JP3547633B2 - 半導体素子の酸化膜形成方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体素子の酸化膜形成方法に関し、特に互いに異なる駆動電圧が印加される素子領域に異なる厚さの酸化膜を形成するための半導体素子の酸化膜形成方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に、埋込型(embeded)DRAM又は互いに異なる動作電圧を有する半導体素子においては、互いに異なる厚さを有する酸化膜を形成する必要がある。
【0003】
すなわち、DRAM及びロジックデバイスが半導体素子の集積化により急速に発展しており、またDRAMとロジックとが結合した埋込DRAMが出現している。かかる傾向は続くものと思われるが、この際DRAMのメモリセル領域、コア(core)/ペリフェラル(peripheral)領域とロジックデバイスの入出力領域を除いた領域、ロジックの入出力バッファ及びDRAM及びロジックのESD(Electro Static Discharge)領域等には、異なる動作電圧が供給される。従って、それらの領域には異なる厚さの酸化膜を形成する必要がある。
【0004】
このように異なる厚さを有する半導体素子の酸化膜形成方法には湿式食刻を用いる方法とイオン注入を用いる方法がある。しかし、この2つの酸化膜形成方法では、酸化膜厚さの均一度、酸化膜の信頼性の側面で問題があるため、これらの問題を解決するための多様な研究が進んでいる。
【0005】
以下、かかる従来の半導体素子の酸化膜形成方法を添付図面に基づき説明する。
図1a、図1b、図2a〜図2cは従来の半導体素子の酸化膜形成工程を示す断面図である。
【0006】
まず、図1aに示すように、厚い酸化膜の形成領域である第1領域A、及び薄い酸化膜の形成領域である第2領域Bが定義された半導体基板1上に犠牲酸化膜(sacrificial oxide)2を形成する。
【0007】
図1bに示すように、犠牲酸化膜2上に感光膜PRを塗布した後、露光及び現像工程で第1領域Aの半導体基板1上にのみ感光膜PRが残るように感光膜PRをパターニングする。
【0008】
図2aに示すように、感光膜PRをマスクに用いたイオン注入工程で第2領域Bの半導体基板1内に窒素イオン3を注入した後、熱処理して窒素イオン3を拡散させる。
【0009】
図2cに示すように、感光膜PR及び犠牲酸化膜2を除去する。
図1eに示すように、半導体基板1の全面を熱処理して第1領域Aの半導体基板1上には厚い厚さを有する第1ゲート酸化膜4を成長させ、第2領域Bの半導体基板1上には薄い厚さを有する第2ゲート酸化膜5を成長させる。すなわち、窒素イオン3が注入された部分の半導体基板1は、窒素イオンにより半導体基板1の表面の酸化が抑制される。このため、窒素イオンが注入されない部分よりもゲート酸化膜の成長速度が遅い。これにより、第1、第2ゲート酸化膜4、5からなる厚さの互いに異なるデュアルゲート酸化膜が形成される。
【0010】
尚、図面上に図示してはないが、窒素イオンの代わりにフッ素F(fluorin)イオンを注入した場合には上記結果とは逆の結果が現れるようになる。すなわち、フッ素イオンが半導体基板の表面の酸化を活性化させるため、フッ素イオンを注入した領域はフッ素イオンを注入しない領域よりも一層厚い酸化膜が形成される。通常では、デュアルゲート酸化膜を形成する際、窒素イオン及びフッ素イオンのうち何れか一つの不純物イオンのみを半導体基板に注入した後、酸化膜を形成するようにしている。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
従来の半導体素子の酸化膜形成方法においては次のような問題点があった。
第1に、窒素イオンを注入してゲート酸化膜を薄く形成する場合、TDDB(Time Dependent Dielectric Breakdown)特性がよくないため、ゲート酸化膜としての信頼度が低下する。
【0012】
第2に、フッ素イオンを注入してゲート酸化膜を厚く形成し、デュアルポリゲートを用いてゲート電極を形成する場合、特にP+型ドープのポリシリコン(ゲート電極)のボロン(boron)イオンが半導体基板(特に、チャネル領域)内へ拡散されるという問題点が発生する。このため、トランジスタとしての信頼度が低下する。
【0013】
本発明は上記したような従来の半導体素子の酸化膜形成方法の問題点を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、TDDB特性を向上させ、かつボロンイオンの拡散を防止して信頼度の高い半導体素子を提供するに適した半導体素子の酸化膜形成方法を提供することにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項1に記載の半導体素子の酸化膜形成方法は、前記半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜の所定の領域をマスキングした後、前記絶縁膜のマスキングされていない露出部分を介して前記半導体基板に第1、第2不純物イオンを注入する工程と、前記絶縁膜を除去する工程と、前記不純物イオン注入領域と不純物イオン非注入領域の前記半導体基板上に互いに異なる厚さを有する第1、第2酸化膜を形成する工程とを備えることを要旨とする。
