrogen酸化のみによりライト酸化膜11aを形成した場合(図20)と本発明の半導体集積回路装置のリフレッシュ時間を比較したグラフである。(a)は、Wet. Hydrogen酸化のみによりライト酸化膜11aを形成し、ライト酸化膜11bを形成しなかった場合(図20)、(b)は実施の形態1で示したDRAMのリフレッシュ時間を示す。図14から明らかなように(a)場合は、ワーストビットのリフレッシュが10msであるのに対し、(b)に示す本実施の形態の場合は、ワーストビットのリフレッシュが100msであった。ここで、リフレッシュ時間とは、メモリセル選択用MISFETQsに接続された情報蓄積用容量素子Cに蓄積された電荷をリードできる時間(保持時間)を示し、64Mビットのうちワーストの保持時間を示す。
【0059】
また、ライト酸化膜11a、11bとその上層膜であるサイドウォール膜12およびサイドウォールスペーサ16との界面に形成される負電荷量が多いと、前記負電荷の影響を受けゲート側壁チャネルが空乏化し易くなるため閾値電圧Vthが低くなるが、本実施の形態のようにライト酸化膜11a、11bが厚いと前記負電荷量を低減でき、pチャネル型MISFETQpのキンクを防止することができる。また、サブスレショルド電流(オフ電流)を軽減できる。また、ライト酸化膜が薄いと、高電圧ストレスが印加された場合に形成される電荷が前記界面にトラップされ易くなり閾値電圧Vthが変動してしまうが、本実施の形態のようにライト酸化膜11a、11bが厚いと、電荷生成速度が小さくなり、閾値Vth等のMISFETの特性変動を抑えることができ、MISFETの信頼性を向上させることができる。
【0060】
(実施の形態2)
実施の形態1においては、メモリセルアレイ部のメモリセル選択用MISFETQs、周辺回路形成領域のnチャネル型MISFETQnおよびpチャネル型MISFETQpのライト酸化膜11a、11bを厚く形成したが、メモリセルアレイ部のメモリセル選択用MISFETQsのライト酸化膜11a、11bのみを厚く形成してもよい。図15から図17は、本発明の実施の形態2である半導体集積回路装置の製造方法を工程順に示した断面図である。なお、図1および図2を用いて説明したゲート電極9(9a、9b)形成までの工程は、実施の形態1の場合と同じであるためその説明を省略する。
【0061】
図2に示す半導体基板1を準備し、図15に示すように、Wet. Hydrogen酸化により多結晶シリコン膜9aの側壁に4nm程度のライト酸化膜11aを形成する。次いで、図16に示すように、半導体基板1上にCVD法で膜厚10nm程度の窒化シリコン膜12aを堆積し、周辺回路形成領域をレジスト膜2Rで覆った後、異方的にエッチングすることによって、メモリセルアレイ部のゲート電極9の側壁にサイドウォール膜12を形成する。次いで、レジスト膜2Rを除去したのち、図17に示すように、酸化性雰囲気でライト酸化を施すことにより、メモリセルアレイ部のゲート電極間の半導体基板1の表面を酸化し、ライト酸化膜11bを形成する。ここで、このライト酸化膜11bと前記ライト酸化膜11aの膜厚の和(ゲート酸化膜8が残存している場合はその膜厚も含む)を8nm程度とする。なお、周辺回路形成領域は、窒化シリコン膜12aで覆われているため、ライト酸化膜は形成されない。
【0062】
従って、メモリセル選択用MISFETQsのライト酸化膜11a、11bは、周辺回路形成領域のnチャネル型MISFETQnおよび周辺回路形成領域のpチャネル型MISFETQpのライト酸化膜11aより厚くなる。
【0063】
レジスト膜2R除去後の工程は、図10〜図13を参照しながら説明した実施の形態1の場合と同様であるためその説明を省略する。なお、n-型半導体領域およびp-型半導体領域14、15は、前記窒化シリコン膜12aの形成前もしくは前記酸化性雰囲気でのライト酸化前に形成してもよいが、n-型半導体領域13は、前記酸化性雰囲気でのライト酸化後に形成する。
【0064】
このように、本実施の形態においては、情報転送用nチャネル型MISFETのライト酸化膜11a、11bを厚くしたので、ライト酸化膜11a、11bとその上層膜12、16との界面に形成される負電荷量を低減させることができ、情報転送用nチャネル型MISFETに関し、実施の形態1の場合と同様の効果を有する。また、周辺回路形成領域のMISFETQn、Qpの駆動能力を損なわない。即ち、周辺回路形成領域のMISFETQn、Qpの駆動能力を向上させるためには、ライト酸化膜11b下のn-型半導体領域14もしくはp-型半導体領域15をより浅く高濃度に形成する必要がある。一方、ライト酸化膜11bを厚くした場合、n-型半導体領域14もしくはp-型半導体領域15を形成するための不純物注入のエネルギーを高くする必要がある。従って、本実施の形態の場合、周辺回路形成領域のにおいては、ライト酸化膜11bを形成しないので、n-型半導体領域14もしくはp-型半導体領域15を形成するための不純物注入のエネルギーを低く抑えることができるため、n-型半導体領域14もしくはp-型半導体領域15を浅く形成することができ、周辺回路形成領域のMISFETQn、Qpの駆動能力を損なわない。
【0065】
また、図14(c)に示すように、本実施の形態で示したDRAMのリフレッシュ時間は、150msであった。
【0066】
(実施の形態3)
実施の形態1においては、メモリセルアレイ部のメモリセル選択用MISFETQs、周辺回路形成領域のnチャネル型MISFETQnおよびpチャネル型MISFETQpのライト酸化膜11a、11bを厚く形成したが、メモリセルアレイ部のメモリセル選択用MISFETQsおよびpチャネル型MISFETQpのライト酸化膜11a、11bのみを厚く形成してもよい。図18および図19は、本発明の実施の形態3である半導体集積回路装置の製造方法を工程順に示した断面図である。なお、図1から図3を用いて説明したライト酸化膜11a形成までの工程は、実施の形態1の場合と同じであるためその説明を省略する。
【0067】
図3に示す半導体基板1を準備し、図18に示すように、半導体基板1上にCVD法で膜厚10nm程度の窒化シリコン膜12aを堆積し、周辺回路形成領域のうちnチャネル型MISFETQn形成予定領域上をレジスト膜3Rで覆った後、異方的にエッチングすることによって、メモリセル選択用MISFETQsおよび周辺回路形成領域のpチャネル型MISFETQpのゲート電極9の側壁にサイドウォール膜12を形成する。次いで、レジスト膜3Rを除去したのち、図19に示すように、酸化性雰囲気でライト酸化を施すことにより、メモリセル選択用MISFETQsおよび周辺回路形成領域のpチャネル型MISFETQpのゲート電極9の両側の半導体基板1(p型ウエル3、n型ウエル4)の表面を酸化し、ライト酸化膜11bを形成する。ここで、このライト酸化膜11bと前記ライト酸化膜11aの膜厚の和(ゲート酸化膜8が残存している場合はその膜厚も含む)を8nm程度とする。なお、周辺回路形成領域のうちnチャネル型MISFETQn上は、窒化シリコン膜12aで覆われているため、ライト酸化膜11bは形成されない。
