JP4128396B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、MOS(Metal Oxide Semiconductor)デバイスを集積してなる半導体装置、特に複数の異なる種類のMOSデバイス用ゲート絶縁膜を有する半導体装置及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
MOSトランジスタ等のMOSデバイスを基本構成要素とする半導体装置において、メモリセル部と周辺回路部、デジタル回路部とアナログ回路部、高速動作が要求される素子と低消費電力動作が要求される素子等の、要求性能の異なるMOSデバイスが混在しているものが多くなってきている。異なるMOSデバイスのそれぞれの要求性能に応じるために、ゲート絶縁膜が互に異なる複数種類のMOSデバイスを形成することが有効であり、これを実現する技術として、多水準ゲート絶縁膜技術がある。互に異なるゲート絶縁膜を例えば複数の膜厚水準を有する酸化シリコン膜を混在させることによって形成した複数のMOSデバイスを有する半導体装置が広く量産されている。
【0003】
ここで、2種類の膜厚水準の酸化シリコン膜からなる2種類のゲート絶縁膜を形成する従来技術の例を図8を用いて述べる。シリコン基板1の表面に、周知の浅溝素子分離法を用いて素子分離溝2を形成した後、流量10リットル/分の酸素と0.5リットル/分の水素とを同時に流したパイロジェニック酸化により800℃で膜厚7.7nmの酸化シリコン膜3をシリコン基板1上に形成する(図8a)。
【0004】
次に、レジスト4をウェハ全面に塗布し(図8b)、通常のパターニングを行なって一部のレジストを除去する(図8c)。この時点で基板1は、レジスト4に覆われている部分の領域1と、レジスト4に覆われていない部分の領域2とに分けられる。
【0005】
続いて、領域2のゲート絶縁膜3を弗酸水溶液で除去し(図8d)、続いて硫酸と過酸化水素水を含有する水溶液によってレジスト4を溶解除去する(図8e)。この後、アンモニアと過酸化水素水を含有する水溶液による洗浄(以下「SC−1洗浄」と呼ぶ)と、塩酸と過酸化水素水を含有する水溶液による洗浄(以下「SC−2洗浄」と呼ぶ)を行ない、表面の汚染を除去する。更に、SC−1洗浄と、希弗酸洗浄を行なってから、800℃でパイロジェニック酸化することにより、膜厚4nmの酸化シリコン膜であるゲート絶縁膜5と、膜厚8nmの酸化シリコン膜であるゲート絶縁膜6を形成する。
【0006】
ところで、近年、MOSデバイスに対する高速化や低電圧化の要求から、ゲート絶縁膜の薄膜化が急激に進行している。その結果、絶縁膜を貫通して漏洩する電流即ちゲートリーク電流が増大する問題や、ゲート電極中の硼素がゲート絶縁膜を通り抜けてシリコン基板に拡散するという問題が顕在化してきた。多水準のゲート絶縁膜を形成する場合には、これらの問題は当然に最も薄いゲート絶縁膜において顕著になる。
【0007】
上記ゲートリーク電流の増大や硼素の拡散を防止する対策として、例えば、第1の文献:米国文献「IEDMテクニカル・ダイジェスト(IEDM Technical Digest)」(1995年発行)第691頁によって開示されている、酸化シリコン膜を亜酸化窒素ガスや一酸化窒素ガス雰囲気中で熱処理することによって窒素を導入する方法があり、すでに量産に用いられている。
【0008】
更に、電気的容量から換算した酸化膜換算膜厚で2nm以下にまでゲート絶縁膜の薄膜化が進行すると、ゲートリーク電流や硼素の拡散の問題がより深刻になる。その場合には、より高い窒素濃度を有するSi−O−N三元系材料からなるゲート絶縁膜が求められ、例えば、第2の文献:米国文献「シンポジウム・オン・VLSIテクノロジー・ダイジェスト・オブ・テクニカル・ペーパーズ(Symposium on VLSI Technology Digest of Technical Papers)」(2000年発行)第116頁によって開示されている、酸化シリコン膜を活性窒素を用いて処理する方法が採用される。この方法により、上記した亜酸化窒素ガスや一酸化窒素ガス雰囲気中における熱処理を用いる方法よりも大量の窒素が酸化シリコン膜に導入される。
【0009】
一方、ゲート絶縁膜の薄膜化に対して、上記のゲートリーク電流や硼素の拡散を抑制する観点からではなく、酸化シリコン膜の膜厚均一性の劣化とレジストによる重金属汚染を防ぐ観点から、窒化シリコンを基本構造とするゲート絶縁膜を形成する方法が例えば第3の文献:特開2001−7217号公報に開示されている。
【0010】
第3の文献によれば、窒化シリコンによるゲート絶縁膜が次のように形成される。図9に示すように、シリコン基板91上にウエル層94を形成し、更に素子分離絶縁層92を選択的に形成した後に、素子分離絶縁層92が無い領域全域に窒化シリコン膜95を形成して(図9a)、レジストをマスクとして選択的に窒化膜95を除去する(図9b)。しかる後に酸化性雰囲気中における熱処理を行なって、窒化シリコン膜95を除去した領域には酸化シリコン膜を形成し、同時に窒化シリコン膜95が残る領域には窒化シリコン膜を熱酸化処理した膜を形成し、それらをそれぞれゲート絶縁膜98及び97として用いる(図9c)。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
