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JP2004048008A - Semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents

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JP2004048008A
JP2004048008A JP2003192375A JP2003192375A JP2004048008A JP 2004048008 A JP2004048008 A JP 2004048008A JP 2003192375 A JP2003192375 A JP 2003192375A JP 2003192375 A JP2003192375 A JP 2003192375A JP 2004048008 A JP2004048008 A JP 2004048008A
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device and its manufacturing method that can prevent diffusion of the impurities contained in the gate electrode and improve the reliability of the gate insulation film and the durability of the hot carriers. <P>SOLUTION: A gate oxide film 36 and a P<SP>+</SP>-gate electrode 35 are formed on a N-type silicon substrate 1. A source/drain region 6 is formed at both sides of the P<SP>+</SP>-gate electrode 35. Nitrogen is doped in the gate oxide film 36 and P<SP>+</SP>-gate electrode 35, and a nitrogen doped region 30 is formed. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、特に、窒素注入技術により素子の特性を向上させることのできる半導体装置及びその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、MOSトランジスタの短チャネル効果を抑制するために、MOSトランジスタのソース/ドレイン接合面を浅く形成することが知られている。また、PチャネルMOSトランジスタ(以下、PMOSトランジスタと称す。)の短チャネル効果を抑制するためには、PMOSトランジスタの電極材料としてP型又はN型にドープされた電極を用いることが効果的であり、NチャネルMOSトランジスタ(以下、NMOSトランジスタと称す。)の短チャネル効果を抑制するためには、NMOSトランジスタの電極材料としてN型にドープされた電極を用いることが効果的である。更に、このことを利用して、NMOSトランジスタ及びPMOSトランジスタからなるCMOS(Complementary MOS)トランジスタにおいて、NチャネルMOSトランジスタ(以下、NMOSトランジスタと称す。)にはN型にドープされたゲート電極を用い、PMOSトランジスタにはP型にドープされたゲート電極を用いるデュアルゲートCMOSトランジスタが提案されている。
【0003】
次に、従来技術により、PMOSトランジスタのソース/ドレイン接合面を浅く形成する方法について図145 〜図147 を用いて説明する。図145 〜図147 は従来のPMOSトランジスタを示す図である。図145 〜図147 において、1はN型シリコン基板、2はN型シリコン基板1上に形成されたゲート酸化膜、3はゲート酸化膜2上に形成されたゲート電極、4はゲート電極3上に形成された酸化膜、5はゲート電極3の側壁に形成されたサイドウォール酸化膜、6はN型シリコン基板1上にチャネル領域10を挟んで形成されるP型のソース/ドレイン領域、7はN型シリコン基板1上に形成された素子分離酸化膜である。従来、ソース/ドレイン領域6の接合面を浅く形成するために、図145 に示すようにホウ素イオン(B )よりも質量数の大きいフッ化ホウ素イオン(BF  )をソース/ドレイン領域6に注入していた。あるいは、ホウ素イオンのチャネリング現象を防止するために、図146(a)に示すようにシリコンイオン(Si )あるいはゲルマニウムイオン(Ge )をソース/ドレイン領域6に注入し、N型シリコン基板1をアモルファス化した後、図146(b)に示すようにホウ素イオン(B )をソース/ドレイン領域6に注入していた。