【0015】
請求項2に記載の発明は、請求項1記載の半導体素子の酸化膜形成方法において、前記不純物イオン注入領域に形成される第1酸化膜は、不純物イオン非注入領域に形成される第2酸化膜よりも厚いことを要旨とする。
【0016】
請求項3に記載の発明は、請求項1記載の半導体素子の酸化膜形成方法において、前記第1、第2不純物イオンは窒素イオンとフッ素イオンであり、前記窒素イオンが前記フッ素イオンより更に深く投射されるように窒素イオンとフッ素イオンとを注入することを要旨とする。
【0020】
【発明の実施の形態】
かかる本発明の半導体素子の酸化膜形成方法を添付図面に基づき説明する。
図3a、3b、図4a〜図4cは本発明の第1実施形態による半導体素子の酸化膜形成工程を示す断面図である。
【0021】
まず、図3aに示すように、薄い酸化膜の形成領域である第1領域A、及び厚い酸化膜の形成領域である第2領域Bが定義された半導体基板11上に絶縁膜12を形成する。この際、絶縁膜12は50〜500Å程度の厚さに形成する。好ましくは、半導体基板11を成長させて絶縁膜12を形成する。
【0022】
図3bに示すように、絶縁膜12上に感光膜PR11を塗布した後、露光及び現像工程で第1領域Aの半導体基板11上にのみ感光膜PR11が残るように感光膜PR11をパターニングする。次いで、パターニングされた感光膜PR11をマスクとして用いて第2領域Bの半導体基板11に窒素イオン13を注入する。この際、窒素イオン13の注入エネルギーは10〜50KeVであり、そのドーズ(dose)は3×1013〜5×1015cm−2程度である。
【0023】
図4aに示すように、感光膜PR11をマスクとして用いたイオン注入工程で第2領域Bにフッ素イオン14を注入する。この際、フッ素イオン14の注入エネルギーは10〜50KeVであり、そのドーズ(dose)は3×1013〜5×1015cm−2程度である。この際、フッ素イオン14及び窒素イオン13の投射範囲(Rp: Projection Range)は互いに異なるようにイオン注入条件が設定される。すなわち、窒素イオン13の半導体基板11内の投射範囲がフッ素イオン14の投射範囲よりも深くなるようにイオン注入条件が設定される。
【0024】
図4bに示すように、半導体基板11を熱処理して窒素イオン13及びフッ素イオン14を拡散させる。その後、絶縁膜12及び感光膜PR11を除去する。この際、絶縁膜12及び感光膜PR11を先に除去した後、拡散工程を施してもよい。そして、上記した熱処理の条件は、5〜30秒間に800〜1000℃で急速熱処理(Rapid Thermal Annealing)する、或いは炉(furnace)で10〜60分間に700〜950℃で熱処理を行うことである。更に、上記熱処理工程の時にイオン注入により発生した基板の欠陥及びダメージを回復(curing)させる。
【0025】
図4cに示すように、第1領域A上には薄い厚さを有する第1ゲート酸化膜15を成長させ、第2領域Bには厚い厚さを有する第2ゲート酸化膜16を成長させる。この際、第1領域Aに形成される第1ゲート酸化膜15は40〜60Å程度の厚さ、第2領域Bに形成される第2ゲート酸化膜16は60〜150Å程度の厚さを有する。
【0026】
上記したように第1実施形態では、半導体基板11上に、窒素イオン、フッ素イオンを順次に注入したのちデュアルゲート酸化膜を形成するので、TDDB特性を向上し、かつp型ドープのポリシリコンのボロンイオンの基板への拡散を防止することができ、信頼度の高い半導体素子を提供することができる。
【0027】
図5a、図5b、図6a、図6b、図7a、図7bは本発明の第2実施形態による半導体素子の酸化膜形成工程の断面図である。
まず、図5aに示すように、互いに異なる厚さを有するゲート酸化膜が形成される第1、第2、第3領域A、B、Cが定義された半導体基板21上に絶縁膜22を形成する。この際、絶縁膜22は50〜500Å程度の厚さに形成する。好ましくは、半導体基板21を成長させて絶縁膜を形成する。ここで、第1領域Aよりは第2領域B、第2領域Bよりは第3領域Cにより厚いゲート酸化膜が形成される。
【0028】
図5bに示すように、絶縁膜22上に感光膜PR21を塗布した後、露光及び現像工程で第1領域Aの半導体基板21上の感光膜PR21が除去されるよう感光膜PR21をパターニングする。
【0029】
図6aに示すように、パターニングされた感光膜PR21をマスクとして用いて第1領域Aの半導体基板21に窒素イオン23を注入する。この際、窒素イオン23の注入エンルギーは10〜50KeVであり、そのドーズ(dose)は3×1013〜5×1015cm−2程度である。
【0030】
