半导体装置及其制造方法制造方法及图纸

一种半导体装置的制造方法，在划分为第一元件形成区域（５１）和第二元件形成区域（５２）的半导体衬底（１１）上形成由氧化膜构成的第一栅绝缘膜（１３Ａ）。接着，除去第一栅绝缘膜（１３Ａ）的包含在第二元件形成区域（５２）中的部分，通过对半导体衬底（１１），在氮氧化性气体介质中进行热处理，在第二元件形成区域（５２）上形成膜厚度比第一栅绝缘膜（１３Ａ）还小的由氮氧化膜构成的第二栅绝缘膜（１５Ｂ）。接着，把第一栅绝缘膜（１３Ａ）和第二栅绝缘膜（１５Ｂ）暴露在氮等离子体中，形成又导入了氮原子的第一栅绝缘膜（１３Ｃ）和第二栅绝缘膜（１５Ｃ）。防止掺杂剂原子从被薄膜化至有直接沟道电流流动程度的栅绝缘膜的栅电极向衬底扩散，并且能降低栅漏电流。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种，特别是涉及一种MIS晶体管中使用的栅绝缘膜的形成方法。高速驱动用晶体管的栅绝缘膜的膜厚度要求在1nm～3nm左右，并且，要求较高的耐绝缘破坏可靠性和低泄漏电流性。在CMOS晶体管中采用了使用在P沟道晶体管的栅电极中掺杂硼(B)的P导电型，并且使用在N沟道晶体管的栅电极中掺杂磷(P)的N导电型的所谓的双栅极结构。此时，因为P型掺杂剂即硼比N型掺杂剂即磷的扩散系数大，所以通过晶体管形成后的热处理，在高速驱动用晶体管的栅绝缘膜中扩散，到达沟道区域。这种硼的扩散现象被称作渗出，它导致晶体管的阈值电压的大幅度变动和驱动能力的恶化。这种硼的渗出随着栅绝缘膜的薄膜化的进展而变得更加显著，当在栅绝缘膜中使用二氧化硅时(SiO2)时，就变得特别显著。而且，栅绝缘膜的薄膜化也导致通过该栅绝缘膜的栅漏电流的增大。即使在此，如果用二氧化硅作为栅绝缘膜，则它的传导机构中，当膜厚度在3.5nm以上时，为Fowler-Nordheim型的沟道电流，当膜厚度在3.5nm以下时，直接沟道电流占支配地位。此时，栅绝缘膜的厚度每减少0.2nm，栅漏电流增加1位数。因此，如果把栅绝缘膜的厚度设置为2.6nm以下，就不能再忽略栅漏电流。如以上所述的那样，如果在栅绝缘膜中使用热氧化膜，就已经无法抑制硼的渗出和栅漏电流，在此，使用了在栅绝缘膜中导入了氮的氮氧化膜。下面，参照附图，就以往的使用氮氧化硅膜的MOS型的栅绝缘膜的形成方法加以说明。附图说明图12(a)～(c)表示了以往的栅绝缘膜的形成方法的步骤的剖面结构。首先，在由硅构成的半导体衬底101的上部形成划分了多个元件形成区域的元件分离区域102，然后，在半导体衬底101的整个表面上形成膜厚度为7.5nm的由热氧化膜构成的第一栅氧化膜103A。接着，在第一栅氧化膜103A之上形成了在第二区域202开口的抗蚀图104后，使用形成的抗蚀图104，通过蚀刻第一栅氧化膜103A在第二区域202中包含的部分，露出半导体衬底101的第二区域，得到图12(a)所示的状态。接着，如图12(b)所示，对半导体衬底101进行热处理，在第二区域202上形成膜厚度约为2.6nm的由热氧化膜构成的第二栅氧化膜105A。此时，第一栅氧化膜103A的膜厚度增大。接着，如图12(c)所示，通过对半导体衬底101，在由一氧化氮(NO)构成的氮氧化性气体介质中，在900℃的温度下，进行30秒～数足够钟的热处理，在第一栅氧化膜103A和第二栅氧化膜105A中导入氮，分别得到第一栅氮氧化膜103B和第二栅氮氧化膜105B。并且，在基于热处理的氮氧化处理中，在一氧化氮(NO)以外，使用了一氧化二氮(N2O)或罕见地使用氨(NH3)。当使用一氧化氮(NO)时，基于氮氧化处理的膜厚度的增加很小，在0.3nm以下，但是，当使用一氧化二氮时，有必要在约1000℃～1150℃的高温下进行数十秒～数足够钟的氮氧化处理。因此，基于一氧化二氮(N2O)的氮氧化处理中，膜厚度最大能增大数纳米，所以在工艺上的注意是必要的。图13(a)和图13(b)是通过由一氧化氮(NO)构成的氮氧化性气体介质形成的为氮氧化膜的栅氮氧化膜的氮浓度的分布图，图13(a)表示第一栅氮氧化膜103B，图13(b)表示第二栅氮氧化膜105B。