JP3737277B2 - 半導体デバイスを製造する方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体デバイスに関し、特に、半導体デバイスの製造中に重水素に曝された誘電体とポリシリコン層を含む半導体デバイスとその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体デバイスにおいて、シリコンを使用することは公知である。これらのデバイスは経年劣化し、これはホットキャリア劣化効果として知られている。この劣化は、半導体デバイス中を流れる電流により惹起される欠陥に起因する。
【0003】
これらの欠陥は、キャリアの移動度と寿命を低減させ、半導体デバイスの性能を劣化させる。多くの場合、基板はシリコンを含有し、これらの欠陥は、エネルギギャップ内に印加されたバイアスに一部依存して半導体デバイス内の電荷キャリアを除去したり、不要な電荷キャリアを付加するような状態を導入するダングリングボンド(dangling bonds 即ち、ぶら下がり結合)により引き起こされると考えられている。
【0004】
ダングリングボンドは、半導体デバイスの表面あるいは界面で主に発生するが、空隙,ミクロ細孔,転位のある場所でも発生し、また不純物とも関係すると見られている。このようなダングリングボンドにより引き起こされる問題を解決するために、水素不動態化プロセスを用いるが、これは半導体デバイスの製造における一般的に確立した処理である。
【0005】
水素不動態化プロセスにおいては、半導体デバイスの動作に影響を及ぼすような欠陥は、水素がダングリングボンドサイトでシリコンと結合すると、除去できると考えられる。一方、水素不動態化処理は、これらのダングリングボンドに関連する問題については解決することができるが、経年劣化の問題を永久的に解決できるものではない。理由は、不動態化プロセスにより付加された水素原子は、ホットキャリア効果により、ダングリングボンドサイトから「脱着」即ち除去されてしまうからである。
【0006】
ホットキャリアは、電圧が半導体デバイスの電極に加えられた時に付加される高運動エネルギを有する電子またはホールである。このような動作状態においては、水素不動態化プロセスにより付加された水素原子は、ホットエレクトロンによって追い出されてしまう。この水素脱着(追い出されること)は、半導体デバイスの性能の劣化あるいは経年劣化の原因となる。
【0007】
確立された理論によると、この経年劣化プロセスは、水素をシリコン製基板の表面あるいは二酸化シリコンの界面から脱着を促すようなホットキャリアの結果として発生する。このホットキャリア効果は、特に小型の半導体デバイスの際には問題となる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
したがって本発明の目的は、従来のプロセスにより不動態化されたデバイスが有する効率の経年劣化を有さない新規の素子の製造方法およびその方法により製造された素子を提供することである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体デバイスを製造する方法は、請求項1及び請求項2に記載した特徴を有する。本発明は、層(薄膜)を不動態化するために重水素を採用するものである。本発明においては、「相当の濃度」とは、重水素の同位元素を1016cm−3以上含有する濃度を意味する。
【0010】
本発明の一実施例によれば、半導体デバイスを製造する方法において、半導体基板の表面に熱酸化により酸化物層を形成するに当たり、1ppmを超えない濃度の水素非同位元素を含み、重水素を含有するガススチーム雰囲気下熱酸化させることにより、1016cm−3以上の濃度の重水素を前記酸化物層へ導入することを特徴とする方法が提供される。
【0011】
本発明の他の態様においては、半導体デバイスを製造する方法において、半導体基板の表面に化学堆積により堆積層を形成するに当たり、1ppmを超えない濃度の水素非同位元素を含み、重水素を含有する原料ガス雰囲気下前記堆積層を堆積させることにより、1016cm−3以上の濃度の重水素を前記堆積層へ導入することを特徴とする方法が提供される。
【0012】
ゲートとスペーサを形成した後の半導体デバイスの断面図である図1において、半導体デバイス10は基板12を有し、その中にn−ウェル14とp−ウェル16が従来方法により形成されている。この基板12は、Siからなる材料で構成される。
【0013】
本発明の好ましい実施例においては、半導体デバイス10は誘電体製構造物18を含む。この誘電体製構造物18は、酸化重水素スチーム(D2O)のような水素同位元素のスチームの存在下で熱成長で形成される。本発明の実行のためには、この水素同位元素のスチーム(蒸気)は、できるだけ高い濃度の水素同位元素を含有しなければならない。さらにまた好ましい実施例においては、水素非同位元素の濃度は、このスチーム内で1ppmを超えてはならない。
【0014】