【0068】
従って、メモリセル選択用MISFETQsおよび周辺回路形成領域のpチャネル型MISFETQpのライト酸化膜11a、11bは、周辺回路形成領域のnチャネル型MISFETQnのライト酸化膜11aより厚くなる。
【0069】
以降の工程は、図10〜図13を参照しながら説明した実施の形態1の場合と同様であるためその説明を省略する。なお、n-型半導体領域およびp-型半導体領域14、15は、前記窒化シリコン膜12aの形成前もしくは前記酸化性雰囲気でのライト酸化前に形成してもよいが、n-型半導体領域13は、前記酸化性雰囲気でのライト酸化後に形成する。
【0070】
このように、本実施の形態においては、情報転送用nチャネル型MISFETおよび周辺回路形成領域のpチャネル型MISFETQnのライト酸化膜11a、11bを厚くしたので、ライト酸化膜11a、11bとその上層膜12、16との界面に形成される負電荷量を低減させることができ、情報転送用nチャネル型MISFETおよび周辺回路形成領域のpチャネル型MISFETQnに関し、実施の形態1の場合と同様の効果を有する。また、周辺回路形成領域のnチャネル型MISFETQnの駆動能力を損なわない。即ち、周辺回路形成領域のMISFETの駆動能力を向上させるためには、前述のごとくライト酸化膜11b下のn-型半導体領域14をより浅く高濃度に形成する必要がある。本実施の形態の場合、周辺回路形成領域のnチャネル型MISFETQnにおいては、ライト酸化膜11bを形成しないので、n-型半導体領域14を形成するための不純物注入のエネルギーを低く抑えることができるためn-型半導体領域14を浅く形成することができ、周辺回路形成領域のnチャネル型MISFETQnの駆動能力を損なわない。
【0071】
また、図14(d)に示すように、本実施の形態で示したDRAMのリフレッシュ時間は、150msであった。
【0072】
(実施の形態4)
実施の形態1においては、酸化性雰囲気でライト酸化を施すことにより、ライト酸化膜11bを形成したが、このライト酸化膜11bを6nm程度形成した後、NO雰囲気中で熱処理を行い、ライト酸化膜11bと半導体基板1(p型ウエル3、n型ウエル4)との界面に窒素を導入してもよい。なお、前記NO雰囲気中での熱処理工程以外は、実施の形態1の場合と同じであるためその説明を省略する。
【0073】
また、本実施の形態においては、前記界面の窒素濃度を4%とした。
【0074】
このように、本実施の形態においては、ライト酸化膜11bと半導体基板1(p型ウエル3、n型ウエル4)との界面に窒素を導入したので、この界面に正電荷が生成される。この結果、界面に形成される負電荷量を、さらに低減させることができる。
【0075】
なお、図14(e)に示すように、本実施の形態で示したDRAMのリフレッシュ時間は、120msであった。
【0076】
(実施の形態5)
また、実施の形態4で説明したNO雰囲気中での熱処理を、実施の形態2および3で説明した製造工程に適用してもよい。この場合も、ライト酸化膜11bを6nm程度形成した後、NO雰囲気中で熱処理を行い、ライト酸化膜11bと半導体基板1(p型ウエル3、n型ウエル4)との界面に窒素を導入する。なお、前記NO雰囲気中での熱処理工程以外は、実施の形態2および3の場合と同じであるためその説明を省略する。
【0077】
また、本実施の形態においては、前記界面の窒素濃度を4%とした。
【0078】
このように、本実施の形態においても、ライト酸化膜11bと半導体基板1(p型ウエル3、n型ウエル4)との界面に窒素を導入したので、この界面に正電荷が生成される。この結果、界面に形成される負電荷量を、さらに低減させることができる。
【0079】
なお、図14(f)および(g)に示すように、本実施の形態で示したDRAMのリフレッシュ時間は、110msであった。図14(f)は、実施の形態2にNO雰囲気中での熱処理を施した場合、図14(g)は、実施の形態3にNO雰囲気中での熱処理を施した場合のリフレッシュ時間を示す。
【0080】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【0081】
【発明の効果】
本願によって開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、以下の通りである。
【0082】
本発明によれば、情報転送用nチャネル型MISFETのライト酸化膜をCMIS構成用nチャネル型MISFETおよびpチャネル型MISFETのライト酸化膜より厚くしたので、ライト酸化膜とその上層膜との界面に形成される負電荷量を低減させることができ、メモリセルのリフレッシュ特性を向上させることができる。また、メモリセルを構成するnチャネル型MISFETの接合リーク電流を低減することができる。また、サブスレショルド係数を小さくすることができ、閾値電位Vthの上昇を抑えることができる。
【0083】
また、本発明によれば、pチャネル型MISFETのライト酸化膜をnチャネル型MISFETのライト酸化膜より厚くしたので、ライト酸化膜とその上層膜との界面に形成される負電荷量を低減させることができ、pチャネル型MISFETのキンク現象の発生を低減することができる。
【0084】
特に、多結晶シリコン膜およびタングステン膜を有するゲート電極においては、ゲート電極側壁にサイドウォール膜を形成することによって、タングステン膜の酸化を防止しつつライト酸化膜を厚くすることができる。
【0085】
また、本発明によれば、ゲート電極側壁にサイドウォール膜を形成した後、ライト酸化膜を形成するので、ゲート電極中のタングステン膜の酸化を防止しつつライト酸化膜を厚くすることができ、情報転送用nチャネル型MISFETに適用した場合には、メモリセルのリフレッシュ特性を向上させ、メモリセルを構成するnチャネル型MISFETの接合リーク電流を低減することができる。また、サブスレショルド係数を小さくすることができ、閾値電位Vthの上昇を抑えることができる。また、CMIS構成用pチャネル型MISFETに適用した場合には、pチャネル型MISFETのキンク現象の発生を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1である半導体集積回路装置の製造方法を示す基板の要部断面図である。