酸化シリコン膜に窒素を導入する上述の場合よりも更にゲートリーク電流及び硼素の拡散を抑制するためには窒化シリコンを基本構造とするようなゲート絶縁膜を用いる必要がある。
【0012】
観点は異なるが、第3の文献に開示されているような窒化シリコン膜による薄膜化の例がある。しかし、複数の異なる種類のゲート絶縁膜を形成するために、レジストをマスクにしたプラズマエッチングにより窒化シリコン膜を除去して窒化シリコン膜を選択的に形成する従来の方法では、シリコン基板表面に与える損傷及び汚染を十分に抑えることが困難である。
【0013】
ところで、窒化シリコンの膜中には正の固定電荷が生じることが避けられない。この正の固定電荷があると、MOSトランジスタにおいて十分な駆動電流が得られない。従来には、このような問題に解決をみておらず、窒化シリコンを基本構造とするゲート絶縁膜を用いて多水準ゲート絶縁膜を形成する技術は未だ確立していないのが実情である。
【0014】
本発明の主たる目的は、シリコン基板表面に損傷及び汚染を与えることなく窒化シリコン膜を選択的に形成することによって同一シリコン基板内に種類の異なる複数のゲート絶縁膜を形成して成る半導体装置及びその製造方法を提供することにある。
【0015】
本発明の付帯的な目的は、窒化シリコン膜中の正の固定電荷を減少させることによってMOSデバイスの電流駆動能力を高めた半導体装置及びその製造方法を提供することにある。
【0016】
【課題を解決するための手段】
上記主たる主目的は、シリコン基板の表面に酸化シリコン膜を形成してからその一部を除去し、酸化シリコン膜を除去した基板面に窒化シリコン膜を形成すると同時に除去せずに残した酸化シリコン膜の表面に窒素を導入することによって効果的に達成することが可能である。
【0017】
窒化シリコン膜を形成するのための領域が酸化シリコン膜を除去することによって形成されるので、シリコン基板表面への損傷及び汚染を防ぎながら、窒化シリコン膜と窒素を含有する酸化シリコン膜とからなる種類の異なるゲート絶縁膜を形成することができるからである。
【0018】
本発明者は、窒化シリコン膜へ導入された酸素が窒化シリコン膜に生じる正の固定電荷を減少させ、それによってMOSデバイスの駆動電流が高まることを見出した。本発明はそのような知見に基づきなされたものである。即ち、上記付帯的目的は、上記窒化シリコン膜に酸化性雰囲気中での熱処理によって酸素を導入することにより、効果的に達成することが可能である。
【0019】
なお、酸素が導入された窒化シリコン膜即ち酸素を含有する窒化シリコン膜は、酸素導入前の膜厚が1.5nm以下であることが望ましい。
【0020】
また、上記主たる主目的は、その他に、シリコン基板の表面に化学気相成長法により酸化シリコン膜を堆積してからその一部を除去し、酸化シリコン膜を除去した基板面に窒化シリコン膜を形成すると共に除去せずに残した酸化シリコン膜に窒素を導入し、続いて窒素を導入した酸化シリコン膜を溶解除去して基板表面を露出させ、露出したシリコン基板の表面及び上記窒化シリコン膜を酸化して窒素を実質的に含まない酸化シリコン膜と酸素を含有する窒化シリコン膜とを形成することによっても効果的に達成することができる。
【0021】
窒化シリコン膜を形成するのための領域が酸化シリコン膜を除去することによって形成され、更に窒素を実質的に含まない酸化シリコン膜を形成するための領域が窒素を導入した酸化シリコン膜の溶解除去によって形成されるので、シリコン基板表面への損傷及び汚染を防ぎながら、酸素を含有する窒化シリコン膜と窒素を実質的に含まない酸化シリコン膜とからなる種類の異なるゲート絶縁膜を形成することができるからである。
【0022】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る半導体装置及びその製造方法を図面に示した幾つかの発明の実施の形態を参照して更に詳細に説明する。
<発明の実施の形態1>
酸素を含有する窒化シリコンによるゲート絶縁膜と窒素を含有する酸化シリコンによるゲート絶縁膜とを持つ2膜厚水準の半導体装置の製造方法を図1及び図3を用いて説明する。
【0023】
p型のシリコン基板1の表面に、周知の浅溝素子分離法を用いて素子分離溝2を形成した後、ホトリソグラフィを用いて所望の領域をレジストで覆った状態でB(硼素)イオンを打ち込んで、シリコン基板の一部の領域にpウェル(図示を省略する)を形成する。
【0024】
続いて、800℃においてドライ酸化することによって、膜厚3nmの酸化シリコン膜3をシリコン基板1上に形成する(図1a)。次に、レジスト4をウェハ全面に塗布し(図1b)、通常のパターニングを行なって一部のレジストを除去する(図1c)。この時点で基板11は、レジスト4に覆われている部分の領域1、レジスト4に覆われていない部分の領域2に分けられる。
【0025】