【0004】
また、ソース/ドレイン接合面を浅く形成した場合には、ソース/ドレイン領域のシート抵抗が増大するという問題が発生するため、図147 に示すように、ソース/ドレイン領域に導伝性の高いチタンシリサイド8を設けることが提案されている。
【0005】
図148 は、従来のデュアルゲートCMOSトランジスタの一例を示す図である。図148 において、11はP型シリコン基板、12はP型シリコン基板11上に形成された素子分離酸化膜、13はP型シリコン基板11内に形成されたNウェル、14はP型シリコン基板11内に形成されたPウェル、15はP型シリコン基板11上に形成されたゲート酸化膜、16はゲート酸化膜15上に形成されたポリシリコン膜であり、P型にドープされている。17はゲート酸化膜15上に形成されたポリシリコン膜であり、N型にドープされている。18はポリシリコン膜16及びポリシリコン膜17上に設けられたタングステンシリサイド膜である。ポリシリコン膜16上にタングステンシリサイド膜18を設けることにより、PMOSトランジスタのポリサイドゲート構造のゲート電極が構成される。また、ポリシリコン膜17上にタングステンシリサイド膜18を設けることにより、NMOSトランジスタのポリサイドゲート構造のゲート電極が構成される。19はPMOSトランジスタ及びNMOSトランジスタのゲート電極上に設けられた酸化膜、20はPMOSトランジスタ及びNMOSトランジスタのゲート電極の側壁に設けられたサイドウォール酸化膜、21はP型にドープされたPMOSトランジスタのソース/ドレイン領域であり、Nウェル13内にゲート電極を挟んで形成されている。22はN型にドープされたNMOSトランジスタのソース/ドレイン領域であり、Pウェル14内にゲート電極を挟んで形成されている。
【0006】
次に図148 に示すデュアルゲートCMOSトランジスタの製造方法について説明する。始めに、P型シリコン基板11の主表面に素子分離酸化膜12を形成し、PMOSトランジスタの形成領域となるNウェル13とNMOSトランジスタの形成領域となるPウェル14を形成する(図149 )。次に、酸化膜15a を形成し、ポリシリコン膜9をCVD法により堆積した後、スパッタリング法によりタングステンシリサイド膜18a を堆積する(図150 )。次に、PMOSトランジスタの形成領域をレジスト25で覆い、NMOSトランジスタの形成領域のポリシリコン膜9にヒ素イオン(As )を注入する(図151 )。次に図152 に示すように、レジスト25を除去した後、NMOSトランジスタの形成領域をレジスト26で覆い、PMOSトランジスタの形成領域のポリシリコン膜9にフッ化ホウ素イオンを注入する(図152 )。次にレジスト26を除去した後、CVD法により酸化膜を堆積し(図示せず)、フォトリソグラフィーと異方性エッチングを用いて酸化膜、タングステンシリサイド膜18a 及びポリシリコン膜9をゲート電極の形状にパターニングし、それぞれ酸化膜19、タングステンシリサイド膜18及びポリシリコン膜16a 、17a を形成する(図153 )。次にCVD法により酸化膜を堆積し(図示せず)、エッチバックすることによりゲート電極の側壁にサイドウォール酸化膜20を形成する(図154 )。次に、PMOSトランジスタの形成領域をレジスト27で覆い、NMOSトランジスタの形成領域にヒ素イオンを注入する(図155 )。次に、レジスト27を除去した後、NMOSトランジスタの形成領域をレジスト28で覆い、PMOSトランジスタの形成領域にフッ化ホウ素イオンを注入する(図156)。次に、レジスト28を除去した後、熱処理を行うことにより注入されたイオンを活性化させ、N型にドープされたポリシリコン膜16、P型にドープされたポリシリコン膜17、N 型のソース/ドレイン領域22及びP 型のソース/ドレイン領域21を形成し、ポリサイドゲート構造のデュアルゲートCMOSトランジスタを完成させる(図157 )。
【0007】
図158 は、従来のデュアルゲートCMOSトランジスタの他の一例を示す図である。図158 において、11〜17、20〜22は図148 に示す従来例と同一あるいは相当するものである。23はソース/ドレイン領域21、22及びポリシリコン膜16、17上に自己整合的に形成されたチタンシリサイド膜である。このように、ゲート電極となるポリシリコン膜及びソース/ドレイン領域の表面を自己整合的にシリサイド化して得られる構造はサリサイド(SALICIDE:Self Aligned Silicide)構造と呼ばれており、ソース/ドレイン接合面を浅く形成したときに問題となるソース/ドレイン領域のシート抵抗を抑制するのに効果的である。特に、チタンシリサイドは金属シリサイド中でも低い比抵抗を有し、密着性も良好なことから、半導体デバイスの高耐熱配線として有望な材料である。