【図2】本発明の実施の形態1である半導体集積回路装置の製造方法を示す基板の要部断面図である。
【図3】本発明の実施の形態1である半導体集積回路装置の製造方法を示す基板の要部断面図である。
【図4】本発明の実施の形態1である半導体集積回路装置の製造方法を示す基板の要部断面図である。
【図5】本発明の実施の形態1である半導体集積回路装置の製造方法を示す基板の要部断面図である。
【図6】本発明の実施の形態1である半導体集積回路装置の製造方法を示す基板の要部断面図である。
【図7】本発明の実施の形態1である半導体集積回路装置の製造方法を示す基板の要部断面図である。
【図8】本発明の実施の形態1である半導体集積回路装置の製造方法を示す基板の要部断面図である。
【図9】本発明の実施の形態1である半導体集積回路装置の製造方法を示す基板の要部断面図である。
【図10】本発明の実施の形態1である半導体集積回路装置の製造方法を示す基板の要部断面図である。
【図11】本発明の実施の形態1である半導体集積回路装置の製造方法を示す基板の要部断面図である。
【図12】本発明の実施の形態1である半導体集積回路装置の製造方法を示す基板の要部断面図である。
【図13】本発明の実施の形態1である半導体集積回路装置の製造方法を示す基板の要部断面図である。
【図14】本発明の半導体集積回路装置のリフレッシュ時間を示す図である。
【図15】本発明の実施の形態2である半導体集積回路装置の製造方法を示す基板の要部断面図である。
【図16】本発明の実施の形態2である半導体集積回路装置のプラグの構造を示す図である。
【図17】本発明の実施の形態2である半導体集積回路装置の製造方法を示す基板の要部断面図である。
【図18】本発明の実施の形態3である半導体集積回路装置の製造方法を示す基板の要部断面図である。
【図19】本発明の実施の形態4である半導体集積回路装置の製造方法を示す基板の要部断面図である。
【図20】本発明の効果を示すための図である。
【図21】本発明の課題を示すための図である。
【図22】本発明の課題を示すための図である。
【符号の説明】
1 半導体基板
2 素子分離溝
3 p型ウエル
4 n型ウエル
5 酸化シリコン膜
8 ゲート酸化膜
9 ゲート電極
9a 多結晶シリコン膜
9b W膜
10 窒化シリコン膜
11a ライト酸化膜
11b ライト酸化膜
12 サイドウォール膜
13 n-型半導体領域
14 n-型半導体領域
15 p-型半導体領域
16 サイドウォールスペーサ
17 n+型半導体領域
18 p+型半導体領域
19 酸化シリコン膜
20、21 コンタクトホール
22 プラグ
23 酸化シリコン膜
24、25 コンタクトホール
26 プラグ
30〜33 配線
34 酸化シリコン膜
38 スルーホール
40 窒化シリコン膜
41 酸化シリコン膜
42 溝
43 下部電極
44 容量絶縁膜
45 上部電極
50 酸化シリコン膜
51 スルーホール
52 プラグ
53〜55 配線
BL ビット線
WL ワード線
C 情報蓄積用容量素子
Qn nチャネル型MISFET
Qp pチャネル型MISFET
Qs メモリセル選択用MISFET
2R レジスト膜
3R レジスト膜
12a 窒化シリコン膜[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor integrated circuit device.SetRegarding manufacturing technology, in particular, the gate structure of fine MISFET (Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor).MadeThe present invention relates to a technology effective when applied to manufacturing.
[0002]
[Prior art]
In order to reduce the resistance of the gate electrode of the MISFET, a so-called polymetal gate in which a refractory metal such as tungsten is stacked on a polycrystalline silicon film is employed.
[0003]
On the other hand, when the gate electrode is etched, the gate insulating film below the gate electrode is also etched, and the breakdown voltage of the gate insulating film is lowered. Therefore, the gate electrode sidewall and the silicon substrate surface in the vicinity of the gate electrode are thermally oxidized and heated. A so-called light oxidation process for forming an oxide film is performed.
[0004]
For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-335652 discloses a technique related to a light oxidation treatment of a polymetal gate.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In this light oxidation treatment of the polymetal gate, the refractory metal constituting the polymetal gate is very easily oxidized, and the resistance value increases due to the oxidation of the refractory metal film. A process of oxidizing only the underlying polycrystalline silicon film and the substrate surface while preventing the above has been studied.
