JP2003168741A - デュアルゲート酸化膜の形成方法及びそれを利用した半導体素子の製造方法 - Google Patents
デュアルゲート酸化膜の形成方法及びそれを利用した半導体素子の製造方法Info
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Abstract
こす、2回の熱工程やイオン注入を行わないデュアルゲ
ート酸化膜を形成する方法及びそれを利用した半導体素
子の製造方法を提供する。 【解決手段】 半導体基板21上にゲート酸化膜23を
形成するステップと、前記ゲート酸化膜の一部分をデカ
ップルプラズマ処理(decoupled plasm
a treatment)して前記ゲート酸化膜の一部
分の厚さを増加させるステップとを含む。
Description
方法に関し、特に、デュアルゲート絶縁膜を備えた半導
体素子の製造方法に関する。
熱(Thermal)または急速熱(Rapid Th
ermal)処理により成長されたSiO2膜を使用し
ている。近年、半導体素子のデザインルールの傾向は、
ゲート絶縁膜の厚さが、SiO 2膜の最大トンネリング
限界となる25〜30Å以下に減る傾向にあり、0.1
μm級素子におけるゲート絶縁膜には25〜30Å厚さ
が予想される。
などの問題のため、セルトランジスタのしきい電圧(t
hreshold voltage:Vt)が周辺回路
領域のしきい電圧より高いことが要求されることによっ
て、セルトランジスタに高いゲート電圧が加えられ、結
果的に周辺回路領域のトランジスタよりは電気的特性が
劣化する短所が現れる。セルトランジスタの特性を向上
させるためには、セルトランジスタのゲート絶縁膜の厚
さを増加させる必要があるが、このために提案されたも
のがCMOS工程によるデュアルゲート絶縁膜(Dua
l gate dielectric)の製造方法であ
る。
技術には、種々あるが、近年多く研究される方法は、一
定部分のみゲート絶縁膜を除去し、再び酸化させてデュ
アルゲート絶縁膜を形成させる第1の方法と、一定部分
のみ窒素のような元素をイオン注入(implant)
してゲート絶縁膜の成長を遅くしてデュアルゲート絶縁
膜を形成させる第2の方法がある。しかし、上述した従
来の技術の中、第1の方法は、デュアルゲート絶縁膜を
形成させるために、2回の高い熱工程を実施するため
に、半導体基板の表面が損傷を受ける問題点があり、第
2の方法も窒素のイオン注入により半導体基板が損傷を
受ける問題点がある。特に、半導体基板が損傷を受ける
場合、チャネル移動度(channel mobili
ty)などの劣化を招くこともあり得る。
記従来のデュアルゲート酸化膜の形成方法の問題点に鑑
みてなされたものであって、工程の複雑性及び半導体基
板の損傷を引き起こす、2回の熱工程やイオン注入を行
わないデュアルゲート酸化膜を形成する方法及びそれを
利用した半導体素子の製造方法を提供することにその目
的がある。また、本発明は、高電圧用ゲート絶縁膜の形
成方法を提供することにその目的がある。
になされた本発明によるデュアルゲート酸化膜の形成方
法は、半導体基板上にゲート酸化膜を形成するステップ
と、前記ゲート酸化膜の一部分をデカップルプラズマ処
理(decoupled plasma treatm
ent)して前記ゲート酸化膜の一部分の厚さを増加さ
せるステップとを含むことを特徴とする。
による半導体素子の製造方法は、セル領域と周辺回路領
域が定義された半導体基板上にゲート酸化膜を形成する
ステップと、前記ゲート酸化膜の前記セル領域内の部分
のみをデカップルプラズマ処理してその厚さを増加させ
るステップと、前記セル領域と前記周辺回路領域の前記
ゲート酸化膜上に、各々ゲート電極を形成するステップ
と、前記ゲート電極の下側の前記半導体基板にソース/
ドレイン領域を形成するステップとを含むことを特徴と
する。
0mTorr〜30mTorrの圧力下で前記半導体基
板を0℃〜500℃に保持させ、N2ガス雰囲気下で1
00W〜1000WのRFソースパワーを印加しながら
5秒〜300秒間実施することが好ましい。また、前記
デカップルプラズマ処理は、窒素(N)を含む気体、酸
素(O)を含む気体、及びハロゲン元素を含む気体を注
