JP2001036078A - Mos型トランジスタ及びその製造方法 - Google Patents

Mos型トランジスタ及びその製造方法

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  • Thin Film Transistor (AREA)
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Abstract

(57)【要約】 【課題】ゲート酸化膜の結晶性に関る欠陥が主原因の特
性不安定性をなくす高品質のゲート酸化膜を有するMO
S型トランジスタ及びその製造方法を提供する。 【解決手段】素子分離酸化膜12に囲まれた単結晶Si
の基板11上における所定のチャネル領域13上には組
み合わせ構成のゲート酸化膜14を介してゲート電極1
5が形成され、その両側の基板11上にはチャネル領域
13を隔ててソース/ドレイン拡散層16が形成されて
いる。ゲート酸化膜14は熱酸化膜141,143とC
VD酸化膜142の組み合わせで構成されている。熱酸
化膜141、続いてCVD酸化膜142の生成後、N2
雰囲気でアニール処理を行う。さらに、水蒸気雰囲気で
熱酸化を行って熱酸化膜143を形成し、再びN2 雰囲
気でアニール処理を行う。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、微細化された絶縁
ゲート型のトランジスタを含む半導体装置に係り、特に
ゲート酸化膜の改良を伴なうMOS(Metal Oxide Semi
conductor)型トランジスタ及びその製造方法に関す
る。
【0002】
【従来の技術】半導体集積回路の大規模集積化、縮小化
が進み、かつ低電源電圧−昇圧電圧動作が要求される。
これに伴ない、MOS型トランジスタのゲート酸化膜
は、高耐圧性を維持しつつ薄膜化される必要がある。そ
のためには、ゲート酸化膜の結晶性を損なう欠陥があっ
てはならない。
【0003】従来のMOSFET(MOS型電界効果ト
ランジスタ)について、その製造方法を説明する。Si
基板上において、素子分離絶縁膜に囲まれた基板の所定
領域にチャネルイオン注入を行う。その後、ゲート酸化
膜を形成する。このゲート酸化膜は850℃〜1000
℃程度の水蒸気雰囲気でSi基板表面を熱酸化し、その
後、N2 雰囲気中でアニール処理することにより形成し
ていた。このアニール処理で熱酸化膜の結晶性を良好に
する。
【0004】次に、ゲート酸化膜上に周知のリソグラフ
ィ技術及びエッチング技術を用いて所定のゲート電極を
パターニングする。その後、ソース/ドレイン拡散層を
形成し、ゲート電極を覆う層間絶縁膜を堆積する。平坦
化された層間絶縁膜の所定領域にソース/ドレイン拡散
層の基板表面を露出させるコンタクトホールを形成し、
ソース/ドレインの電極を形成する。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】上記のような、MOS
FETのゲート酸化膜では、結晶性に関る欠陥の根本的
な解消策とはならない。一般に、Si単結晶基板を熱酸
化してゲート酸化膜を形成する場合、必ずSi単結晶中
にある結晶欠陥がゲート酸化膜中に取り込まれるからで
ある。
【0006】図4は従来のMOSFETのゲート酸化膜
とSi単結晶基板の概略を示す断面図である。Si単結
晶基板41中、表面付近に結晶欠陥DF1がある。この
Si単結晶基板41を熱酸化しゲート酸化膜42を形成
する。結晶欠陥DF1のいくつかはゲート酸化膜42内
に取りこまれ、ゲート酸化膜42中の欠陥DF2とな
る。
【0007】このような欠陥DF2を含むゲート酸化膜
42上にゲート電極(図示せず)を形成してトランジス
タ素子(図示せず)を構成すると、欠陥DF1に沿った
微小電流のリークによるトランジスタ素子の誤動作が懸
念される。つまり、そのトランジスタ素子は、ゲート酸
化膜42の適性膜厚の設定から大きくずれ、所望の特性
が得られなくなってしまう。また、この欠陥DF2が原
因によって、長時間高電圧で使用後に突然ゲート酸化膜
が破壊し、素子動作不能に陥る恐れもある。
【0008】本発明は上記事情を考慮してなされたもの
で、その課題は、ゲート酸化膜の結晶性に関る欠陥を主
な原因とした素子特性の不安定性を解消する高品質のゲ
ート酸化膜を有するMOS型トランジスタ及びその製造
方法を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明のMOS型トラン
ジスタは、半導体部材に形成された所定のチャネル領域
と、前記チャネル領域を隔てて半導体部材に形成された
ソース/ドレイン領域と、前記チャネル領域に前記ソー
ス/ドレイン領域とのチャネルを形成するための電圧が
与えられるゲート電極と、前記ゲート電極と前記チャネ
ル領域の間に形成されたゲート酸化膜とを具備し、前記
ゲート酸化膜は、熱酸化膜とCVD酸化膜との組み合わ
せで構成されることを特徴とする。