[0006]
For example, when light oxidation (wet hydrogen oxidation) is performed in a steam / hydrogen mixed gas, only silicon (polycrystalline silicon, silicon substrate) is selectively oxidized without oxidizing the metal film. Can be oxidized.
[0007]
However, regarding the semiconductor integrated circuit device subjected to the wet hydrogen oxidation process, the present inventors have recognized the following problems.
[0008]
That is, the refresh characteristics of DRAM (Dynamic Random Access Memory) memory cells are poor, and problems such as a kink phenomenon are observed in the p-channel MISFET of the peripheral circuit. Further, the threshold V of the n-channel MISFET constituting the memory cellthIs high and the subthreshold coefficient is large. In addition, problems such as a large cell leakage current were observed.
[0009]
As a result of diligent examination of the problem, the present inventors have found that the cause of the problem is that the thickness of the light oxide film of the semiconductor integrated circuit device subjected to the wet hydrogen oxidation process is as thin as 5 nm or less. The analysis was as follows. The light oxide film has a thickness of 5 nm or less because, depending on the oxidation conditions of the wet hydrogen oxidation (water vapor / hydrogen mixture ratio, processing time, etc.), abnormal oxidation occurs in the refractory metal film such as a tungsten film, This is because it causes a short circuit between the gate electrodes and the like, and only a film thickness of 5 nm or less can be secured under the condition for preventing this abnormal oxidation.
[0010]
That is, as will be described in detail later, a sidewall spacer film made of a silicon nitride film is laminated on the light oxide film, and a negative charge is formed at the interface between the silicon nitride film and the light oxide film. In the n-channel MISFET constituting the memory cell, the negative charge causes n-The surface of the mold diffusion layer is depleted, and the junction leakage current increases due to the interface state between the light oxide film and the substrate. N-When the surface of the type diffusion layer is depleted, the effective gate insulating film thickness is increased at the end portion of the gate electrode, so that the subthreshold coefficient is increased. And n-The threshold potential V of the MISFET for the type diffusion layer to effectively approach the offset structurethBecomes higher.
[0011]
In addition, the junction electric field of the cell transistor of the memory cell is increased under the influence of the negative charge at the end of the gate electrode, and the refresh characteristic is deteriorated.
[0012]
Furthermore, if negative charges are present at the end of the gate electrode, the n-type substrate (well) is depleted in the p-channel MISFET of the peripheral circuit.thIn particular, when a trench-type element isolation structure is adopted, a recess phenomenon occurs in which the isolation oxide film in the trench recedes (FIG. 22), and a kink phenomenon (the gate insulating film is locally formed at the end of the gate electrode). The electric field due to the gate voltage is concentrated on this portion, and the drain current (A) flows even at a low gate voltage (V) (the phenomenon shown in FIG. 21).
[0013]
An object of the present invention is to form a thick light oxide film by thermally oxidizing the silicon substrate surface on the side of the gate electrode after forming a sidewall film made of a thin silicon nitride film on the side wall of the gate electrode. It is to improve refresh characteristics. Another object of the present invention is to provide a threshold value V of the n-channel MISFET constituting the memory cell.thIn other words, the increase in the subthreshold coefficient is suppressed, and further, the cell leakage current is reduced.
[0014]
Another object of the present invention is to reduce the occurrence of a kink phenomenon in a p-channel MISFET in a peripheral circuit.
[0015]
The above and other objects and novel features of the present invention will be apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
Of the inventions disclosed in the present application, the outline of typical ones will be briefly described as follows.
[0025]
(1) A method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to the present invention includes: (a) a step of forming a gate insulating film on a semiconductor substrate; and (b) a polycrystalline silicon film, a refractory metal film and a nitriding film on the gate insulating film. By sequentially forming and patterning silicon filmsIncluding the polycrystalline silicon film and the refractory metal filmForming a gate electrode; and (c)Performing wet hydrogen oxidation to form a first light oxide film on the side surface of the polycrystalline silicon film and the surface of the semiconductor substrate;(d) The gate electrodeofOn the side wallUsing silicon nitride filmForming a sidewall film; (e) In an oxidizing atmosphereHeat treatmentAndThe gate electrodeAnd a second surface of the semiconductor substrate not covered with the sidewall film.A step of forming a light oxide film;f)The semiconductor substrateImpurities are injected intodo itForming a low concentration diffusion layer; andTheHave.
(2) In another embodiment of the present invention, a method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device includes an n-channel MISFET for information transfer formed in a memory cell formation region of a semiconductor substrate, a memory cell including a capacitive element, and a peripheral circuit. A method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device having an n-channel MISFET and a p-channel MISFET for CMIS configuration formed in a formation region, comprising: (a) forming a gate insulating film on a semiconductor substrate; (B) A polycrystalline silicon film, a refractory metal film and a silicon nitride film are sequentially formed on the gate insulating film and patterned to form the polycrystalline silicon film and the high-concentration film in the memory cell region and the peripheral circuit region. Forming a gate electrode including a melting point metal film; and (c) performing wet hydrogen oxidation to form the memory cell. Forming a first light oxide film on a side surface of the polycrystalline silicon film of the gate electrode formed in the region and the peripheral circuit region, and on a surface of the semiconductor substrate in the memory cell region and the peripheral circuit region When,
(D) forming a silicon nitride film that covers the semiconductor substrate in the memory cell region and the peripheral circuit region; and (e) performing anisotropic etching on the semiconductor substrate in the memory cell region. By removing the silicon nitride film, a sidewall film made of the silicon nitride film is formed on the side surface of the gate electrode formed in the memory cell region and formed on the semiconductor substrate in the peripheral circuit region Leaving the silicon nitride film left, (f) performing a heat treatment in an oxidizing atmosphere to form a second light oxide film on the surface of the semiconductor substrate in the memory cell region, and (g) And implanting impurities into the semiconductor substrate in the memory cell region to form a low concentration diffusion layer.