入しながら実施することが好ましい。また、前記デカッ
プルプラズマ処理するステップ後、100℃〜900℃
温度で1分〜30分間、後熱処理するステップをさらに
含むことが好ましい。
ート酸化膜の形成方法及びそれを利用した半導体素子の
製造方法の実施の形態の具体例を図面を参照しながら説
明する。図1及び図2は、本発明のデュアルゲート絶縁
膜の形成方法を簡略に説明するための工程断面図であ
る。
シリコン酸化膜12を形成した後、シリコン酸化膜12
の中、一部分のみを窒素雰囲気下でデカップルプラズマ
処理(Decoupled Plasma treat
ment in Nitrogen:DPN)する。こ
の場合、シリコン酸化膜12の一部分のみを露出させる
ために、シリコン酸化膜12上に感光膜によるマスクを
形成する。上記デカップルプラズマ処理は、10mTo
rr〜30mTorrの真空度を維持した状態において
半導体基板11は、0℃〜500℃を保持し、N2(1
0sccm〜500sccm)の雰囲気ガスを注入さ
せ、100W〜1000WのRFソースパワーを印加し
ながら5秒〜300秒間処理する。
スとしては、NH3、N2O、NOなどのNを含む気
体、Cl2、BCl3、CF4、CHF3、C2F6、
BF2、F2、NF3、SF6、HBr、Br2、I2
などのハロゲン元素を含む気体、O2、03、H2Oな
どのOを含まれた気体等があり、またはこれらの気体を
混合して注入することもある。ここで例えば、フッ素
(F)系列のガス雰囲気下でデカップルプラズマ処理を
行えば、フッ素によるゲート絶縁膜の完全性(Inte
grity)向上及びホットキャリア特性の向上の効果
も同時に得られる。上述したデカップルプラズマ処理
後、N2、Arまたは真空雰囲気下で100℃〜900
℃温度で1分〜30分間、後熱処理する。
がなされたシリコン酸化膜12の一部分は、その厚さが
最初シリコン酸化膜12よりdだけ増加する。ここで、
シリコン酸化膜12が厚くなる理由は、窒素雰囲気のデ
カップルプラズマ処理の際、窒素(N)は、シリコン酸
化膜12内に拡散して、O−Si−O結合を有するシリ
コン酸化膜12内の弱い結合(weakend bon
d)及びダングリングボンド(dangling bo
nd)と結合する。すなわち、窒素(N)が弱いSi−
O結合を切って、酸素と置換(displace)し、
したがって、結合が切断された自由な酸素(free−
oxygen)がシリコン基板11とシリコン酸化膜1
2の界面に拡散して、シリコン酸化膜の厚さが増加する
ような追加的な酸化が引き起こされる。
れても、充分なゲート絶縁膜の厚さを確保することがで
き、熱工程及びイオン注入を用いることなしにゲート絶
縁膜を形成できるので、半導体基板の表面の損傷を防止
することができる。
デュアルゲート酸化膜の形成方法を利用した半導体素子
の製造方法を説明するための工程断面図である。図3に
示すように、セル領域Iと周辺回路領域IIが定義され
た半導体基板21の所定部分に、素子の活性領域とフィ
ールド領域を限定するフィールド酸化膜22を形成す
る。このとき、フィールド酸化膜22は、半導体基板2
1を所定深さにエッチングしてトレンチを形成し、この
トレンチに酸化膜(絶縁膜)を埋め込むことにより形成
される。以上は、フィールド酸化膜22をSTI(Sh
allow Trench Isolation)方法
により形成することを述べたが、しかしながら、LOC
OS(Local Oxidation of Sil
icon)方法によっても形成できる。
ト絶縁膜として薄い第1シリコン酸化膜(SiO2)2
3を成長させる。このとき、ゲート絶縁膜には、第1シ
リコン酸化膜23の代わりに、シリコン酸化窒化膜(S
iON)、高誘電金属酸化膜(Al2O3、Ta
2O5、HfO2、ZrO2)、高誘電金属酸化膜のシ
リケート(Hf−silicate、Zr−silic
ate)及び高誘電金属酸化膜の混合膜、高誘電金属酸
化膜のナノラミネート(Nano−laminate)
構造を有する高誘電膜の中から選択される少なくとも一
つ、またはこれらの積層膜を利用することができ、この
ようなゲート絶縁膜は、5Å〜100Åの厚さに形成さ
れる。
膜23を含む半導体基板21上に感光膜を塗布し、露光
及び現像によりパターンニングしてセル領域Iを露出さ