【0008】
次に、図158 に示すデュアルゲートCMOSトランジスタの製造方法について説明する。始めに、P型シリコン基板11の主表面に素子分離酸化膜12を形成し、PMOSトランジスタの形成領域となるNウェル13とNMOSトランジスタの形成領域となるPウェル14を形成する(図159 )。次にNウェル13及びPウェル14上に順次酸化膜15a 及びポリシリコン膜を堆積させた後(図示せず)、図160 に示すように、フォトリソグラフィーと異方性エッチングを用いてポリシリコン膜をゲート電極の形状にパターニングし、ポリシリコン膜8を形成する。次に図161 に示すように、ポリシリコン膜8の側壁にサイドウォール酸化膜20を形成した後、PMOSトランジスタの形成領域をレジスト25で覆い、NMOSトランジスタのソース/ドレイン領域及びポリシリコン膜8にヒ素イオンを注入する(図161 )。次に図162 に示すように、レジスト25を除去した後、NMOSトランジスタの形成領域をレジスト26で覆い、PMOSトランジスタのソース/ドレイン領域及びポリシリコン膜8にフッ化ホウ素イオンを注入する(図162 )。次に、レジスト26を除去した後、全面にチタンをスパッタし、熱処理を加えることにより、シリコンとチタンを反応させ、ソース/ドレイン領域21、22及びポリシリコン膜16、17上にチタンシリサイド膜23を形成する(図163 )。
【0009】
上述のように、デュアルゲートCMOSトランジスタにおいては、材質の異なる2つのゲート電極、即ち、P型にドープされたポリシリコン膜16とN型にドープされたポリシリコン膜17とを接続するために、ゲート電極をポリシリコン膜とタングステンシリサイド膜とのポリサイドゲート構造にしたり、ゲート電極をシリサイド化したりする方法が採用されている。特に、デュアルゲートCMOSトランジスタにサリサイド構造を取り入れると、短チャネル効果を抑制するためにソース/ドレイン接合面を浅く形成したときに問題となるソース/ドレイン領域におけるシート抵抗の増大をも緩和することができる。
【0010】
また、半導体装置の1つとして、ポリシリコンを用いた薄膜トランジスタ(以下、TFTと称す。)があり、これは高集積SRAMの負荷トランジスタや液晶ディスプレイ用駆動トランジスタとして重要なデバイスである。しかし、TFTの応用素子の更なる高集積化、高性能化の要求からTFT自体の微細化、電気的特性の向上、また、信頼性の向上が要求されている。
【0011】
TFTの微細化にとって重要な課題は、ソース/ドレイン領域を形成する不純物イオンがチャネル領域に拡散することに起因するショートチャネル効果を抑制することと、ホットキャリア耐性の向上である。
【0012】
次に、従来のTFTの構造について説明する。ここでは便宜上、PチャネルMOS−TFT(以後、PMOS−TFTと称す。)を例にとって説明する。図164 は従来のPMOS−TFTを示す断面構造図である。図において、101 は半導体基板、102 は上記半導体基板上に形成された絶縁膜、103 は上記絶縁膜上に形成され、P型にドープされたゲート電極、104 は上記ゲート電極上に形成されたゲート絶縁膜、105 は上記ゲート絶縁膜上に形成されたポリシリコン層、105aはポリシリコン層105 中に形成されるチャネル領域、105bはポリシリコン層105 中に形成されるP型のソース領域、105cはポリシリコン層中に形成されるP型のドレイン領域である。また、図165 は図164 に示すTFTのゲート電極103 より上部を上方斜めより見た鳥瞰図である。
【0013】
次に図164 に示すTFTの製造方法について説明する。まず、半導体基板101上に高温酸化膜をCVD法等で堆積させ、絶縁膜102 を形成する。次に、絶縁膜102 上にノンドープポリシリコン層103aをCVD法等で堆積させ、例えばホウ素(B) イオン等、P型を形成するイオンを注入することによりP型にドープされたポリシリコン層103aを形成する(図166 )。次に、ゲート電極の形状にレジスト107 をパターニングし、ポリシリコン層103aを異方性エッチングすることによりゲート電極103bを形成する(図167 )。次に、レジスト107 を除去した後、ゲート酸化によりゲート絶縁膜104 を形成し、ゲート絶縁膜104 上にノンドープポリシリコン層をCVD法等により堆積させ、その後、閾値電圧を抑制するためのヒ素(As)をイオン注入する(図示せず)。次に、レジストを堆積させ、チャネル領域、ソース領域及びドレイン領域となる領域を残すように写真製版工程を用いてパターニングを行った後、レジストをマスクとして異方性エッチングを行い、所望の形状のポリシリコン層105 を形成する(図168 )。次に、先の工程で形成したレジストを除去後、チャネル領域上に再度レジスト108 を形成し、該レジスト108 をマスクとしてフッ化ホウ素(FB2 )をイオン注入する(図169 )。次に、注入された不純物を活性化させるための熱処理を施すことによりゲート電極103 、ソース領域105b及びドレイン領域105cを形成し、図164 に示すTFTが完成する。