如图13(b)所示，在膜厚度2.6nm的第二栅氮氧化膜105B中，氮原子的峰值位于第二栅氮氧化膜105B和半导体衬底101的界面附近，该峰值浓度也受氮氧化温度的影响，但最大为4atm％左右。并且，当使用一氧化二氮(N2O)来进行氮氧化处理时，氮的浓度分布图也与图13(b)同样，它的峰值浓度最多为1atm％。因为基于所述的以往的氮氧化处理法的第二栅氮氧化膜105B具有图13(b)所示的氮的浓度分布图和浓度峰值，所以在构成P沟道晶体管的p型栅电极中注入的硼离子虽然也受热处理温度的影响，但是，比较容易在第二栅氮氧化膜105B中扩散，到达半导体衬底101中的沟道区域。当然，与只由二氧化硅构成的栅氧化膜相比，抑制了硼的扩散，但是，当象第二栅氮氧化膜105B那样进行薄膜化时，在氮的峰值浓度在4atm％左右，并且在该峰值的位置位于与半导体衬底101的界面附近的氮浓度分布图中，存在无法实质性地防止硼的扩散的所谓第一问题。而且，象这样，浓度在4atm％左右，并且含有在衬底界面上局部存在的含氮的氮氧化膜作为膜全体的氮的含有量不足以使二氧化硅(SiO2)的介电常数和折射率变化，存在无法增大电气容量和降低栅漏电流的所谓第二问题。本专利技术者经过各种研究得出的结论是为了能抑制基于薄膜化的栅绝缘膜的硼的扩散导致的渗出并且降低栅漏电流，栅绝缘膜的氮浓度应足够高，并且绝缘膜中的氮分布要平缓(宽广)，而且，为了提高薄膜的膜厚度的控制性，最好使用低温工艺。另外，在使用了一氧化氮或一氧化二氮的氮氧化处理中，如果要提高氮浓度，就有必要提高氮氧化处理的热处理温度，从而不适合于膜厚度极小极薄的栅绝缘膜的形成。因此，为了通过防止栅绝缘膜的硼的渗出，并且提高氮的浓度，使介电常数和折射率增大，降低栅漏电流，有必要在被薄膜化的栅绝缘膜上使氮的分布广泛，并且形成氮的峰值浓度超过10atm％的浓度的氮氧化膜。具体地说，本专利技术的半导体装置具有形成在半导体衬底上的栅绝缘膜和在栅绝缘膜之上形成的栅电极，栅绝缘膜被导入了氮，该氮的浓度在栅绝缘膜的表面附近或膜厚度方向的中央附近具有第一峰值。根据本专利技术的半导体装置，因为栅绝缘膜被导入了氮，该氮的浓度在栅绝缘膜的表面附近或膜厚度方向的中央附近具有第一峰值，所以即使是薄膜化的栅绝缘膜，也能防止掺杂剂原子从栅电极向衬底扩散，并且能减少栅漏电流。因为增大了栅绝缘膜的介电常数，所以能提高耐绝缘破坏性。在本专利技术的半导体装置中，栅绝缘膜的氮的浓度最好在栅绝缘膜的与半导体衬底的界面附近具有第二峰值。由此，在栅绝缘膜的与半导体衬底的界面上，即告了栅绝缘膜耐应力性，并且降低了栅漏电流。在本专利技术的半导体装置中，栅绝缘膜的氮浓度的第一峰值最好约在10atm％以上，并且约在40atm％以下。在本专利技术的半导体装置中，栅绝缘膜的与半导体衬底的界面部分的氮的浓度在约0.2atm％以上，并且在约3atm％以下。本专利技术的第一半导体装置的制造方法包括在半导体衬底上形成栅绝缘用膜的过程(a)；通过把栅绝缘用膜暴露在氮等离子体中，在栅绝缘用膜中导入氮原子，从栅绝缘用膜形成栅绝缘膜的过程(b)。根据第一半导体装置的制造方法，因为通过把栅绝缘用膜暴露在氮等离子体中，在栅绝缘用膜中导入氮原子，从栅绝缘用膜形成栅绝缘膜，所示能使薄膜化的栅绝缘膜中氮的分布相对广阔，并且能形成氮的峰值浓度超过10atm％的浓度的氮氧化膜。结果，即使是薄膜化的栅绝缘膜，也能防止掺杂剂原子从栅电极向衬底扩散，并且能减少栅漏电流。因为增大了栅绝缘膜的介电常数，所以能提高耐绝缘破坏性。在第一半导体装置的制造方法中，在过程(a)中，最好通过对半导体衬底在氧化性气体介质中进行热处理，在半导体衬底上形成了由氧化膜构成的栅绝缘用膜。另外，在第一半导体装置的制造方法中，在过程(a)中，通过对半导体衬底在不含氢的氮氧化性气体介质中进行热处理，在半导体衬底上形成了由氮氧化膜构成的所述栅绝缘用膜。这样，在过程(a)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体装置，其特征在于：包括： 形成在半导体衬底上的栅绝缘膜； 形成在所述栅绝缘膜上的栅电极； 所述栅绝缘膜被导入了氮，该氮的浓度在所述栅绝缘膜的表面附近或膜厚度方向的中央附近具有第一峰值。