せる第1感光膜パターン24を形成する。次いで、第1
感光膜パターン24をマスクにして露出されたセル領域
Iの第1シリコン酸化膜23を窒素雰囲気下でデカップ
ルプラズマ(DPN)処理する。セル領域Iの第1シリ
コン酸化膜23のデカップルプラズマ処理方法は、10
mTorr〜30mTorrの真空度を維持した状態で
半導体基板21を、0℃〜500℃を保持し、N2(1
0sccm〜500sccm)の雰囲気ガスを注入さ
せ、100W〜1000WのRFソースパワーを印加し
ながら5秒〜300秒間処理する。
スとしては、NH3、N2O、NOなどのNを含む気
体、Cl2、BCl3、CF4、CHF3、C2F6、
BF2、F2、NF3、SF6、HBr、Br2、I2
などのCl、F、Br、Iなどのハロゲン元素を含む気
体、O2、O3、H2OなどのOが含まれた気体等があ
り、またはこれらの気体を混合して注入することもあ
る。ここで例えば、フッ素(F)系列のガス雰囲気下で
デカップルプラズマ処理を行えば、フッ素によるシリコ
ン酸化膜の完全性の向上及びホットキャリア特性の向上
の効果も同時に得られる。上述したデカップルプラズマ
処理後、N2、Arまたは真空雰囲気下で100℃〜9
00℃温度で1分〜30分間後熱処理する。
理が行なわれた後、セル領域Iの第1シリコン酸化膜2
3は、その厚さが増加する。以下、厚い第1シリコン酸
化膜を第2シリコン酸化膜25という。ここで、第1シ
リコン酸化膜23が厚くなる理由は、デカップルプラズ
マ処理時、雰囲気ガス、例えば、窒素は第1シリコン酸
化膜23内に拡散して、O−Si−O結合を有するシリ
コン酸化膜内の弱い結合及びダングリングボンドと結合
する。すなわち、窒素が弱いSi−O結合を切って、酸
素と置換(displace)し、したがって、結合が
切断された自由な酸素が半導体基板21と第1シリコン
酸化膜23の界面に拡散して、追加的な酸化を起こし
て、シリコン酸化膜の厚さが増加する。
た後、半導体基板21上の第1感光膜パターン24を除
去し、ゲート電極を形成するために、全面にドープされ
たポリシリコン26と低抵抗金属膜27をトータル厚さ
で50Å〜2000Åとなるように、順に積層させる。
このとき、低抵抗金属膜27には、窒化金属、窒化金属
/シリサイド(またはタングステン)の順に積層された
金属膜を用いる。そして、ドープされたポリシリコン2
6は、4.1eV〜4.2eVの仕事関数を有するn+
ポリシリコンを使用し、さらに、低抵抗金属膜27の中
の窒化金属は、TiN、TaN、WN、TiSiN、T
iAlN、TiBN、ZrSiN、ZrAlN、MoS
iN、MoAlN、RuTiN、RuTaN、IrTi
N、TaSiN、及びTaAlNからなるグループの中
から選択されるいずれか一つの窒化金属を用いる。ま
た、シリサイドは、WSi、CoSi、TiSi、Mo
Si、TaSi又はNbSiを利用する。
は、10Å〜2000Åであり、シリサイド(またはタ
ングステン)を積層した積層膜は、ゲート電極の抵抗を
下げるためのものであって、シリサイドまたはタングス
テンの厚さは、50Å〜2000Åである。次に、低抵
抗金属膜27上に感光膜を塗布し、露光及び現像により
パターンニングして第2感光膜パターン28を形成す
る。
ーン28をエッチングマスクにして低抵抗金属膜27と
ドープされたポリシリコン26をエッチングしてセル領
域I及び周辺回路領域IIに各々トランジスタのゲート
電極を形成する。次いで、第2感光膜パターン28を除
去した後、ソース/ドレインを形成するための不純物イ
オン注入及びスペーサ工程を経てLDD構造のソース/
ドレイン(図示せず)を形成する。図面に示さなかった
が、後続工程で、各々のトランジスタを絶縁させるため
の層間絶縁膜を形成し、ソース、ドレイン及びゲート電
極を外部端子と連結させるための金属化(Metall
ization)工程を実施する。
気でデカップルプラズマ処理してデュアルゲート絶縁膜
を形成する場合、セル領域Iのゲート絶縁膜の厚さを周
辺回路領域IIのゲート絶縁膜より2Åから10Å以上
厚く形成できる。したがって、セル領域Iのトランジス
タに高い電圧を印加しても充分なゲート絶縁膜の厚さを
確保することができ、また窒素雰囲気でデカップルプラ