【0014】
また、半導体装置の1つとして不揮発性半導体記憶装置があり、中でもデータを自由にプログラムすることができしかも電気的にデータの書き込み及び消去が可能なEEPROM(Electrically Erasable andProgrammable Read Only Memory)が知られている。このEEPROMは、書き込み及び消去ともに電気的に行えるという利点はあるが、メモリセルに2つのトランジスタを必要とするため、高集積化が困難であるという不都合があった。そこで、従来メモリセルが1つのトランジスタで構成され、書き込まれた情報電荷を一括消去することが可能なフラッシュEEPROMが提案されている。これらは例えば、米国特許第4868619 号などに開示されている。
【0015】
図170 は従来の積層ゲート型のフラッシュEEPROMを示した断面図である。図170 を参照して従来のフラッシュEEPROMの構造について説明する。
【0016】
図170 を参照して、P型のシリコン基板201 の主表面には、ドレイン領域208とソース領域209 とが所定の間隔を隔ててチャネル領域215 を挟むように形成されている。そしてチャネル領域215 上には膜厚100 Å程度の薄い酸化膜202 を介してフローティングゲート電極203 が形成されている。フローティングゲート電極203 から電気的に分離されるように、フローティングゲート電極203 上に層間絶縁膜204 を介してコントロールゲート電極205 が形成されている。フローティングゲート電極203 とコントロールゲート電極205 は、ポリシリコン層によって形成され、ホウ素(B)等の注入によりP 型にドープされている。熱酸化膜216 はP型シリコン基板201 やポリシリコン層からなるフローティングゲート電極203 及びコントロールゲート電極205 を覆うように形成されている。熱酸化膜216 上には酸化膜等からなるスムースコート膜212 が形成されている。214 はアルミニウム合金等からなる配線層である。
【0017】
次に、図171 を参照して、フラッシュEEPROMの動作について説明する。まず、CHE(Cannel Hot Electron)を用いたフラッシュEEPROMの書き込み動作においては、ドレイン領域208 に6V〜8Vの電圧V1、コントロールゲート電極205 に10V〜15Vの電圧VG1が印加される。この電圧VD1及びVG1の印加によって、ドレイン領域208 と酸化膜202 の近傍で発生した高いエネルギーを有する電子の一部は、コントロールゲート電極205 に印加された電圧VG1に起因する電界によって、フローティングゲート電極203 に引き寄せられ注入される。このようにしてフローティングゲート電極203 に電子の蓄積が行われると、コントロールゲートトランジスタの閾値電圧VTHが所定の値よりも高くなる。この閾値電圧VTHが所定の値よりも高くなった状態が書き込まれた状態であり“0”の状態と呼ばれる。
【0018】
また、図172 を参照して、SHE(Substrate Hot Electron)を用いたフラッシュEEPROMの書き込み動作について説明する。例えば、N型シリコン基板221 中のPウェル222 内に形成されたNチャネル型のフラッシュEEPROMにおいて、ドレイン領域208 及びソース領域209 を接地し、コントロールゲート電極205 に10V〜15Vの電圧VG2を印加する。さらに基板電極223 に−5V〜−10Vの電圧VB2を印加する。この電圧VG2及びVB2の印加によって、N型シリコン基板221 とPウェル222 で形成されたPN接合に順バイアスがかかり、オン電流が生じる。この電子の一部は、コントロールゲートゲート電極205 に印加された電圧VG2による電界によって、フローティングゲート電極203 に引き寄せられ注入される。
【0019】