一実施例においては、水素の様々な種類の同位元素をイオンの形で含みうるが、本発明においては、水素同位元素として重水素が採用される。更に、水素のさらに質量が重い同位元素にも適用できる。しかし、別の構造体も存在するが、本発明は水素同位元素とアモルファスシリコンとの間の結合の種類には無関係である。
【0015】
別法として、誘電体製構造物18は例えば相当濃度の重水素のような水素同位元素を含むガス混合物から化学堆積により形成することもできる。本発明の実行に際しては、「相当濃度」とは水素同位元素の少なくとも1016cm-3の濃度として定義する。このようなガスおよびガス混合物の代表例は、重水素化シランと酸素(SiD4 +O2 ),重水素化シランと酸化窒素(SiD4 +N2O), 重水素化テトラエチルオートシリケート(TEOS,Si(OC2D5)4 ),重水素化アンモニア(ND3 )あるいは重水素化ディクロロシランと酸化窒素(SiCl2D2 +N2O)を含む。
【0016】
半導体デバイス10内に様々な構造体を形成するために通常用いられる従来のプロセスおよび他のガス混合物を用いることができるが、しかし本発明では相当濃度の水素同位元素を含む。好ましい実施例においては、通常の水素(即ち水素の非同位元素)は、ガス混合物中で1ppmを超えてはならない。不動態化処理が行われる圧力は、大気圧以上あるいは大気圧以下いずれか(即ち圧力に関係しない)で、ガスの流速は堆積に用いられる装置に依存する。これらの条件を組み合わせて毎分0.01nmから10.0nmの範囲の好ましい形成速度を得ることができる。さらに好ましい本発明の一実施例においては、この形成速度は毎分0.5nmから3nmの範囲である。
【0017】
誘電体製構造物18が相当濃度の水素同位元素を含む場合には、それ近傍のダングリングボンドサイトは、水素同位元素により占有される。この不動態化処理により半導体デバイス10内の劣化が大幅に低減するが、その理由はダングリングボンドサイトは、半導体デバイス内で電荷キャリアを除去したり、あるいは不要な電荷キャリアを付加するためにもはや利用することができないからである。
【0018】
さらにまた水素同位元素は、基板12との結合を構成し、これは破壊しづらくその結果信頼性のある光学デバイスあるいは電気的デバイスを形成できる。結合が破壊しづらい理由の説明は、水素同位元素は通常の水素よりも質量が重くそのため同位元素を除去することが困難となるからである。かくして誘電体製構造物18内の水素同位元素の存在により、従来のデバイスよりも優れた利点がある。
【0019】
図1にはゲート22を形成するために、従来プロセスを用いて堆積し、ドーピングし、エッチングされたポリシリコン構造体が示されている。このゲート22は、ゲート酸化物24の上に形成される。相当濃度の水素同位元素が必要によってはゲート酸化物24内に導入される。この同位元素は、例えば酸化重水素スチーム(D2 O)のような水素同位元素スチームの存在下でゲート酸化物24を熱成長で形成することにより導入することができる。ゲート酸化物24を成長させるのに用いられる他の条件およびプロセスは公知である。
【0020】
半導体デバイス10はゲート22の周囲に形成されるスペーサ(即ちゲート側壁)26を有する。水素同位元素をこの構造体に、相当濃度の水素同位元素を含むシリコン材料のガス状堆積により導入することができる。スペーサ26の形成プロセスは公知であるが、但し、相当濃度の水素同位元素を含むガス状材料を使用する点で本発明は従来技術とは異なる。
【0021】
このようなガスおよびガス混合物の代表例は、重水素化シランと酸素(SiD4 +O2 ),重水素化シランと酸化窒素(SiD4 +N2O), 重水素化テトラエチルオートシリケート(TEOS,Si(OC2D5)4 ),重水素化アンモニア(ND3 )あるいは重水素化ディクロロシランと酸化窒素(SiCl2D2+N2 O)を含む。
【0022】
好ましい実施例においては、通常の水素はガス混合物内で1ppmを超えてはならない。さらに好ましい実施例においては、このガス混合物は堆積チェンバ内に注入され、不動態化プロセスが150℃から1100℃の範囲の温度で行われる。
【0023】
不動態化処理が行われる圧力は、大気圧以上あるいは大気圧以下いずれかで(即ち圧力には無関係で)、ガスの流速は堆積に用いられる装置に依存する。これらの条件を組み合わせて毎分0.01nmから10.0nmの範囲の好ましい形成速度を得ることができる。さらに好ましい本発明の一実施例においては、この形成速度は毎分0.5nmから3nmの範囲である。
【0024】
スペーサ26が相当濃度の水素同位元素を含む場合には、それ近傍のダングリングボンドサイトは、水素同位元素により占有される。この強い水素同位元素/シリコン結合によりゲートはより頑強になり、経年劣化の速度が低下することになる。
【0025】
基板12と誘電体製構造物18とゲート22とゲート酸化物24とスペーサ26は、半導体製造プロセスの結果形成された構造体を示す。
【0026】