ズマ処理されたセル領域Iのトランジスタは、周辺回路
領域IIのトランジスタに比べてしきい電圧(Vt)が
+0.4〜+0.5V程度高い値を示すために、セルへ
の僅かなイオン注入(Vt adjustment i
mplant)のみでもしきい電圧(Vt)を調節する
ことができる。
にデカップルプラズマ処理がなされたMOSキャパシタ
のC−V特性曲線であって、窒素雰囲気のデカップルプ
ラズマ(DPN)処理をした場合、デカップルプラズマ
処理を実施しない場合より、しきい電圧(Vt)が+
0.4〜+0.5V程度増加していることが分かる。こ
れにより、セル領域のトランジスタが高いしきい電圧を
有するべきことのために、しきい電圧を高めるために行
う過度なチャネルイオン注入を避けることができる効果
がある。
にデカップルプラズマ処理がなされたMOSキャパシタ
の電気的厚さの統計分布図であって、シリコン酸化膜に
窒素雰囲気下でデカップルプラズマ(DPN)処理をし
た場合、処理時間及びソースプラズマパワー(sour
ce plasma power)によってシリコン酸
化膜の電気的厚さが増加することが分かる。図8を参照
すれば、500W−18秒試片の場合、電気的厚さ(C
ET)が、デカップルプラズマ処理を実施しない場合に
比べて、2Å程度増加し、500W−35秒試片の場合
は、5Å程度増加し、そして700W−35秒試片の場
合は、10Å程度増加することが分かる。
on electron microscopy)で観
察した結果、実際にシリコン酸化膜の厚さの増加を確認
した(図9参照)。
膜にデカップルプラズマ処理がなされたMOSキャパシ
タのゲート漏れ電流特性曲線であって、電気的厚さが増
加しても、デカップルプラズマ処理を実施した場合と、
しない場合とで、漏れ電流の劣化がないことが分かる。
ュアルゲート絶縁膜を適用するCMOS素子のみでな
く、デュアルダマシーン(Dual damascen
e)構造のCMOS素子にも適用可能であり、種々のゲ
ート絶縁膜(窒化ゲート絶縁膜及び高誘電金属酸化膜
等)に適用することができる。また、デュアルゲート絶
縁膜のみでなく、トリプル(triple)ゲート絶縁
膜を備える半導体素子にも適用可能である。尚、本発明
は、上述の実施例に限られるものではない。本発明の技
術的範囲から逸脱しない範囲内で多様に変更実施するこ
とが可能である。
ュアルゲート酸化膜の形成方法及びそれを利用した半導
体素子の製造方法は、デカップルプラズマ処理によりデ
ュアルゲート絶縁膜を形成するので、追加熱工程が不要
であり、イオン注入方式が発生させるシリコン基板の損
傷も発生しないので、半導体素子のチャネル特性を確保
することができる効果がある。
セル領域のしきい電圧を高めるので、過度なしきい電圧
調節のためのイオン注入を省略することができるため、
半導体素子の電気的特性を増大させることができる効果
がある。
略に説明するための工程断面図である。
略に説明するための工程断面図である。
の形成方法を利用した半導体素子の製造方法を説明する
ための工程断面図である。
の形成方法を利用した半導体素子の製造方法を説明する
ための工程断面図である。
の形成方法を利用した半導体素子の製造方法を説明する
ための工程断面図である。
の形成方法を利用した半導体素子の製造方法を説明する
ための工程断面図である。
カップルプラズマ処理がなされたMOSキャパシタのC
−V特性曲線である。
カップルプラズマ処理がなされたMOSキャパシタの電
気的厚さの統計分布図である。
たゲート酸化膜のTEM断面図である。
デカップルプラズマ処理がなされたMOSキャパシタの
ゲート漏れ電流特性の曲線である。
Claims (17)
- 【請求項1】 半導体基板上にゲート酸化膜を形成する
ステップと、 前記ゲート酸化膜の一部分をデカップルプラズマ処理
(decoupledplasma treatmen
t)して前記ゲート酸化膜の一部分の厚さを増加させる
ステップとを含むことを特徴とするデュアルゲート酸化
膜の形成方法。 - 【請求項2】 前記デカップルプラズマ処理は、前記半
導体基板を0℃〜500℃に保持した状態で実施するこ
とを特徴とする請求項1に記載のデュアルゲート酸化膜
の形成方法。 - 【請求項3】 前記デカップルプラズマ処理は、10m
Torr〜30mTorrの圧力下で実施することを特