また、図173 を参照して、F−N(Fowler−Nordheim)トンネル現象を用いたフラッシュEEPROMの書き込み動作について説明する。例えば、ドレイン端におけるF−N書き込みにおいては、ドレイン領域208 に−10V〜−12Vの電圧VD3が印加され、コントロールゲート電極205 は接地電位、ソース領域209 はフローティング状態に保持される。ドレイン領域208 に印加された電圧VD3に起因する電界によってフローティングゲート電極203 中の電子は薄い酸化膜202 をF−Nトンネル現象によって通過する。このようにしてフローティングゲート電極203 中に電子が蓄積されることにより、コントロールゲートトランジスタの閾値電圧VTHが高くなる。
【0020】
次に、消去動作について説明する。ソース領域209 に10V〜12Vの電圧VS が印加され、コントロールゲート電極205 は接地電位、ドレイン領域208 はフローティング状態に保持される。ソース領域209 に印加された電圧VS に起因する電界によって、フローティングゲート電極203 中の電子は薄い酸化膜202 をF−Nトンネル現象によって通過する。このようにしてフローティングゲート電極203中の電子が引き抜かれることにより、コントロールゲートトランジスタの閾値電圧VTHが低くなる。この閾値電圧VTHが所定の値よりも低くなった状態が消去された状態であり“1”の状態と呼ばれる。
【0021】
さらに、読み出し動作においては、コントロールゲート電極205 に5Vの電圧VG4、ドレイン領域208 に1V〜2Vの電圧VD4が印加される。このとき、コントロールゲートトランジスタのチャネル領域に電流が流れるかどうか、すなわち、コントロールゲートトランジスタがオン状態かオフ状態かによって上述した“1”、“0”の判定が行われる。これにより情報の読み出しが行われる。
【0022】
さらに、図174 を参照して、フラッシュEEPROMにおけるカップリング比について説明する。フラッシュEEPROMは2層構造のゲート電極を持つため、コントロールゲート電極205 に印加した電圧は、フローティングゲート電極203 を介してチャネル領域にかかる。つまり、フローティングゲート電極203 の蓄積電荷量が同じで各端子に同じ電位を印加しても、層間絶縁膜204 や酸化膜202といった構造によりフローティングゲート電極203 の電位は異なる。フローティングゲート電極203 の電位VFGは、コントロールゲート電圧VCG、ソース電圧V 及びドレイン電圧V 等の各端子に印加した電位のほか、閾値電圧VTH、フローティングゲート電極203 とコントロールゲート電極205 の容量(CFC)、フローティングゲート電極203 と基板201 の容量(CFB)、フローティングゲート電極203 とソース領域209 間の容量(CFS)及びフローティングゲート電極203とドレイン領域208 間の容量(CFD)に依存し、近似的に次式で与えられる。
【0023】
FG=CFCCG/CTOTAL +CFD /CTOTAL +(CFD+CFB)V/CTOTAL +CFBTH/CTOTAL +QFG/CTOTAL …(1)
FG=CFC(VFG−VCG)+CFD(VFG−V )+CFS(VFG−VS )+CFB(VFG−VTH−V )
但し、CTOTAL =CFC+CFD+CFS+CFB
(1)式よりコントロールゲート電極203 の電位VCGは、カップリング比と呼ばれるCFC/CTOTAL を乗じたかたちでフローティングゲート電極203 の電位VFGに影響を与える。つまり、カップリング比を大きくすると、コントロールゲート電極205 に加えた電位が同じであっても、フローティングゲート電極203 の電位は大きくなる。よって、カップリング比が大きいと、コントロールゲート電極205 に同じ電位を印加しても、フローティングゲート電極203 の電位は高くなる。このため、カップリング比が大きいほど、コントロールゲート電極205 に印加した電位によりトランジスタ動作を制御することが容易になる。
【0024】
上述した半導体装置において、F−Nトンネル現象を用いてデータの書き込み及び消去を行うと、ある確率で酸化膜202 が破壊を起こすため、素子の信頼性が低下してしまう。さらに、電子が酸化膜202 中をトンネルすることにより、酸化膜202 中に注入された電子はある確率で酸化膜202 中にトラップされ、シリコン基板201 と酸化膜202 の界面に界面準位を生成する。この生成された界面準位により酸化膜202 の信頼性が低下し、閾値電圧が変化したり、電流駆動能力が低下するといった問題点が発生する。また、データの書き込み時あるいは消去時に、フローティングゲート電極203 、ソース領域209 あるいはドレイン領域208 に高い電位を印加するため、ドレイン領域208 と酸化膜202 あるいはソース領域209と酸化膜202 との界面に高い電界が生じる。特に、隣り合うメモリセル同士は、そのドレイン領域208 を共有するため、データの書き込み時に非選択セルのドレイン領域208 にも電位が印加されてしまう。セル非選択状態のコントロールゲート電極205 は接地電位に保持されているので、このような非選択セルにおいては、フローティングゲート電極203 とドレイン領域208 との間に高電界が発生し、この高電界により図175 に示すようなバンド間トンネリングが起こり、電子/ホール対が発生する。発生したホールはある確率で酸化膜202 中に注入され、シリコン基板201 と酸化膜202 の界面に界面準位を作り、酸化膜202 の信頼性を低下させる。