図2に示すように、ゲート22とスペーサ26の形成後、誘電体層28が形成され、この誘電体層28内に金属製相互接続構造体32が形成され、この誘電体層28上に誘電体層30が形成される。この誘電体層28は従来プロセスにより形成されるが、但し、本発明ではガス状材料例えば重水素化TEOSあるいは重水素化SiD4 等は、水素同位元素をその中に含む点で異なる。図2から分かるように、本発明を用いて水素同位元素を必要によっては半導体デバイス10内の様々な構造体に導入することもできる。導入された場合には水素同位元素は、上記の利点を有する構造体を提供できることになる。
【0027】
図3は、ピーク基板電流状態においてトランジスタ上で実行されたホットキャリアストレスの実験結果を表すグラフである。ホットキャリアに起因する界面損傷は、NMOSトランジスタの線形トランスコンダクタンス(gm) としきい値電圧(Vth)の変化をモニタすることにより観測できる。図3はまたVthの劣化とストレス時間との関係を示す。
【0028】
同グラフに示すように水素で不動態化処理されたトランジスタの劣化(○印)は、重水素で不動態化処理されたトランジスタで観測される劣化(□印)よりもはるかに高い。重水素で不動態化処理したデバイスのしきい値電圧は、104 分の期間の間、わずか1.05Vに上昇するだけであるのに対し、同一期間水素で不動態化処理したデバイスのしきい値電圧は、1.3Vに増加する。
【0029】
図4はトランジスタの寿命と基板電流との関係を表すグラフである。このデータから水素同位元素(例えば、重水素)でアニール処理されたデバイスは、チャネルホットエレクトロンのストレスのもとでも、はるかに頑強である。外挿されたトランジスタの寿命は、様々な劣化限界を用いて示されている。水素アニールと重水素アニールのプロセスの間の差は明白である。
【0030】
基板電流は、重水素がポスト金属アニールプロセスにおいて水素の代わりに用いられた時には、等しいホットエレクトロン劣化寿命を達成する場合は2倍に増加する。NMOSデバイスと半導体デバイスの間の構造が類似の場合には、同様の結果が半導体デバイスとNMOSデバイスで得られる。
【0031】
【発明の効果】
以上述べたように半導体デバイスの劣化のプロセスにおいては、水素同位元素がその改善に寄与する。
【図面の簡単な説明】
【図1】ゲートとスペーサを形成した後の半導体デバイスの断面図
【図2】多重レベルの誘電体と金属半導体を含む図1の半導体デバイスの断面図
【図3】ピーク基板電流状態において、水素処理したトランジスタと重水素処理したトランジスタ上で実行されたホットキャリアストレスの実験結果を表すグラフ
【図4】水素処理したトランジスタと重水素処理したトランジスタの寿命と基板電流との関係を表すグラフ
【符号の説明】
10 半導体デバイス
12 基板
14 n−ウェル
16 p−ウェル
18 誘電体製構造物
22 ゲート
24 ゲート酸化物
26 スペーサ
28,30 誘電体層
32 金属製相互接続構造体
Claims (10)
- 半導体デバイスを製造する方法において、
半導体基板の表面に熱酸化により酸化物層を形成するに当たり、
1ppmを超えない濃度の水素非同位元素を含み、重水素を含有するガススチーム雰囲気下熱酸化させることにより、1016cm−3以上の濃度の重水素を前記酸化物層へ導入することを特徴とする方法。 - 半導体デバイスを製造する方法において、
半導体基板の表面に化学堆積により堆積層を形成するに当たり、
1ppmを超えない濃度の水素非同位元素を含み、重水素を含有する原料ガス雰囲気下前記堆積層を堆積させることにより、1016cm−3以上の濃度の重水素を前記堆積層へ導入することを特徴とする方法。 - 前記堆積層を堆積することは、誘電体層及びポリシリコン層からなるグループから選択された材料の層を堆積することを含む
ことを特徴とする請求項2記載の方法。 - 前記誘電体層は、二酸化シリコン、窒化シリコン、酸化窒化シリコンからなるグループから選択される材料である
ことを特徴とする請求項3記載の方法。 - 前記半導体デバイスは、ミクロン以下の寸法を有するシリコン製トランジスタである
ことを特徴とする請求項1又は請求項2のいずれかに記載の方法。 - 前記シリコン製トランジスタは、相補型金属酸化物半導体と、Bi相補型金属酸化物半導体とフラッシュ型のイレーザブルプログラマブルROMからなるグループから選択される
ことを特徴とする請求項5記載の方法。 - 前記半導体基板は、Siからなる材料で構成される
ことを特徴とする請求項1又は請求項2のいずれかに記載の方法。 - 前記半導体基板内に少なくとも1つのドープ領域を形成するステップ
を含むことを特徴とする請求項1又は請求項2のいずれかに記載の方法。 - 前記酸化物層を形成することは、ゲート酸化物またはフィールド酸化物を形成するステップを含み、前記ゲート酸化物またはフィールド酸化物は重水素を含有する
ことを特徴とする請求項1記載の方法。 - 前記堆積層を形成することは、スペーサを形成するステップを含み、前記スペーサは重水素を含有する
ことを特徴とする請求項2記載の方法。
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