(3) In still another embodiment of the present invention, a method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device includes an information transfer n-channel MISFET formed in a memory cell formation region of a semiconductor substrate, a memory cell including a capacitive element, and a peripheral device. A method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device having a CMIS configuration n-channel MISFET and a p-channel MISFET formed in a circuit formation region, comprising: (a) forming a gate insulating film on a semiconductor substrate; (B) A polycrystalline silicon film, a refractory metal film and a silicon nitride film are sequentially formed on the gate insulating film and patterned to form the polycrystalline silicon film and the peripheral circuit region in the memory cell region and the peripheral circuit region. A step of forming a gate electrode including a refractory metal film, and (c) wet hydrogen oxidation, Forming a first light oxide film on a side surface of the polycrystalline silicon film of the gate electrode formed in the recell region and the peripheral circuit region, and on a surface of the semiconductor substrate in the memory cell region and the peripheral circuit region; (D) forming a silicon nitride film covering the semiconductor substrate in the memory cell region and the peripheral circuit region; and (e) performing anisotropic etching to form the semiconductor substrate in the memory cell region. By removing the silicon nitride film formed on the semiconductor substrate in the region for forming the p-channel type MISFET in the silicon nitride film and the peripheral circuit region formed thereon, the memory cell region is formed. The silicon nitride film is formed on the side wall of the formed gate electrode and the side wall of the gate electrode of the p-channel type MISFET. Forming a side wall film, and leaving the silicon nitride film formed on the semiconductor substrate in a region of the peripheral circuit region where the n channel MISFET for CMIS configuration is formed; ) Heat treatment is performed in an oxidizing atmosphere, and a second write is applied to the surface of the semiconductor substrate in the memory cell region and the surface of the semiconductor substrate in the region in which the p-channel MISFET is formed in the peripheral circuit region. Forming an oxide film; and (g) forming a low-concentration diffusion layer by implanting impurities into the semiconductor substrate in the memory cell region.
[0026]
According to the present invention, after forming the sidewall film on the side wall of the gate electrode,SecondSince the light oxide film is formed, the light oxide film can be thickened while preventing oxidation of the tungsten film in the gate electrode. When applied to an information transfer n-channel MISFET, the refresh characteristic of the memory cell is improved. The junction leakage current of the n-channel type MISFET constituting the memory cell can be reduced. Further, the subthreshold coefficient can be reduced, and an increase in the threshold potential Vth can be suppressed. Further, when applied to a p-channel type MISFET for CMIS configuration, it is possible to reduce the occurrence of the kink phenomenon of the p-channel type MISFET.
[0027]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that components having the same function are denoted by the same reference symbols throughout the drawings for describing the embodiments, and the repetitive description thereof is omitted.
[0028]
(Embodiment 1)
A method for manufacturing a DRAM according to the first embodiment of the present invention will be described in the order of steps with reference to FIGS. The left part of each drawing showing the cross section of the substrate shows a region (memory cell array portion) where DRAM memory cells are formed, and the right part shows a peripheral circuit formation region.
[0029]
First, as shown in FIG. 1, an
[0030]
Thereafter, the
[0031]
Next, a
[0032]
Next, after p-type impurities (boron) and n-type impurities (for example, phosphorus) are ion-implanted into the
[0033]
Next, as shown in FIG. 2, the surface of the semiconductor substrate 1 (p-
[0034]
Next, phosphorus (P) is 4 × 10 4 on the gate oxide film 8.20/ CmThreeA low-resistance
[0035]
Next, the
[0036]
Next, by using the
[0037]
Next, as shown in FIG. 3, a thin oxide film (hereinafter referred to as a light oxide film) 11a of about 4 nm is formed on the side wall of the
[0038]
Next, as shown in FIG. 5, a silicon nitride film having a thickness of about 10 nm is deposited on the
[0039]
Next, as shown in FIG. 7, light oxidation is performed in an oxidizing atmosphere to oxidize the surface of the semiconductor substrate 1 (p-
[0040]
Next, as shown in FIG. 10, n-type impurities (phosphorus) are implanted into the p-type well 3 in the memory cell array portion on both sides of the gate electrode 9 (20 keV, 2 × 1013/ Cm2N)-
[0041]
Next, after depositing a silicon nitride film having a thickness of about 40 nm on the
[0042]
Next, an n-type impurity (phosphorus or arsenic) is ion-implanted into the p-type well 3 in the peripheral circuit formation region to form n+Type semiconductor region 17 (source, drain) is formed, and p-type impurity (boron) is ion-implanted into n-type well 4 to form p+A type semiconductor region 18 (source, drain) is formed. 11A is an enlarged view of the gate electrode portion of the memory cell array portion (DRAM memory cell selection MISFETQs) of FIG. 10, and FIG. 11B is the gate electrode of the peripheral circuit formation region (p-channel type MISFETQp). It is an enlarged view of a part.
[0043]
Through the steps so far, the n-channel MISFET Qn and the p-channel MISFET Qp having the LDD (Lightly Doped Drain) structure source and drain are formed in the peripheral circuit formation region. These MISFETs constitute a complementary MISFET.
[0044]
Subsequently, as shown in FIG. 12, after a
[0045]
Next, n in the memory cell array portion-Contact holes 20 and 21 are formed on the upper surface of the
[0046]
Next, the p-type well 3 (n-N-type impurity (phosphorus or arsenic) is ion-implanted into the n-type semiconductor region 13)+A type semiconductor region 17 (source, drain) is formed. Through the steps so far, the memory cell selection MISFET Qs constituted of the n-channel type is formed in the memory cell array portion.