【0025】
このような酸化膜202 の信頼性の低下を防止するために、シリコン基板201 と酸化膜202 の界面に界面準位が発生するのを抑制する方法が提案されている。酸化膜形成後、RTN(Rapid Thermal Nitridation)処理を施し、酸化膜202 中に窒素を含有させると、窒素が酸化膜202 中のダングリングボンドを終端するので、酸化膜202 中に電荷がトラップするのを防止できる。RTN処理とは、例えばアンモニア(NH )などの窒素を含みかつ反応性の気体雰囲気中で、ごく短時間、アニール処理を施す処理である。これにより、窒素がシリコン基板201 や酸化膜202 に取り込まれる。
【0026】
図176 は、従来の埋め込みチャネル型のフラッシュEEPROMである。図176 において、201 〜205 、208 、209 、215 、216 は図170 と同一あるいは相当する部分を示す。217 はチャネル領域215 に形成されたN型不純物層、218 はN型不純物層217 の下部に形成されたP型不純物層である。N型不純物層217 及びP型不純物層218 で埋め込みチャネル層を形成している。このような埋め込みチャネル型のフラッシュEEPROMにおいては、表面チャネル型のフラッシュEEPROMと異なり、ソース領域209 あるいはドレイン領域208 と酸化膜202 との間に高電界がかかることがないので、この領域でバンド間トンネリングが発生するのを抑制できる。よって、データ書き込み時あるいは消去時に、バンド間トンネリングによるホールが発生するのを防止できるので、酸化膜202 にホールが注入されるのを防止できる。
【0027】
【特許文献1】
特開平3−46238号公報
【0028】
【特許文献2】
特開平3−44075号公報
【0029】
【特許文献3】
特開昭62−177919号公報
【0030】
【発明が解決しようとする課題】
従来のMOSトランジスタにおいては以下に示すような問題点があった。
【0031】
従来、PMOSトランジスタのソース/ドレイン領域の形成方法は、ソース/ドレイン接合面を浅く形成するため、フッ化ホウ素イオンを注入することにより形成されていた。従って、フッ化ホウ素イオン中に含まれるフッ素がチタンシリサイド形成時のチタンとシリコンの反応を妨げ、良好なチタンシリサイド膜を形成できないという問題点があった。
【0032】
また、従来のPMOSトランジスタのソース/ドレイン領域の形成方法は、シリコンイオン又はゲルマニウムイオンによりプリアモルファス化されるため、結晶回復のための高温熱処理が必要となる。従って、ソース/ドレイン接合面を浅く形成するための条件である熱処理の低減に伴い、結晶の回復が不十分になり接合リーク電流の増大をもたらすという問題点があった。
【0033】
また、NMOSトランジスタのソース/ドレイン接合面を浅く形成するためにも熱処理の低減が必要となり、それに伴って結晶の回復が不十分になり接合リーク電流の増大をもたらすという問題点があった。
【0034】
さらに、従来のソース/ドレイン領域の形成方法ではPMOSトランジスタ及びNMOSトランジスタの両者とも、活性化のための熱処理によって注入された不純物が拡散し、浅い接合の形成が困難であるという問題点があった。
【0035】
また、デュアルゲートCMOSトランジスタにおいては、熱処理工程時に、PMOSトランジスタのP型にドープされたゲート電極からホウ素イオンがゲート酸化膜を突き抜けてチャネル領域に侵入し、トランジスタの閾値電圧を変動させるという問題点があった。
【0036】
特に、ポリサイドゲート構造のデュアルゲートCMOSトランジスタにおいては、熱処理工程時に、N型にドープされたゲート電極からはヒ素イオンが、P型にドープされたゲート電極からはホウ素イオンがシリサイド中を相互拡散することにより、ゲート電極の仕事関数を変化させ、トランジスタの閾値電圧を変動させるという問題点があった。
【0037】