【0010】本発明のMOS型トランジスタの製造方法
は、半導体部材に形成されたソース/ドレイン領域を導
通させるチャネル領域とゲート電極との間に設けられる
ゲート酸化膜に関し、600℃以上900℃以下の条件
下でのCVD酸化膜を形成する工程と、前記CVD膜形
成後に行う、このCVD酸化膜形成時よりも高温のアニ
ール処理工程と、水蒸気雰囲気で熱酸化膜を形成する工
程とを具備したことを特徴とする。
【0011】本発明によれば、熱酸化膜に結晶性に関る
欠陥が発生することになっても、熱酸化膜はCVD酸化
膜に対して膜厚が薄く耐圧低下しにくい。また、CVD
酸化膜形成後の高温のアニール処理工程と、水蒸気雰囲
気による熱酸化膜の形成により、CVD酸化膜を高品質
化する。
【0012】
【発明の実施の形態】図1は、本発明の第1の実施形態
に係るMOSFETの要部の構成を示す断面図である。
単結晶Siの基板11(例えばP型基板)上にLOCO
S酸化膜(選択酸化による酸化膜)で構成される素子分
離酸化膜12が形成されている。素子分離酸化膜12に
囲まれた基板11上における所定のチャネル領域13上
には組み合わせ構成のゲート酸化膜14を介してゲート
電極15が形成されている。ゲート電極15両側の基板
11上にはチャネル領域13を隔ててソース/ドレイン
拡散層16(例えばN型の不純物拡散層)が形成されて
いる。また、反転防止層17(例えばP型の不純物拡散
層)が素子分離酸化膜12下に形成されている。
【0013】この実施形態では、ゲート酸化膜14は、
熱酸化膜141,143とCVD酸化膜142の組み合
わせで構成されている。このようなゲート酸化膜14の
製法について以下説明する。
【0014】まず、素子分離酸化膜12に囲まれた基板
11上に周知の熱酸化法により、熱酸化膜141を形成
する。熱酸化膜141は例えば、HClガスを数%混入
したO2 雰囲気中で1000℃以上(1200℃以下)
で、所定時間加熱することにより形成する。
【0015】次に、熱酸化膜141上にCVD酸化膜1
42を形成する。CVD酸化膜142は、TEOS(Te
tra Ethyl Orthosilicate)二酸化シリコン膜であり、
有機系シランガス(Si(C2 5 4 4 )を600
℃以上900℃以下の高温で熱分解して生成する。また
は、SiH4 +N2 Oの反応ガスを用いて600℃以上
900℃以下の条件下で形成した二酸化シリコン膜でも
よい。
【0016】その後、N2 雰囲気で略1000℃、20
分程度のアニール処理を行う。さらに、水蒸気雰囲気で
熱酸化を行って熱酸化膜143を形成し、再びN2 雰囲
気で略1000℃、20分程度のアニール処理を行う。
【0017】図2は、図1のゲート酸化膜14を拡大し
た概略を示す断面図である。ゲート酸化膜14の膜厚調
整は、CVD酸化膜142とその後に熱酸化を行ったと
きにできる熱酸化膜143の膜厚で調整できる。実質的
に10nm〜数百nmの広い範囲のゲート酸化膜の形成
に対応できる。
【0018】図2において、最初の熱酸化膜141ある
いはその後の熱酸化膜143形成時にSi基板11中の
結晶欠陥DF1がゲート酸化膜14中に入り込んで欠陥
DF2が発生することになっても、熱酸化膜141及び
143自体の膜厚がCVD酸化膜142より薄いので、
耐圧低下はほとんどみられない。
【0019】また、アニール処理してもCVD酸化膜1
42中には僅かな欠陥DF3が存在すると考えられる。
しかし、この欠陥DF3が熱酸化膜中の欠陥DF2と隣
接する確立はゼロに近く、無視できる。従って、例えば
長時間高電圧を印加してもゲート酸化膜が破壊されにく
い。
【0020】上記実施形態によれば、本来熱酸化膜に比
べて組成の粗いCVD酸化膜もアニール処理と水蒸気酸
化を経て高品質化できる。これにより、比較的薄い熱酸
化膜と比較的厚いCVD酸化膜との組み合わせで構成さ
れる高品質のゲート酸化膜が形成できる。
【0021】なお、本発明に係るゲート酸化膜は上記説
明した単結晶Si基板上に構成されるMOSFETに限
らず、多結晶SiやアモルファスSiをバルクとして用
いるTFT(Thin Film Transistor)のゲート酸化膜の
構成にも応用できる。
【0022】図3は、本発明の第2の実施形態に係る多
結晶シリコンTFTの要部構成を示す断面図である。絶
縁基板31上に例えばP型不純物がドープされた多結晶
Siの活性層32が形成され、活性層32の所定領域に
N型のソース/ドレイン領域33が形成されている。ソ
ース/ドレイン領域33の間のチャネル領域上にはゲー
ト酸化膜34を介してゲート電極35が形成されてい
る。
【0023】上記ゲート酸化膜34に関し、上記第1の
実施形態と同様に、熱酸化膜341,343とCVD酸
化膜342の組み合わせで構成されている。すなわち、
上述のように、熱酸化膜341は最初に形成する周知の
熱酸化法で形成したものであり、CVD酸化膜342は
TEOS熱分解によるSiO2 膜でその後、形成時より