[0047]
Next, plugs 22 are formed inside the contact holes 20 and 21. In the
[0048]
Next, as shown in FIG. 13, a
[0049]
Next, a W film having a thickness of about 300 nm is deposited by CVD on the contact holes 24, 25, the contact hole on the gate electrode of the MISFET (not shown), and the inside of the through hole, and then silicon oxide is deposited. The
[0050]
Next, the bit lines BL are formed above the
[0051]
Next, a
[0052]
Next, the
[0053]
Next, a
[0054]
Next, a low-resistance polycrystalline silicon film having a thickness of about 50 nm doped with an n-type impurity such as phosphorus (P) is deposited on the
[0055]
Next, a capacitive insulating
[0056]
Next, a
[0057]
Thus, in the present embodiment, since the
[0058]
FIG. 14 is a graph comparing the refresh time of the semiconductor integrated circuit device of the present invention with the case where the
[0059]
Further, if the amount of negative charge formed at the interface between the
[0060]
(Embodiment 2)
In the first embodiment, the memory cell selection MISFETQs in the memory cell array portion, the
[0061]
The
[0062]
Accordingly, the
[0063]
Since the process after removing the resist film 2R is the same as that in the first embodiment described with reference to FIGS. N-Type semiconductor region and p-The
[0064]
As described above, in this embodiment, since the
[0065]
Further, as shown in FIG. 14C, the refresh time of the DRAM shown in this embodiment is 150 ms.
[0066]
(Embodiment 3)
In the first embodiment, the memory cell selection MISFETQs in the memory cell array portion, the
[0067]
A
[0068]
Accordingly, the
[0069]
The subsequent steps are the same as those in the first embodiment described with reference to FIGS. N-Type semiconductor region and p-The
[0070]
As described above, in this embodiment, since the
[0071]
Further, as shown in FIG. 14D, the refresh time of the DRAM shown in this embodiment is 150 ms.
[0072]
(Embodiment 4)
In the first embodiment, the
[0073]
In the present embodiment, the nitrogen concentration at the interface is 4%.
[0074]
Thus, in the present embodiment, nitrogen is introduced into the interface between the
[0075]
As shown in FIG. 14E, the refresh time of the DRAM shown in this embodiment is 120 ms.
[0076]
(Embodiment 5)
Further, the heat treatment in the NO atmosphere described in the fourth embodiment may be applied to the manufacturing process described in the second and third embodiments. Also in this case, after forming the
[0077]
In the present embodiment, the nitrogen concentration at the interface is 4%.
[0078]
Thus, also in this embodiment, since nitrogen is introduced into the interface between the
[0079]
As shown in FIGS. 14F and 14G, the refresh time of the DRAM shown in this embodiment is 110 ms. FIG. 14F shows the refresh time when the heat treatment in the NO atmosphere is performed in the second embodiment, and FIG. 14G shows the refresh time when the heat treatment in the NO atmosphere is performed in the third embodiment. .
[0080]
As mentioned above, the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiment. However, the present invention is not limited to the embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Needless to say.
[0081]
【The invention's effect】
The effects obtained by the representative ones of the inventions disclosed by the present application will be briefly described as follows.
[0082]
According to the present invention, the light oxide film of the information transfer n-channel type MISFET is made thicker than the light oxide film of the CMIS configuration n-channel type MISFET and p-channel type MISFET. The amount of negative charge formed can be reduced, and the refresh characteristics of the memory cell can be improved. In addition, the junction leakage current of the n-channel type MISFET constituting the memory cell can be reduced. Further, the subthreshold coefficient can be reduced, and an increase in the threshold potential Vth can be suppressed.
[0083]
Further, according to the present invention, since the light oxide film of the p-channel type MISFET is thicker than the light oxide film of the n-channel type MISFET, the amount of negative charge formed at the interface between the light oxide film and the upper layer film is reduced. Therefore, the occurrence of the kink phenomenon of the p-channel type MISFET can be reduced.
[0084]
In particular, in a gate electrode having a polycrystalline silicon film and a tungsten film, the light oxide film can be made thick while preventing oxidation of the tungsten film by forming a sidewall film on the side wall of the gate electrode.
[0085]
Further, according to the present invention, since the light oxide film is formed after the side wall film is formed on the side wall of the gate electrode, the light oxide film can be thickened while preventing the oxidation of the tungsten film in the gate electrode, When applied to an information transfer n-channel MISFET, the refresh characteristics of the memory cell can be improved and the junction leakage current of the n-channel MISFET constituting the memory cell can be reduced. Further, the subthreshold coefficient can be reduced, and an increase in the threshold potential Vth can be suppressed. Further, when applied to a p-channel type MISFET for CMIS configuration, it is possible to reduce the occurrence of the kink phenomenon of the p-channel type MISFET.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a fragmentary cross-sectional view of a substrate illustrating a method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to a first embodiment of the present invention;
FIG. 2 is a fragmentary cross-sectional view of the substrate showing the method of manufacturing the semiconductor integrated circuit device which is
FIG. 3 is a cross-sectional view of the principal part of the substrate, illustrating the method for manufacturing the semiconductor integrated circuit device which is
4 is a cross-sectional view of the principal part of the substrate, illustrating the method for manufacturing the semiconductor integrated circuit device which is
FIG. 5 is a cross-sectional view of the principal part of the substrate, illustrating the method for manufacturing the semiconductor integrated circuit device which is
6 is a fragmentary cross-sectional view of the substrate showing the method of manufacturing the semiconductor integrated circuit device which is
7 is a fragmentary cross-sectional view of the substrate, illustrating the method of manufacturing the semiconductor integrated circuit device which is
FIG. 8 is a fragmentary cross-sectional view of the substrate showing the method of manufacturing the semiconductor integrated circuit device which is
FIG. 9 is a cross sectional view of the essential part of the substrate, for showing a method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device which is
FIG. 10 is a cross-sectional view of the principal part of the substrate, illustrating the method for manufacturing the semiconductor integrated circuit device which is
FIG. 11 is a fragmentary cross-sectional view of the substrate showing the method of manufacturing the semiconductor integrated circuit device which is
12 is a fragmentary cross-sectional view of the substrate showing the method of manufacturing the semiconductor integrated circuit device which is
13 is a fragmentary cross-sectional view of the substrate showing the method of manufacturing the semiconductor integrated circuit device which is
FIG. 14 is a diagram showing a refresh time of the semiconductor integrated circuit device of the present invention.