図6bに示すように、感光膜PR21を除去する。次いで、絶縁膜22の全面上に感光膜PR22を塗布した後、露光及び現像工程で第3領域C上の感光膜PR22が除去されるように感光膜PR22をパターニングする。次いで、パターニングされた感光膜PR22をマスクとして用いて第3領域Cの半導体基板21にフッ素イオン24を注入する。この際、フッ素イオン24の注入エネルギーは10〜50KeVであり、そのドーズ(dose)は3×1013〜5×1015cm−2程度である。
【0031】
図7aに示すように、半導体基板21を熱処理して窒素イオン23及びフッ素イオン24を拡散させる。その後、絶縁膜22及び感光膜PR22を除去する。この際、拡散工程は絶縁膜22及び感光膜PR22を除去してから実施してもよい。そして、上記した熱処理の条件は、5〜30秒間に800〜1000℃で急速熱処理する、或いは炉(furnace)で10〜60分間に700〜950℃で熱処理を行うことである。
【0032】
図7bに示すように、半導体基板21上における第1領域Aの半導体基板21には上記の3つの領域A、B、Cのうち最も薄い厚さを有する第1ゲート酸化膜25を成長させ、第2領域Bには中間(midium)厚さを有する第2ゲート酸化膜26を成長させ、第3領域Cには最も厚い厚さを有する第3ゲート酸化膜27を成長させる。こうして、トリプル(triple)ゲート酸化膜が形成される。この際、第1領域Aに形成される第1ゲート酸化膜25は40〜70Å程度の厚さ、第2領域Bに形成される第2ゲート酸化膜26は50〜90Å程度の厚さ、第3領域Cに形成される第3ゲート酸化膜27は70〜150Å程度の厚さを有する。
【0033】
この際、上記したような薄い厚さを有する第1ゲート酸化膜25が形成される領域には低電圧駆動可能なメモリセルアレイ等を構成し、中間程度の厚さを有する第2ゲート酸化膜26にはDRAMのコア/ペリフェラル領域などを構成し、厚い厚さを有する第3ゲート酸化膜27にはESD部分と入出力部分を構成する。
【0034】
第2の実施の形態によれば、半導体基板21に互いに異なる厚さを有する第1、第2、第3ゲート酸化膜25、26、27を形成したことにより、互いに異なるしきい電圧を有する半導体素子に対する選択の自由度が増加し、多様な駆動電圧を有する半導体素子を一つの半導体基板21に具現することができる。
【0035】
【発明の効果】
請求項1の発明によれば、半導体基板上に第1、第2不純物イオンを注入して互いに異なる厚さを有する第1、第2酸化膜を形成するので、TDDB特性を向上して、p型ドープのポリシリコンのボロンイオンの基板への拡散を防止することができ、信頼度の高い半導体素子を提供することができる。
【0036】
請求項2の発明によれば、第1酸化膜が第2酸化膜よりも厚いので、その第1及び第2酸化膜を用いて互いに異なる電圧で動作する半導体素子を一つの基板に形成することができる。
【0037】
請求項3の発明によれば、半導体基板内に窒素イオンをフッ素イオンよりも更に深く投射したことにより、TDDB特性を向上して、ボロンイオンの基板への拡散を解決することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】a、bは、従来の半導体素子の酸化膜形成工程を示す断面図。
【図2】a〜cは、図1に続く従来の半導体素子の酸化膜形成工程を示す断面図。
【図3】a、bは、本発明の第1実施形態による半導体素子の酸化膜形成工程を示す断面図。
【図4】a〜cは、図3に続く半導体素子の酸化膜形成工程を示す断面図。
【図5】a、bは、本発明の第2実施形態による半導体素子の酸化膜形成工程を示す断面図。
【図6】a、bは、図5に続く半導体素子の酸化膜形成工程を示す断面図。
【図7】a、bは、図6に続く半導体素子の酸化膜形成工程を示す断面図。
【符号の説明】
11…半導体基板
12…絶縁膜
13…窒素イオン
14…フッ素イオン
15…第1ゲート酸化膜(第1酸化膜)
16…第2ゲート酸化膜(第2酸化膜)
Claims (3)
- 半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜の所定の領域をマスキングした後、前記絶縁膜のマスキングされていない露出部分を介して前記半導体基板に第1、第2不純物イオンを注入する工程と、
前記絶縁膜を除去する工程と、
前記不純物イオン注入領域と不純物イオン非注入領域の前記半導体基板上に互いに異なる厚さを有する第1、第2酸化膜を形成する工程と、
を備えることを特徴とする半導体素子の酸化膜形成方法。 - 前記不純物イオン注入領域に形成される第1酸化膜は、不純物イオン非注入領域に形成される第2酸化膜よりも厚いことを特徴とする請求項1記載の半導体素子の酸化膜形成方法。
- 前記第1、第2不純物イオンは窒素イオンとフッ素イオンであり、前記窒素イオンが前記フッ素イオンより更に深く投射されるように窒素イオンとフッ素イオンとを注入することを特徴とする請求項1記載の半導体素子の酸化膜形成方法。
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