高温のアニール処理工程を経る。また、熱酸化膜343
は水蒸気による熱酸化により形成される。その後、ゲー
ト酸化膜34は再びアニール処理工程を経て完成する。
【0024】なお、活性層32を構成する多結晶Si
は、アモルファスSiで構成してもよい。このようなT
FTを構成する実施形態においても、TFTのゲート酸
化膜として高品質が得られ、高信頼性の半導体製品の実
現が期待できる。
【0025】以上各実施形態によれば、高温で形成した
CVD酸化膜を、アニール処理工程と水蒸気雰囲気によ
る熱酸化処理を経て高品質化をする。この結果、熱酸化
膜に結晶性に関る欠陥が発生することになっても、熱酸
化膜はCVD酸化膜に対して膜厚が薄く耐圧低下はほと
んどない。これにより、期待どおりのMOSFETの特
性、TFTの特性が高信頼性を伴って得られる。
【0026】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
熱酸化膜での欠陥の発生の影響を無視できるCVD酸化
膜の高品質化の組み合わせ形成によって、ゲート酸化膜
が高品質化される。これにより、MOS型トランジスタ
の耐圧低下の防止、特性の安定性が得られる。この結
果、ゲート酸化膜の結晶性に関る欠陥を主な原因とした
素子特性の不安定性を解消する高品質のゲート酸化膜を
有するMOS型トランジスタ及びその製造方法を提供す
ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係るMOSFETの
要部の構成を示す断面図である。
【図2】図1の構成におけるゲート酸化膜を拡大した概
略を示す断面図である。
【図3】本発明の第2の実施形態に係る多結晶シリコン
TFTの要部構成を示す断面図である。
【図4】従来のMOSFETのゲート酸化膜とSi単結
晶基板の概略を示す断面図である。
【符号の説明】
11…Si基板、12…素子分離絶縁膜、13…チャネ
ル領域、14,34…ゲート酸化膜、141,143,
341,343…熱酸化膜、142,342…CVD酸
化膜、15,35…ゲート電極、16,33…ソース/
ドレイン拡散層、17…反転防止層、31…絶縁基板、
32…活性層。
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01L 29/786 H01L 29/78 617V 21/336 Fターム(参考) 5F040 DA14 DA19 DC08 DC09 EB12 ED01 EK01 EK02 5F058 BA01 BD01 BD04 BF23 BF25 BF29 BF56 BF62 BF68 BH01 BH04 BJ01 BJ10 5F110 AA12 AA26 BB04 CC02 FF02 FF09 FF23 FF29 FF36 GG02 GG13 GG15

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体部材に形成された所定のチャネル
    領域と、 前記チャネル領域を隔てて半導体部材に形成されたソー
    ス/ドレイン領域と、 前記チャネル領域に前記ソース/ドレイン領域とのチャ
    ネルを形成するための電圧が与えられるゲート電極と、 前記ゲート電極と前記チャネル領域の間に形成されたゲ
    ート酸化膜と、を具備し、 前記ゲート酸化膜は、少なくとも熱酸化膜上にCVD酸
    化膜が形成された組み合わせで構成されることを特徴と
    するMOS型トランジスタ。
  2. 【請求項2】 前記熱酸化膜は少なくとも2層が積層さ
    れた構造からなることを特徴とする請求項1記載のMO
    S型トランジスタ。
  3. 【請求項3】 前記半導体部材は単結晶Si基板である
    ことを特徴とする請求項1または2記載のMOS型トラ
    ンジスタ。
  4. 【請求項4】 前記半導体部材は多結晶Siでなるバル
    クであることを特徴とする請求項1または2記載のMO
    S型トランジスタ。
  5. 【請求項5】 前記半導体部材はアモルファスSiでな
    るバルクであることを特徴とする請求項1または2記載
    のMOS型トランジスタ。
  6. 【請求項6】 半導体部材に形成されたソース/ドレイ
    ン領域を導通させるチャネル領域とゲート電極との間に
    設けられるゲート酸化膜に関し、 600℃以上900℃以下の条件下でのCVD酸化膜を
    形成する工程と、 前記CVD酸化膜形成後に行う、このCVD酸化膜形成
    時よりも高温のアニール処理工程と、 水蒸気雰囲気で熱酸化膜を形成する工程と、を具備した
    ことを特徴とするMOS型トランジスタの製造方法。
  7. 【請求項7】 前記熱酸化膜を形成する工程は、前記C
    VD酸化膜形成の前と後にそれぞれ行われることを特徴
    とする請求項6記載のMOS型トランジスタの製造方
    法。
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