続いて、領域2の酸化シリコン膜3を弗酸水溶液で除去し(図1d)、続いて硫酸と過酸化水素水を含有する水溶液によってレジスト4を溶解除去する(図1e)。この後、SC−1洗浄、SC−2洗浄を行ない、表面の汚染を除去する。更に、上記の洗浄処理によって領域2上にできた薄い酸化シリコン膜を除去するためにSC−1洗浄、希弗酸洗浄を行なう。ここで、領域1上の酸化シリコン膜3は膜厚が2nmに減じる。
【0026】
続いて、アンモニア雰囲気中700℃の熱処理によって領域2のシリコン基板1の表面に0.9nmの窒化シリコン膜を形成し、続いて窒素で5%に希釈した亜酸化窒素雰囲気中900℃の熱処理によって上記窒化シリコン膜に酸素を導入して、領域2に酸素を含有する窒化シリコン膜21を形成する。この過程において、領域1上の酸化シリコン膜3は、アンモニア雰囲気中の熱処理及び亜酸化窒素雰囲気中の熱処理によって窒素が導入されると同時に膜厚が若干増加し、膜厚2.5nmの窒素を含有する酸化シリコン膜22となる(図1f)。
【0027】
なお、窒素を含有する酸化シリコン膜22の膜厚は、上記アンモニア雰囲気中の熱処理及び亜酸化窒素雰囲気中の熱処理の前の段階において領域1に存在する酸化シリコン膜3の膜厚を変えることによって制御が可能であり、アンモニア雰囲気中の熱処理及び亜酸化窒素雰囲気中の熱処理の前の段階における酸化シリコン膜3の膜厚と、領域1に完成する窒素を含有する酸化シリコン膜22の膜厚の関係は図2のようになる。
【0028】
以上により、領域1及び領域2にそれぞれ窒素を含有する酸化シリコン膜22及び酸素を含有する窒化シリコン膜21による異なるゲート絶縁膜を形成した。続いて、双方の領域にnチャネル型MOSトランジスタを作製するが、製造方法の基本は双方の領域で共通であるので、ここでは代表して領域2におけるMOSトランジスタの製造方法を図3を用いて説明する。
【0029】
酸素を含有する窒化シリコン膜21によるゲート絶縁膜上に、モノシランをソース・ガスとして用いる周知の化学気相成長法により、厚さ200nmの多結晶シリコン膜を堆積し、4×1015/cm2のP(燐)を10kVの加速電圧でイオン打ち込みして、ホトリソグラフィとドライエッチングを用いてこれを所望の寸法に加工してゲート電極14とする。ここで、3×1014/cm2のAs(砒素)を15kVの加速電圧でイオン打ち込みし、拡散層15の低濃度領域を形成する。
【0030】
次に化学気相成長法によりモノシランと亜酸化窒素を用いて酸化シリコン膜100nmを形成し、続いてこれを異方性ドライエッチングすることにより、酸化シリコンからなるサイドウォール16を形成する。2×1015/cm2のPを30kVの加速電圧でイオン打ち込みして拡散層15の高濃度領域を形成する。次に、950℃30秒の熱処理を行なって、拡散層15にイオン打ち込みしたAs及びPを電気的に活性化する。
【0031】
上記の熱処理を行なった後に、プラズマ化学気相成長法によりテトラエトキシシラン(Si(OC2H5)4)を用いて酸化シリコン膜を600nm堆積して、これを化学機械研磨することによって平坦化して層間絶縁膜17を形成する。ホトリソグラフィとドライエッチングを用いて層間絶縁膜17にコンタクトホールをあけて、化学気相成長法及びスパッタリングを用いてタングステンをコンタクトホール内まで堆積して、これをホトリソグラフィーとドライエッチングによって加工して配線18とする。
【0032】
以上の工程を経て、領域2に図3に示す構造を有するnチャネル型MOSトランジスタが作製される。領域1にも同様の方法でnチャネル型MOSトランジスタが作製される。
【0033】
ここで、ウェルにはB(硼素)のIII族元素、ゲート電極14,拡散層15にAs及びPのV族元素のイオン打ち込みを行なったが、イオン打ち込みする不純物の型を逆にして、ウェルにV族元素、ゲート電極14,拡散層15にIII族元素のイオン打ち込みを行なってpチャネル型MOSトランジスタを作製することもでき、nチャネル型MOSトランジスタとpチャネル型MOSトランジスタを同一シリコン基板上に形成してCMOSデバイスを構成することもできる。
【0034】
なお、酸素を含有する窒化シリコン膜21の形成工程として、アンモニアを用いた熱的な窒化処理後に亜酸化窒素雰囲気中で熱処理すると記述したが、アンモニアを用いた熱的な窒化処理の代わりに活性窒素を用いた窒化処理でも同様の結果が得られる。1nm以下の薄い窒化シリコン膜を形成する場合には、アンモニアを用いた熱的な窒化処理よりも、膜厚の制御性が悪いものの、膜の微視的な均一性の点で優れる。
【0035】
亜酸化窒素を含有する雰囲気における熱処理の目的は、酸素を膜中に導入することによって、元来窒化シリコン膜中に存在する正の固定電荷を減少させること及び窒化シリコン膜中及びシリコン基板との界面に存在する電荷捕獲準位を減らすことである。正の固定電荷や電荷捕獲準位は、MOSトランジスタの駆動電流を低減させる。
【0036】
なお、亜酸化窒素を含有する雰囲気における熱処理の代わりに、乾燥酸素雰囲気中での熱処理(以後、ドライ酸化と呼ぶ)や水蒸気と酸素を含有する雰囲気中における熱処理(以後、ウェット酸化と呼ぶ)を行なうこともできるが、完成状態の酸化膜換算膜厚の制御性及びゲートリーク電流抑制効果の点で劣る場合がある。