15 is a fragmentary cross-sectional view of a substrate, illustrating a method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to
FIG. 16 is a diagram showing a structure of a plug of a semiconductor integrated circuit device according to a second embodiment of the present invention;
FIG. 17 is a fragmentary cross-sectional view of the substrate showing the method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device which is
FIG. 18 is a cross-sectional view of the principal part of the substrate showing the method of manufacturing the semiconductor integrated circuit device which is
FIG. 19 is a fragmentary cross-sectional view of a substrate showing a method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device which is
FIG. 20 is a diagram for illustrating the effect of the present invention.
FIG. 21 is a diagram illustrating a problem to be solved by the present invention.
FIG. 22 is a diagram for illustrating a problem of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Semiconductor substrate
2 Element isolation groove
3 p-type well
4 n-type well
5 Silicon oxide film
8 Gate oxide film
9 Gate electrode
9a Polycrystalline silicon film
9b W film
10 Silicon nitride film
11a Light oxide film
11b Light oxide film
12 Side wall film
13 n-Type semiconductor region
14 n-Type semiconductor region
15 p-Type semiconductor region
16 Sidewall spacer
17 n+Type semiconductor region
18 p+Type semiconductor region
19 Silicon oxide film
20, 21 Contact hole
22 plug
23 Silicon oxide film
24, 25 Contact hole
26 plug
30-33 wiring
34 Silicon oxide film
38 through hole
40 Silicon nitride film
41 Silicon oxide film
42 groove
43 Lower electrode
44 capacitive insulation film
45 Upper electrode
50 Silicon oxide film
51 through hole
52 plug
53-55 wiring
BL bit line
WL Word line
C Information storage capacitor
Qn n-channel MISFET
Qp p-channel MISFET
Qs MISFET for memory cell selection
2R resist film
3R resist film
12a Silicon nitride film
Claims (8)
(b)前記ゲート絶縁膜上に多結晶シリコン膜、高融点金属膜および窒化シリコン膜を順次形成し、パターニングすることによって前記多結晶シリコン膜および前記高融点金属膜を含むゲート電極を形成する工程と、
(c)ウェットハイドロゲン酸化を行い、前記多結晶シリコン膜の側面および前記半導体基板の表面に第1のライト酸化膜を形成する工程と、
(d)前記ゲート電極の側壁に窒化シリコン膜を用いてサイドウォール膜を形成する工程と、
(e)酸化性雰囲気で熱処理を行い、前記ゲート電極および前記サイドウォール膜で覆われていない前記半導体基板の表面に第2のライト酸化膜を形成する工程と、
(f)前記半導体基板に不純物を注入して低濃度拡散層を形成する工程と、を有することを特徴とする半導体集積回路装置の製造方法。(A) forming a gate insulating film on the semiconductor substrate;
(B) forming a gate electrode including the polycrystalline silicon film and the refractory metal film by sequentially forming and patterning a polycrystalline silicon film, a refractory metal film and a silicon nitride film on the gate insulating film; When,
(C) performing wet hydrogen oxidation to form a first light oxide film on the side surface of the polycrystalline silicon film and the surface of the semiconductor substrate;
( D ) forming a sidewall film using a silicon nitride film on the sidewall of the gate electrode;
( E) performing a heat treatment in an oxidizing atmosphere to form a second light oxide film on the surface of the semiconductor substrate not covered with the gate electrode and the sidewall film ;
(F) the method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device characterized in that it comprises a step of forming a by implanting impurities into the semiconductor substrate lightly doped diffusion layer.
(a)半導体基板上に、ゲート絶縁膜を形成する工程と、 (A) forming a gate insulating film on the semiconductor substrate;
(b)前記ゲート絶縁膜上に多結晶シリコン膜、高融点金属膜および窒化シリコン膜を順次形成し、パターニングすることによって前記メモリセル領域および前記周辺回路領域に、前記多結晶シリコン膜および前記高融点金属膜を含むゲート電極を形成する工程と、 (B) A polycrystalline silicon film, a refractory metal film and a silicon nitride film are sequentially formed on the gate insulating film and patterned to form the polycrystalline silicon film and the high-concentration film in the memory cell region and the peripheral circuit region. Forming a gate electrode including a melting point metal film;
(c)ウェットハイドロゲン酸化を行い、前記メモリセル領域および前記周辺回路領域に形成した前記ゲート電極の前記多結晶シリコン膜の側面と、前記メモリセル領域および前記周辺回路領域の前記半導体基板の表面とに、第1のライト酸化膜を形成する工程と、 (C) side surfaces of the polycrystalline silicon film of the gate electrode formed in the memory cell region and the peripheral circuit region by performing wet hydrogen oxidation; and the surface of the semiconductor substrate in the memory cell region and the peripheral circuit region And forming a first light oxide film;
(d)前記メモリセル領域および前記周辺回路領域の前記半導体基板上を覆う窒化シリコン膜を形成する工程と、 (D) forming a silicon nitride film that covers the semiconductor substrate in the memory cell region and the peripheral circuit region;
(e)異方的エッチングを行って、前記メモリセル領域の前記半導体基板上に形成されている前記窒化シリコン膜を除去することで、前記メモリセル領域に形成した前記ゲート電極の側壁に前記窒化シリコン膜からなるサイドウォール膜を形成すると共に、前記周辺回路領域の前記半導体基板上に形成されている前記窒化シリコン膜を残存させる工程と、 (E) performing anisotropic etching to remove the silicon nitride film formed on the semiconductor substrate in the memory cell region, thereby nitriding the side wall of the gate electrode formed in the memory cell region; Forming a sidewall film made of a silicon film and leaving the silicon nitride film formed on the semiconductor substrate in the peripheral circuit region;
(f)酸化性雰囲気で熱処理を行い、前記メモリセル領域の前記半導体基板の表面に第2のライト酸化膜を形成する工程と、 (F) performing a heat treatment in an oxidizing atmosphere to form a second light oxide film on the surface of the semiconductor substrate in the memory cell region;
(g)前記メモリセル領域の前記半導体基板に不純物を注入して低濃度拡散層を形成する工程と、を有することを特徴とする、半導体集積回路装置の製造方法。 (G) forming a low-concentration diffusion layer by injecting impurities into the semiconductor substrate in the memory cell region, and a method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device.