徴とする請求項1に記載のデュアルゲート酸化膜の形成
方法。 - 【請求項4】 前記デカップルプラズマ処理は、10s
ccm(standard cc/min)〜500s
ccmのN2を注入して実施することを特徴とする請求
項1に記載のデュアルゲート酸化膜の形成方法。 - 【請求項5】 前記デカップルプラズマ処理は、100
W〜1000WのRFソースパワーを印加して5秒〜3
00秒間実施することを特徴とする請求項1に記載のデ
ュアルゲート酸化膜の形成方法。 - 【請求項6】 前記デカップルプラズマ処理は、窒素
(N)を含む気体、酸素(O)を含む気体、及びハロゲ
ン元素を含む気体を注入しながら実施することを特徴と
する請求項1に記載のデュアルゲート酸化膜の形成方
法。 - 【請求項7】 前記窒素を含む気体は、NH3、N2O
及びNOから成るグループから選択されたいずれか一つ
であることを特徴とする請求項6に記載のデュアルゲー
ト酸化膜の形成方法。 - 【請求項8】 前記酸素を含む気体は、O2、O3及び
H2Oから成るグループから選択されたいずれか一つで
あることを特徴とする請求項6に記載のデュアルゲート
酸化膜の形成方法。 - 【請求項9】 前記ハロゲン元素を含む気体は、C
l2、BCl3、CF4、CHF3、C2F6、B
F2、F2、NF3、SF6、HBr、Br2及びI 2
から成るグループから選択されたいずれか一つであるこ
とを特徴とする請求項6に記載のデュアルゲート酸化膜
の形成方法。 - 【請求項10】 前記デカップルプラズマ処理するステ
ップ後、100℃〜900℃温度で1分〜30分間、後
熱処理するステップをさらに含むことを特徴とする請求
項1に記載のデュアルゲート酸化膜の形成方法。 - 【請求項11】 前記デカップルプラズマ処理前に、前
記ゲート酸化膜を5Å〜100Åの厚さにまで積み重ね
ることを特徴とする請求項1に記載のデュアルゲート酸
化膜の形成方法。 - 【請求項12】 前記ゲート酸化膜は、シリコン酸化
膜、Al2O3、Ta 2O5、HfO2、ZrO2、T
iO2、Hfシリケート、Zrシリケート及び金属酸化
膜からなるグループの中から選択されたいずれか一つで
あることを特徴とする請求項1に記載のデュアルゲート
酸化膜の形成方法。 - 【請求項13】 セル領域と周辺回路領域が定義された
半導体基板上にゲート酸化膜を形成するステップと、 前記ゲート酸化膜の前記セル領域内の部分のみをデカッ
プルプラズマ処理してその厚さを増加させるステップ
と、 前記セル領域と前記周辺回路領域の前記ゲート酸化膜上
に、各々ゲート電極を形成するステップと、 前記ゲート電極の下側の前記半導体基板にソース/ドレ
イン領域を形成するステップとを含むことを特徴とする
半導体素子の製造方法。 - 【請求項14】 前記デカップルプラズマ処理するステ
ップは、 前記ゲート酸化膜上に感光膜を塗布するステップと、 前記感光膜を選択的にパターンニングして前記セル領域
の前記ゲート酸化膜を露出させるマスクパターンを形成
するステップと、 前記マスクパターンを酸化防止マスクにして前記セル領
域のゲート酸化膜をデカップルプラズマ処理するステッ
プとを含むことを特徴とする請求項13に記載の半導体
素子の製造方法。 - 【請求項15】 前記デカップルプラズマ処理は、10
mTorr〜30mTorrの圧力下で前記半導体基板
を0℃〜500℃に保持させ、N2ガス雰囲気下で10
0W〜1000WのRFソースパワーを印加しながら5
秒〜300秒間実施することを特徴とする請求項14に
記載の半導体素子の製造方法。 - 【請求項16】 前記デカップルプラズマ処理は、窒素
(N)を含む気体、酸素(O)を含む気体、及びハロゲ
ン元素を含む気体を注入しながら実施することを特徴と
する請求項13に記載の半導体素子の製造方法。 - 【請求項17】 前記デカップルプラズマ処理するステ
ップ後、100℃〜900℃温度で1分〜30分間、後
熱処理するステップをさらに含むことを特徴とする請求
項13に記載の半導体素子の製造方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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