【0037】
窒化シリコン膜21によるゲート絶縁膜の形成工程中の、窒化シリコンの形成条件及び亜酸化窒素雰囲気を含有する雰囲気中での熱処理条件については、最終的な酸化膜換算膜厚の目標値を考慮して決定される。亜酸化窒素雰囲気中での熱処理は、異なる窒化シリコン形成条件に対しては、それぞれ電気特性を最適にする亜酸化窒素雰囲気中での熱処理条件が異なる。
【0038】
最初に形成した窒化シリコン膜の膜厚が厚いほど、亜酸化窒素雰囲気中での熱処理条件を高温或いは長時間にしなければ、膜中の準位や固定電荷を減らすことができない。最初に形成する窒化シリコン膜厚が1.5nmを超えると、亜酸化窒素雰囲気中での熱処理を高温、長時間にした場合でも、熱酸化膜を基準としたフラットバンド電圧の負方向へのシフトが0.2Vを超えるようになる。即ち、閾値電圧の調整が困難になると同時に、膜中の正の固定電荷によるチャネル中の電荷の散乱が無視できなくなり、トランジスタの電流駆動能力が低下する。
【0039】
例えば1.5nmの窒化シリコンを形成した後に亜酸化窒素雰囲気中における熱処理を行なって、酸素を含有する窒化シリコンゲート絶縁膜を形成する場合には、電気特性が好適となる亜酸化窒素雰囲気中における熱処理は、例えば950℃10分である。この場合においても、熱酸化膜を基準としたフラットバンド電圧の負方向へのシフトが0.25Vとなり、酸化膜換算膜厚は2.5nmであった。
【0040】
また、2.5nmの熱酸化膜に比べて、nチャネル型MOSトランジスタのゲート絶縁膜に用いた場合の電流駆動能力は約85%であった。あらかじめ形成する窒化シリコン膜を1.5nm以上に厚くした場合には、電流駆動能力の低下がこれよりも顕著となる。即ち、酸素を導入した窒化シリコン膜をゲート絶縁膜として用いるのが実用的となるのは、最初に形成する窒化シリコン膜の膜厚が1.5nm以下であり、完成状態での酸化膜換算膜厚が2.5nm以下である場合である。
【0041】
窒化シリコン膜に酸素が導入される形態を調べるために、パターン無しのシリコン基板上に1.3nmの窒化シリコン膜を形成した後に、窒素で5%に希釈した亜酸化窒素雰囲気中で800℃10分間の熱処理をした試料を作製し、HF水溶液を用いたウェットエッチングとX線光電子分光の測定を繰り返し行なって、組成の深さ方向プロファイルを取得したところ、図4のようになった。窒化シリコンの表面に0.5nm以下の二酸化シリコンに近い組成の部分が形成すると同時に、窒化シリコンとシリコン基板の界面に酸素が導入されていることがわかる。即ち、膜中の酸素濃度は、窒化シリコンの表面及び窒化シリコンとシリコン基板の界面において極大となる。云い換えると、膜中の酸素濃度は、窒化シリコンの表面及び窒化シリコンとシリコン基板の界面の間の膜中間において最小となる。
【0042】
以上に述べた窒化シリコン膜の構造は、次に述べる発明の実施の形態2,3にも共通している。
【0043】
ここで、従来技術で作製したシリコン、酸素及び窒素を主構成元素とする絶縁膜の組成分布について言及しておく。まず、酸化シリコン膜に亜酸化窒素や一酸化窒素を用いて窒素を導入した場合は(前掲の第1の文献)、酸化シリコンとシリコン基板の界面に窒素が選択的に導入される、即ち窒素濃度は酸化シリコンとシリコン基板の界面において最大となる(極大ともなる)。次に、酸化シリコン膜に活性窒素を用いて窒素を導入した場合に(前掲の第2の文献)、酸化シリコンの表面に窒素が導入され、即ち窒素濃度は酸化シリコンの表面近傍において最大となる(極大ともなる)。従って、本発明の核となる酸素を含有する窒化シリコン膜とは組成分布が明らかに異なる。云い換えると、窒化シリコン膜を形成してからこれに酸素を導入した膜と、酸化シリコン膜を形成してからこれに窒素を導入した膜とでは、その組成の膜厚方向の分布が大きく異なる。そのため、本明細書では、酸素を含有する窒化シリコン膜と窒素を含有する酸化シリコン膜とは、明確に区別をすることとする。
【0044】
さて、以上により領域2にnチャネル型MOSトランジスタを作製したが、領域1にも同様のトランジスタ作製方法を適用して、同一シリコン基板上に2種類の異なるゲート絶縁膜を有するnチャネル型MOSトランジスタを作製した。
【0045】
電気的容量の測定から求めたゲート絶縁膜の酸化膜換算膜厚は、領域1は2.5nm、領域2は1.6nmであった。また領域2のMOSトランジスタのゲートリーク電流は膜厚1.6nmの酸化シリコン膜をゲート絶縁膜とするMOSトランジスタに比べて1/40に抑えられていた。領域2に作製された、ゲート長が1μmのnチャネル型MOSトランジスタにおいてゲート電圧とドレイン電圧がともに1Vのバイアス条件で測定したドレイン電流の値は、膜厚1.6nmの酸化シリコン膜をゲート絶縁膜とするMOSトランジスタに比べて97%と良好であった。
【0046】
また、上述したpチャネル型MOSトランジスタの作製方法を用いて、pチャネル型MOSトランジスタを作製して、硼素がドーピングされた多結晶からなるゲート電極からシリコン基板への硼素の拡散を調べた。領域2に作製された酸素を含有する窒化シリコン膜21は膜厚1.6nmの酸化シリコン膜に比べて、基板に漏れる硼素が1/100以下に抑えられていることがわかった。膜中に含まれる大量の窒素が、硼素の拡散を阻止している。