さらに、従来のNMOSトランジスタ及びPMOSトランジスタにおいては、そのゲート電極に不純物がドープされているため、熱処理工程時の不純物の拡散作用によりゲート酸化膜が劣化し、素子の微細化に伴い、ホットキャリア耐性が十分に得られないという問題点があった。
【0038】
また従来のTFTは、近年その微細化に伴い、以下に示すような問題点があった。
【0039】
ソース/ドレイン注入後の熱処理により、ソース領域及びドレイン領域の不純物が熱拡散して、チャネル領域にまで拡散してくるために、パンチスルーが発生し、本来のトランジスタ動作をしなくなってしまう。
【0040】
オフ状態時に、ドレイン端に加わる電界が高くなると、ホットキャリアが発生し、素子の信頼性が劣化する。
【0041】
従来のフラッシュEEPROMにおいては以下に示すような問題点があった。
従来、酸化膜202 に窒素を導入する方法としてRTN処理を用いていた。RTN処理は、多くの場合アンモニア雰囲気中でアニールを行うため、図177 に示すように、酸化膜202 中に窒素のみならず水素までもが含有される。この水素のドーピングにより酸化膜202 の信頼性が低下するという問題点があった。さらに、製法上、シリコン基板201 にも水素及び窒素が注入されるという問題点があった。
【0042】
さらに、RTN処理では、1100℃程度の高温にシリコン基板201 をさらすことになり、また、短時間で処理を行うため、シリコン基板201 がさらされる周辺の温度は急激に変化する。このため、シリコン基板201 面内に温度分布が生じ、膨張率の違いからスリット状の欠陥が発生するという問題点があった。
【0043】
また、従来のフラッシュEEPROMにおいては、そのコントロールゲート電極あるいはフローティングゲート電極にホウ素等の不純物を注入するため、注入された不純物が熱処理工程時に層間絶縁膜204 あるいは酸化膜202 中に浸入し、層間絶縁膜204 あるいは酸化膜202 の膜質が劣化するという問題点があった。
【0044】
特に、酸化膜202 をホウ素が突き抜け、チャネル領域215 に浸入すると、フラッシュEEPROMの閾値電圧を変動させるという問題点があった。
【0045】
また、コントロールゲート電極205 に印加された電位は、カップリング比を乗じた形でフローティングゲート電極203 に印加される。このため、コントロールゲート電極205 には、カップリング比による電位の減少をみこして電位を印加する必要があり、例えば、カップリング比が0.5 のデバイスにおいて書き込みを行う場合、フローティングゲート電極203 に5Vを印加するならば、コントロールゲート電極205 には約10Vの電圧を印加しなければならない。つまり、同じ動作を保証するためには、カップリング比が小さいほどコントロールゲート電極205に高い電圧を印加しなければならず、フラッシュEEPROMの低電源電圧化が困難であるという問題点があった。
【0046】
また、従来カップリング比を向上させるため、層間絶縁膜204 として酸化膜よりも比誘電率の高い窒化膜を使う方法が提案されているが、窒化膜のみで層間絶縁膜204 を形成するとリーク電流が大きくなるという問題がある。このリーク電流の問題を防止するためには、窒化膜と酸化膜の複合膜を層間絶縁膜204 として用いればよいが、結局、層間絶縁膜204 が厚くなり、カップリング比を大きくできないという問題点があった。
【0047】
また、素子の微細化を考えるとき、ソース/ドレイン注入で注入される不純物の拡散によりソース/ドレイン接合深さを浅く形成することが困難であるため、パンチスルーなどの短チャネル効果の問題点があった。
【0048】
また、従来の埋め込みチャネル型のフラッシュEEPROMにおいては、埋め込みチャネル領域に注入される不純物の拡散により埋め込みチャネル層を浅く形成することが困難であるため、コントロールゲート電極205 に印加される電位でソース/ドレイン間電流を制御することが不可能になりパンチスルーなどソース/ドレイン間耐圧特性が劣化するという問題点があった。
【0049】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、浅いソース/ドレイン接合面の形成、ソース/ドレイン領域に注入された不純物の横方向拡散の防止、ゲート電極にドープされたホウ素イオンの突き抜け抑制、ゲート電極にドープされた不純物の拡散の抑制、ホットキャリア耐性の向上、酸化膜及び層間絶縁膜の信頼性の向上及び低電源電圧化を可能とする半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