(a)半導体基板上に、ゲート絶縁膜を形成する工程と、 (A) forming a gate insulating film on the semiconductor substrate;
(b)前記ゲート絶縁膜上に多結晶シリコン膜、高融点金属膜および窒化シリコン膜を順次形成し、パターニングすることによって前記メモリセル領域および前記周辺回路領域に、前記多結晶シリコン膜および前記高融点金属膜を含むゲート電極を形成する工程と、 (B) A polycrystalline silicon film, a refractory metal film and a silicon nitride film are sequentially formed on the gate insulating film and patterned to form the polycrystalline silicon film and the high-concentration film in the memory cell region and the peripheral circuit region. Forming a gate electrode including a melting point metal film;
(c)ウェットハイドロゲン酸化を行い、前記メモリセル領域および前記周辺回路領域に形成した前記ゲート電極の前記多結晶シリコン膜の側面と、前記メモリセル領域および前記周辺回路領域の前記半導体基板の表面とに、第1のライト酸化膜を形成する工程と、 (C) side surfaces of the polycrystalline silicon film of the gate electrode formed in the memory cell region and the peripheral circuit region by performing wet hydrogen oxidation; and the surface of the semiconductor substrate in the memory cell region and the peripheral circuit region And forming a first light oxide film;
(d)前記メモリセル領域および前記周辺回路領域の前記半導体基板上を覆う窒化シリコン膜を形成する工程と、 (D) forming a silicon nitride film that covers the semiconductor substrate in the memory cell region and the peripheral circuit region;
(e)異方的エッチングを行って、前記メモリセル領域の前記半導体基板上に形成した前記窒化シリコン膜および前記周辺回路領域のうちの前記pチャネル型MISFETを形成する領域の前記半導体基板上に形成されている前記窒化シリコン膜を除去することで、前記メモリセル領域に形成されている前記ゲート電極の側壁および前記pチャネル型MISFETの前記ゲート電極の側壁に前記窒化シリコン膜からなるサイドウォール膜を形成すると共に、前記周辺回路領域のうちの前記CMIS構成用nチャネル型MISFETを形成する領域の前記半導体基板上に形成されている前記窒化シリコン膜を残存させる工程と、 (E) performing anisotropic etching on the semiconductor substrate in a region in which the p-channel MISFET is to be formed in the silicon nitride film and the peripheral circuit region formed on the semiconductor substrate in the memory cell region; By removing the formed silicon nitride film, a side wall film made of the silicon nitride film on the side wall of the gate electrode formed in the memory cell region and the side wall of the gate electrode of the p-channel type MISFET And leaving the silicon nitride film formed on the semiconductor substrate in the region for forming the CMIS constituting n-channel MISFET in the peripheral circuit region; and
(f)酸化性雰囲気で熱処理を行い、前記メモリセル領域の前記半導体基板の表面、および前記周辺回路領域のうちの前記pチャネル型MISFETを形成する前記領域の前記半導体基板の表面に、第2のライト酸化膜を形成する工程と、 (F) Heat treatment is performed in an oxidizing atmosphere, and a second surface is formed on the surface of the semiconductor substrate in the memory cell region and the surface of the semiconductor substrate in the region in which the p-channel MISFET is formed in the peripheral circuit region. Forming a light oxide film of
(g)前記メモリセル領域の前記半導体基板に不純物を注入して低濃度拡散層を形成する工程と、を有することを特徴とする、半導体集積回路装置の製造方法。 (G) forming a low-concentration diffusion layer by injecting impurities into the semiconductor substrate in the memory cell region, and a method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device.
前記CMIS構成用nチャネル型MISFETおよび前記pチャネル型MISFETのそれぞれの前記ゲート電極の側壁にサイドウォールスペーサ膜を形成する工程と、 Forming a sidewall spacer film on a side wall of the gate electrode of each of the CMIS constituting n-channel MISFET and the p-channel MISFET;
前記CMIS構成用nチャネル型MISFETを形成する領域の前記半導体基板に、前記ゲート電極および前記サイドウォールスペーサ膜をマスクにして、n型不純物を注入することにより、n型の高濃度拡散層を形成する工程と、 An n-type high-concentration diffusion layer is formed by implanting n-type impurities into the semiconductor substrate in the region where the CMIS configuration n-channel MISFET is to be formed using the gate electrode and the sidewall spacer film as a mask. And a process of
前記CMIS構成用pチャネル型MISFETを形成する領域の前記半導体基板に、前記ゲート電極および前記サイドウォールスペーサ膜をマスクにして、p型不純物を注入することにより、p型の高濃度拡散層を形成する工程と、 A p-type high-concentration diffusion layer is formed by implanting p-type impurities into the semiconductor substrate in the region for forming the CMIS configuration p-channel MISFET using the gate electrode and the sidewall spacer film as a mask. And a process of
を有することを特徴とする、請求項4から7のいずれか1項に記載の半導体集積回路装置の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to claim 4, wherein:
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