【0047】
こうして、酸化膜換算膜厚1.6nmでゲートリーク電流が酸化シリコン膜の1/40に抑えられていて、なおかつ電流駆動能力も良好で、硼素の拡散抑制力が非常に強い、酸素を含有する窒化シリコン膜21と、酸化膜換算膜厚2.5nmの窒素を含有する酸化シリコン膜22の二種類のゲート絶縁膜を、同一ウェハ上に、シリコン基板表面に損傷及び汚染を与えることなく形成することが可能となった。また、窒素を含有する酸化シリコン膜22の膜厚は、領域1に形成する酸化シリコン膜3の膜厚を変化させることによって制御可能である。
【0048】
ここで領域1に形成された窒素を含有する酸化シリコン膜22の組成について言及しておく。二次イオン質量分析によって窒素を含有する酸化シリコン膜22のシリコン、酸素、窒素の分析を行なったところ、図5のようになった。亜酸化窒素や一酸化窒素雰囲気中における熱処理によって、酸化シリコン膜に窒素を導入した場合と同じように、酸化シリコン膜とシリコン基板の界面に窒素が導入されていることがわかる。即ち窒素濃度は、酸化シリコン膜とシリコン基板の界面において最大となっている(極大ともなる)。
【0049】
また、以上に示した本発明の実施の形態は、複数種類の膜厚水準を有する酸化シリコン膜を同一シリコン基板上に形成する従来の方法と組み合わせることによって、同一基板上に3種類以上のゲート絶縁膜を形成するように拡張することが可能である。例えば、複数種類の膜厚水準を有する酸化シリコン膜を同一シリコン基板上に形成した後に、その一部を選択的に除去した後に、アンモニア雰囲気中の熱処理及び亜酸化窒素雰囲気中の熱処理を行なうことによって、酸素を含有する窒化シリコン膜と複数種類の窒素を含有する酸化シリコン膜を同一シリコン基板上に形成することができる。
<発明の実施の形態2>
酸素を含有する窒化シリコンによるゲート絶縁膜と窒素を実質的に含有しない酸化シリコンによるゲート絶縁膜とを持つ2膜厚水準の半導体装置の製造方法を図6を用いて説明する。
【0050】
シリコン基板1の表面に、周知の浅溝素子分離法を用いて素子分離溝2を形成した後、モノシランと亜酸化窒素をソースガスとする化学気相成長法により、膜厚10nmの酸化シリコン膜31を堆積する(図6a)。
【0051】
次に、レジスト4をウェハ全面に塗布し、通常のパターニングを行なって一部のレジストを除去する(図6b)。この時点で基板1は、レジスト4に覆われている部分を領域1、レジスト4に覆われていない部分を領域2とに分けられる。
【0052】
続いて、領域2の酸化シリコン膜31を弗酸水溶液で除去し、次いで硫酸と過酸化水素水を含有する水溶液によってレジスト4を溶解除去する(図6c)。この後、SC−1洗浄、SC−2洗浄を行ない、表面の汚染を除去する。更に、SC−1洗浄、弗酸水溶液による洗浄を行なって、領域2のシリコン基板表面を露出させる。この弗酸水溶液による洗浄によって領域1上の酸化シリコン膜31は10nmから5nmに減少する。
【0053】
次に、アンモニア雰囲気中700℃の熱処理によって領域2のシリコン基板表面に0.9nmの窒化シリコン膜を形成し、続いて窒素によって5%に希釈した亜酸化窒素雰囲気中900℃の熱処理によって上記窒化シリコン膜に酸素を導入して、酸素を含有する窒化シリコン膜32とする。この際に領域1上の酸化シリコン膜3の膜厚は5.8nmに増加すると同時に、窒素が導入されて、窒素を含有する酸化シリコン膜33となる(図6d)。
【0054】
続いて、領域1上の窒素を含有する酸化シリコン膜33を弗酸水溶液によって溶解除去する。上記窒素を含有する酸化シリコン膜33は、アンモニアガス雰囲気中及び亜酸化窒素雰囲気中における熱処理を加えられたとはいえ、元来が化学気相成長法によって形成された酸化シリコン膜であるので、通常の熱的な酸化処理によって形成されたいわゆるシリコンの熱酸化膜よりも、弗酸水溶液による溶解速度が速い。このため、熱酸化膜を4nm溶解するような溶解処理によって、上記窒素を含有する酸化シリコン膜33は完全に除去される。
【0055】
一方、領域2に形成された酸素を含有する窒化シリコン膜32は、上部に形成された酸化シリコンに近い組成の部分は弗酸水溶液によって速やかに溶解されるものの、その下部にある窒化シリコンに近い組成を有する部分は弗酸水溶液によるエッチングレートが遅く、上記熱酸化膜を4nm溶解するエッチングを施しても殆ど溶解しない。こうして上記フッ酸水溶液による溶解処理によって、領域1においてはシリコン基板が露出し、領域2においては酸素を含有する窒化シリコン膜32の上部の酸化シリコンに近い組成を有する部分のみが除去された状態となる(図6e)。
【0056】
続いて、乾燥酸素を含有する雰囲気中における熱処理、即ちドライ酸化によって領域1のシリコン基板上に酸化シリコン膜34を形成する。この際に領域2の酸素を含有する窒化シリコン膜32に更に酸素が導入され、上部に再び酸化シリコンに近い組成を有する部分が形成される(図6f)。
【0057】