【技术特征摘要】
JP 2001-7-18 2001-2175711.一种半导体装置，其特征在于包括形成在半导体衬底上的栅绝缘膜；形成在所述栅绝缘膜上的栅电极；所述栅绝缘膜被导入了氮，该氮的浓度在所述栅绝缘膜的表面附近或膜厚度方向的中央附近具有第一峰值。2.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于所述栅绝缘膜的氮的浓度在所述栅绝缘膜的与所述半导体衬底的界面附近具有第二峰值。3.根据权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于所述栅绝缘膜的氮浓度的第一峰值在10atm％以上，并且在40atm％以下。4.根据权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于所述栅绝缘膜的与所述半导体衬底的界面部分的氮的浓度在0.2atm％以上，并且在3atm％以下。5.一种半导体装置的制造方法，其特征在于包括在半导体衬底上形成栅绝缘用膜的过程(a)；通过把所述栅绝缘用膜暴露在氮等离子体中，在所述栅绝缘用膜中导入氮原子，从所述栅绝缘用膜形成栅绝缘膜的过程(b)。6.根据权利要求5所述的半导体装置的制造方法，其特征在于在所述的过程(a)中，通过对所述半导体衬底在氧化性气体介质中进行热处理，在所述半导体衬底上形成由氧化膜构成的所述栅绝缘用膜。7.根据权利要求5所述的半导体装置的制造方法，其特征在于在所述的过程(a)中，通过对所述半导体衬底在不含氢的氮氧化性气体介质中进行热处理，在所述半导体衬底上形成由氮氧化膜构成的所述栅绝缘用膜。8.根据权利要求7所述的半导体装置的制造方法，其特征在于所述氮氧化性气体介质是含有一氧化氮和氧的气体介质，或由一氧化二氮构成的气体介质。9.根据权利要求6～8中的任意一项所述的半导体装置的制造方法，其特征在于在所述过程(a)之前，还具有在所述半导体衬底中注入使之产生加速氧化效果的杂质离子的过程。10.根据权利要求9所述的半导体装置的制造方法，其特征在于所述杂质离子是氟或硅，在所述半导体衬底的表面附近以1×1014cm-2以上，并且在5×1015cm-2以下的剂量，注入所述氟或硅。11.根据权利要求5所述的半导体装置的制造方法，其特征在于在所述过程(a)中，通过对所述半导体衬底在含有由一氧化二氮生成的氮等离子体和氧等离子体的氮氧化性气体介质中进行处理，在所述半导体衬底上形成由氮氧化膜构成的所述栅绝缘用膜。12.根据权利要求5～8、11中的任意一项所述的半导体装置的制造方法，其特征在于在所述过程(a)之前，还包括把所述半导体衬底划分为第一区域和第二区域的第一过程；在所述第一区域和所述第二区域上形成由热氧化膜构成的第一栅绝缘用膜的第二过程；除去所述第一栅绝缘用膜的包含在所述第二区域中的部分的第三过程；在所述过程(a)中，在所述半导体衬底的所述第二区域上，形成膜厚度比所述第一栅绝缘用膜还小的成为所述栅绝缘用膜的第二栅绝缘用膜；在所述过程(b)中，把所述第一栅绝缘用膜和所述第二栅绝缘用膜暴露在氮等离子体中，通过在所述第一栅绝缘用膜和所述第二栅绝缘用膜中导入氮原子，由所述第一栅绝缘用膜形成第一栅绝缘膜，并且，从所述第二栅绝缘用膜形成成为所述栅绝缘膜的第二栅绝缘膜。13.根据权利要求12所述的半导体装置的制造方法，其特征在于所述第一栅绝缘膜的膜厚度为3.5nm以上，并且在9nm以下，其氮的浓度在所述第...

【专利技术属性】
技术研发人员：米田健司，
申请(专利权)人：松下电器产业株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]