化学気相成長法による酸化シリコン膜31の堆積の役割は、図6eに示したような、領域2のみに酸素を含有する窒化シリコンが存在する構造を実現する準備である。酸化シリコン膜31は、アンモニアガス雰囲気中及び亜酸化窒素雰囲気中における熱処理を加えた後に弗酸水溶液に速やかに溶解すればよいのであり、例えばテトラエトキシシラン等の有機材料を用いる化学気相成長法によって堆積した酸化シリコン膜でも良い。
【0058】
図6eに示したような構造を実現する手段としては、他に、領域1にも領域2と同様に酸素を含有する窒化シリコン膜を形成しておいて、レジストを用いたパターニングによって領域2を保護した状態で、領域1上の酸素を含有する窒化シリコン膜を除去する方法も考えられる。しかしながら、酸素を含有する窒化シリコン膜は弗酸水溶液に対する溶解速度が遅く、弗酸水溶液による溶解除去は困難である。180℃程度の高温に保持した燐酸水溶液に対しては速やかに溶解するものの、レジストによる保護が困難である。水溶液による溶解除去以外の手段としては、ドライエッチングやプラズマ処理を用いた方法も考えられるが、これらの方法は、領域1のシリコン基板中に損傷を与える。よって、本発明の実施の形態で述べたような、あらかじめ領域1に酸化シリコン膜31を化学気相成長法によって形成しておいて、これを溶解除去する方法が最適である。
【0059】
領域1に形成する酸化シリコン膜34の膜厚は、これを形成するためのドライ酸化条件によって制御することができる。ただし、この領域1に形成する酸化シリコン膜34の膜厚が厚くなるほど、即ちドライ酸化条件が高温或いは長時間になると、領域2の酸素を含有する窒化シリコン膜32への酸素の導入が進行し、膜厚が厚くなっていく。また、上記酸素を含有する窒化シリコン膜32の組成が酸化シリコンに近づいていき、酸化膜に比べてリーク電流が小さいという利点が失われていく。
【0060】
勿論、上記ドライ酸化条件を考慮して、その前の工程の亜酸化窒素雰囲気中での熱処理条件を短時間或いは低温にすることで、ある程度の調整はできる。しかしながら、発明者の検討結果では、領域1に形成する酸化シリコン膜34の膜厚が6nmを超えると、領域2に形成される酸素を含有する窒化シリコン膜の膜厚増加が著しく、実用的では無い。また、領域1上の酸化シリコン膜34の形成を、ドライ酸化以外の手法で行なうことももちろん可能であり、例えばウェット酸化を用いることもできるが、この場合には、ドライ酸化に比べて窒化シリコン膜への酸素導入がより急激で、領域2に形成する酸素を含有する窒化シリコン膜32の酸化膜換算膜厚がより厚くなってしまう。
【0061】
また、完成状態において、領域1に、実質的に窒素を含有しない酸化シリコン膜ではなく窒素を含有する酸化シリコン膜を形成することも勿論可能であり、領域1に酸化シリコン膜を形成した後に、例えば、一酸化窒素や亜酸化窒素を含有する雰囲気で熱処理を行なえば良い。ただ、この本発明の実施の形態が、先に示した発明の実施の形態1と比較して特徴的な点は、窒素を実質的に含有しない酸化シリコン膜を形成できることである。酸素が導入された窒化シリコン膜と窒素を含有する酸化シリコン膜を同一シリコン基板上に形成するためには、発明の実施の形態1に述べた手法の方が適しており、加えて領域1に形成する酸化シリコン膜厚を6nm以上にすることも可能である。
【0062】
以上の領域1及び2に異なるゲート絶縁膜を形成する手順と、発明の実施の形態1の中において述べたのと同様のnチャネル型MOSトランジスタの作製方法を組み合わせて、同一シリコン基板上に2種類の異なるゲート絶縁膜を有するnチャネル型MOSトランジスタを作製した。
【0063】
領域1上の酸化シリコン膜の形成をドライ酸化によって行ない、膜厚を2.5nmとした。電気的容量の測定から求めたゲート絶縁膜の酸化膜換算膜厚は、領域1は2.5nm、領域2は1.6nmであった。また領域2のMOSトランジスタのゲートリーク電流は膜厚1.5nmの酸化シリコン膜をゲート絶縁膜とするMOSトランジスタに比べて1/10に抑えられていた。
【0064】
領域1に作製したゲート長が1μmであるようなMOSトランジスタについて、ドレイン電圧が50mVのバイアス条件で、相互コンダクタンスを測定すると、発明の実施の形態1において領域1に作製したMOSトランジスタよりも、相互コンダクタンスの最大値が12%大きくなった。どちらのゲート絶縁膜の酸化膜換算膜厚も2.5nmであることを勘案すると、発明の実施の形態2で領域1に作製した窒素を含まない酸化シリコン膜の方が、発明の実施の形態1において領域1に作製した窒素を含有する酸化シリコン膜よりも、チャネル中の電子の移動度の最大値が大きくなっていると考えられる。これは、例えばアナログ素子に望ましい特性である。
【0065】
こうして、酸化膜換算膜厚1.6nmでゲートリーク電流が酸化シリコン膜の1/10に抑えられていて、なおかつ電流駆動能力も良好で、硼素の拡散抑制力が非常に強い、酸素を含有する窒化シリコン膜32と、膜厚2.5nmの窒素を実質的に含有しない酸化シリコン膜22の二種類のゲート絶縁膜を、同一ウェハ上に、シリコン基板表面に損傷及び汚染を与えることなく形成することが可能となった。
<発明の実施の形態3>
酸素を含有する窒化シリコンによるゲート絶縁膜と窒素を実質的に含有しない酸化シリコンによるゲート絶縁膜と窒素を含有する酸化シリコンによるゲート絶縁膜とを持つ3膜厚水準の半導体装置の製造方法を図7を用いて説明する。
【0066】
シリコン基板1の表面に、周知の浅溝素子分離法を用いて素子分離溝2を形成した後、850℃においてウェット酸化することによって、膜厚10nmの酸化シリコン膜41をシリコン基板1上に形成する。
【0067】
次に、レジスト4をウェハ全面に塗布し、通常のパターニングを行なって一部のレジストを除去する(図7a)。この時点で基板1にレジスト4に覆われている部分に領域1が形成される。
【0068】
領域1以外の酸化シリコン膜41を弗酸水溶液で除去し、続いて硫酸と過酸化水素水を含有する水溶液によってレジスト4を溶解除去する(図7b)。この後、SC−1洗浄、SC−2洗浄を行ない、表面の汚染を除去する。更に、SC−1洗浄、希弗酸洗浄を行なってから、モノシランと亜酸化窒素をソースガスとする化学気相成長法によって膜厚5nmの酸化シリコン膜42を堆積する。
【0069】
続いて、レジスト43を全面に塗布し、通常のパターニングを行なって、領域1以外の領域のうち一部分のみにレジスト43を残す(図7c)。このレジスト43を残した領域が領域2となり、領域1,2以外の残りの領域が領域3となる。
【0070】
領域1及び3の酸化シリコン膜42を弗酸水溶液によって溶解除去し、続いて硫酸と過酸化水素水を含有する水溶液によってレジスト43を溶解除去する(図7d)。この洗浄によって、領域1上の酸化シリコン膜41は削れ、膜厚が9nmとなる。この後、SC−1洗浄、SC−2洗浄を行ない、表面の汚染を除去する。
【0071】
更に、SC−1洗浄、希弗酸洗浄を行なってから、アンモニアガス雰囲気中700℃の熱処理によって領域3に0.9nmの窒化シリコン膜を形成し、続いて窒素によって5%に希釈した亜酸化窒素雰囲気中900℃の熱処理によって上記窒化シリコン膜に酸素を導入することにより、領域3上に酸素を含有する窒化シリコン膜44を形成する(図7e)。この際に領域1上の酸化シリコン膜41には窒素が導入される。また、領域2上の酸化シリコン膜42にも窒素が導入される。
【0072】
続いて、弗酸水溶液によって領域2上の酸化シリコン膜42を溶解除去する。この領域2上の酸化シリコン膜42は、元来が化学気相成長法によって形成された膜なので、弗酸水溶液に対する溶解速度が、熱酸化膜よりも速い。従って、上記領域2上の酸化シリコン膜42の溶解除去の間に、領域1上の酸化シリコン膜41は約3nm膜厚が減少する程度しか溶解せず、膜厚は6nmとなる。また、領域3の酸素が導入された窒化シリコン膜44については、その上部に形成した酸化シリコンに近い組成の部分が溶解するのみで、その下部に存在する窒化シリコンに近い組成の部分は殆ど溶解しない(図7f)。
【0073】
次に、800℃におけるドライ酸化によって、領域2の露出したシリコン基板上に2.5nmの酸化シリコン膜45を形成する。このドライ酸化工程において、領域1上の酸化シリコン膜41は膜厚が6nmから7nmに増加する。同時に、領域3上の酸素を含有する窒化シリコン膜44に更に酸素が導入され、上部には酸化シリコンに近い組成を有する部分が再び形成する(図7g)。
【0074】
こうして、領域1上には膜厚が7nmであり窒素を含有する酸化シリコン膜41、領域2には窒素を実質的に含有しない膜厚2.5nmの酸化シリコン膜45、領域3には酸素を含有する窒化シリコン膜44が形成され、同一シリコン基板上に3種類のゲート絶縁膜を形成することが可能となった。
【0075】
以上に述べたような、同一シリコン基板上に3種類のゲート絶縁膜を形成する手順と発明の実施の形態1に述べたMOSトランジスタの形成方法を組み合わせて、同一シリコン基板上に3種類の異なるゲート絶縁膜を有するnチャネル型MOSトランジスタを作製した。
【0076】
電気的容量の測定から求めたゲート絶縁膜の酸化膜換算膜厚は、領域1が6.9nm、領域2は2.5nm、領域3は1.6nmであった。各領域に形成されたトランジスタは、それぞれ、電源電圧3.3Vの入出力部分の素子、アナログ回路部分の素子、0.8〜1.4Vにおいて動作する高速論理回路部分の素子を対象としている。
【0077】
領域2のゲート絶縁膜45の特性は、当然ながら、通常の膜厚2.5nmの熱酸化膜と同等であった。また、領域3に形成した酸素を含有する窒化シリコン膜44の特性は、発明の実施の形態3において領域2に形成した酸素を含有する窒化シリコン膜と同等であった。即ち、膜厚1.6nmの従来の熱酸化膜に比べて、リーク電流が約1/10に抑制されていた。
【0078】
ところで、領域1に形成した窒素を含有する酸化シリコン膜41については、その形成過程において、一度膜厚10nmの酸化シリコン膜が形成された後に弗酸水溶液による溶解処理を経てその膜厚が6nmに減じられ、再びドライ酸化を行なって、膜厚7nmの酸化シリコン膜が形成されている。このような絶縁膜形成中の溶解処理は、膜の絶縁破壊寿命に影響する場合があるが、一般には溶解処理後の再度のドライ酸化処理により、絶縁破壊寿命が回復する。
【0079】
そこで、領域1上の酸化シリコン膜41の絶縁破壊寿命を評価するために、領域1に作製したゲート長15μm、ゲート幅15μmのnチャネル型MOSトランジスタの絶縁破壊寿命を測定した。3.3Vにおける使用を想定した寿命予測の結果は10000年以上であり、全く問題がないことが判明した。
【0080】
こうして、酸化膜換算膜厚1.6nmでゲートリーク電流が酸化シリコン膜の1/10に抑えられていて、なおかつ電流駆動能力も良好で、硼素の拡散抑制力が非常に強い、酸素を含有する窒化シリコン膜44と、酸化膜換算膜厚6.9nmの窒素を含有する酸化シリコン膜41と膜厚2.5nmの窒素を実質的に含有しない酸化シリコン膜22との三種類のゲート絶縁膜を、同一ウェハ上に、シリコン基板表面に損傷及び汚染を与えることなく形成することが可能となった。
【0081】
【発明の効果】
発明によれば、酸化膜換算膜厚で2nm以下で、ゲートリーク電流が従来の酸化シリコン膜よりも小さく、硼素の拡散の抑制効果が高い特性を示す、酸素を含有する窒化シリコン膜と、所望の膜厚の酸化シリコン膜とをそれぞれゲート絶縁膜とするMOSデバイスを同一シリコン基板上に作製することができる。特に酸化シリコン膜については、6nm以下の膜厚ならば、窒素を実質的に含有しない膜とすることが可能である。以上のゲート絶縁膜を用いることにより、高速MOSデバイス、高耐圧MOSデバイス、アナログ回路のMOSデバイス等の複数の種類のMOSデバイスを、それぞれ高い性能を実現させながら同一チップに混在させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る半導体装置の製造方法の第1の発明の実施の形態を説明するための断面図。
【図2】予め形成する酸化シリコン膜に窒素を含有させた場合の仕上がり膜厚を示す曲線図。
【図3】第1の発明の実施の形態において作製した半導体装置を説明するための断面図。
【図4】第1の発明の実施の形態において作製した酸素を含有する窒化シリコン膜の組成の深さ方向の分布を示す図。
【図5】第1の発明の実施の形態において作製した窒素を含有する酸化シリコン膜の組成の深さ方向の分布を示す図。
【図6】第2の発明の実施の形態を説明するための断面図。
【図7】第3の発明の実施の形態を説明するための断面図。
【図8】半導体装置の従来の製造方法を説明するためのに断面図。
【図9】半導体装置の別の従来の製造方法を説明するためのに断面図。
【符号の説明】
1…シリコン基板、2…素子分離溝、3…酸化シリコン膜、4,43…レジスト、14…ゲート電極、15…拡散層、16…サイドウォール、17…層間絶縁膜、18…配線、21,32,44…酸素を含有する窒化シリコン膜、22,33…窒素を含有する酸化シリコン膜、31,34,41,42,45…酸化シリコン膜。
Claims (4)
- シリコン半導体基板の表面に素子分離のためのフィールド絶縁層を選択的に形成することによって互いに分離された第1半導体領域及び第2半導体領域を形成する工程と、該第1半導体領域及び該第2半導体領域の表面に酸化シリコン膜を形成する工程と、該第2半導体領域の表面を露出させるために該第2半導体領域の表面に形成した酸化シリコン膜を除去する工程と、該第1半導体領域の酸化シリコン膜と露出した該第2半導体領域の表面を窒化することによって該第1半導体領域に窒素を含有する酸化シリコン膜を形成し、かつ、該第2半導体領域に窒化シリコン膜を形成する工程と、亜酸化窒素を含有する雰囲気中における熱処理により、該窒化シリコン膜に酸素を導入して酸素を含有する窒化シリコン膜形成するとともに、該窒素を含有する酸化シリコン膜に更に窒素を追加導入する工程と、該窒素を含有する酸化シリコン膜及び該酸素を含有する窒化シリコン膜をそれぞれゲート絶縁膜として用いて該第1半導体領域及び該第2半導体領域の各々にMOS(Metal Oxide Semiconductor)デバイスを形成する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
- 前記第1半導体領域に窒素を含有する酸化シリコン膜を形成し、かつ、前記第2半導体領域に窒化シリコン膜を形成する工程における窒化処理は、アンモニアを含有する雰囲気中での熱処理であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第1半導体領域に窒素を含有する酸化シリコン膜を形成し、かつ、前記第2半導体領域に窒化シリコン膜を形成する工程における窒化処理は、活性窒素を用いた処理であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第2半導体領域に形成した前記酸素を含有する窒化シリコン膜の酸素濃度が該窒化シリコン膜と該シリコン半導体基板との界面と該窒化シリコン膜の表面との間の膜中間において最小であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
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