【0050】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板上に設けられた第1の絶縁膜と、前記第1の絶縁膜上に設けられた第1導電型の第1の電極と、前記第1の電極を挟んで前記半導体基板に設けられたソース/ドレイン領域とを備え、前記第1の絶縁膜及び前記第1の電極には、窒素がドープされていることを特徴とする。
【0051】
さらに、前記第1の電極から前記半導体基板に向かう深さ方向における前記窒素の濃度ピークは、前記半導体基板と前記第1の絶縁膜との界面よりも浅い位置に存在することを特徴とする。
【0052】
さらに他には、前記窒素の濃度ピークは、前記第1の絶縁膜中に存在することを特徴とする。
【0053】
さらに他には、前記第1導電型は、P型あるいはN型であることを特徴とする。
【0054】
さらに他には、前記ソース/ドレイン領域内部には、窒素がドープされていることを特徴とする。
【0055】
さらに他には、前記第1の電極上に第2の絶縁膜と、前記第2の絶縁膜上に第2の電極とをさらに備え、前記第2の絶縁膜には、窒素がドープされていることを特徴とする。
【0056】
さらに他には、前記第2の電極には、窒素がドープされていることを特徴とする。
【0057】
また、本発明に係る半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板上に形成された第1の絶縁膜と、前記第1の絶縁膜上に形成された第1の電極と、前記第1の電極を挟んで前記半導体基板に設けられたソース/ドレイン領域と、前記ソース/ドレイン領域内部に窒素がドープされている領域とを備えたことを特徴とする。
【0058】
さらに、前記第1の電極上に第2の絶縁膜と、前記第2の絶縁膜上に第2の電極とをさらに備えたことを特徴とする。
【0059】
さらに他には、前記ソース/ドレイン領域は、前記半導体基板の主表面から該半導体基板の内部に設けられ、前記窒素がドープされている領域は、該主面から前記ソース/ドレイン領域の内部に設けられていることを特徴とする。
【0060】
また、本発明に係る半導体装置は、第1導電型の半導体基板と、前記半導体基板上に形成された第1の絶縁膜と、前記第1の絶縁膜上に形成された第1の電極と、前記第1の電極を挟んで前記半導体基板に設けられた第2導電型のソース/ドレイン領域と、前記ソース/ドレイン領域の間に前記半導体基板に設けられた第2導電型の第1の不純物領域と、前記第1の不純物領域の内部に窒素を含む領域とを備えたことを特徴とする。
【0061】
さらに、前記第1の電極上に第2の絶縁膜と、前記第2の絶縁膜上に第2の電極とをさらに備えたことを特徴とする。
【0062】
さらに他には、前記第1の不純物領域下に第1導電型の不純物領域を備えたことを特徴とする。
【0063】
また、本発明に係る半導体装置は、第1導電型の領域と第2導電型の領域を有する半導体基板と、前記第1導電型の領域上に形成された第1のゲート絶縁膜と、前記第1のゲート絶縁膜上に形成され、第2導電型にドープされた第1のゲート電極と、前記第1のゲート電極を挟んで前記第1導電型の領域に形成された第2導電型のソース/ドレイン領域と、前記第2導電型の領域上に形成され、第1導電型にドープされた第2のゲート電極と、前記第2のゲート電極を挟んで前記第1導電型の領域に形成された第1導電型のソース/ドレイン領域とを備え、前記第1のゲート電極、第2のゲート電極、第1のゲート絶縁膜及び第2のゲート電極には窒素がドープされていることを特徴とする。
【0064】
さらに、前記第1導電型はP型で、前記第2導電型はN型であることを特徴とする。
【0065】
また、本発明に係る半導体装置は、第1導電型の領域と第2導電型の領域を有する半導体基板と、前記第1導電型の領域上に形成された第1のゲート絶縁膜と、前記第1のゲート絶縁膜上に形成され、第2導電型にドープされたポリシリコン膜と金属シリサイド膜との積層構造からなる第1のゲート電極と、前記第1のゲート電極を挟んで前記第1導電型の領域に形成された第2導電型のソース/ドレイン領域と、前記第2導電型の領域上に形成された第2のゲート絶縁膜と、前記第2のゲート絶縁膜上に形成され、第1導電型にドープされたポリシリコン膜と金属シリサイド膜との積層構造からなる第2のゲート電極と、前記第2のゲート電極を挟んで前記第1導電型の領域に形成された第1導電型のソース/ドレイン領域とを備え、前記第1のゲート電極及び第2のゲート電極には窒素がドープされ、前記第1のゲート電極及び第2のゲート電極中の窒素の濃度ピークは、前記ポリシリコン膜と金属シリサイド膜との界面に存在することを特徴とする。
【0066】
さらに、前記第1のゲート絶縁膜及び第2のゲート絶縁膜には窒素がドープされていることを特徴とする。
【0067】
また、本発明に係る半導体装置は、チャネル領域を挟んでソース/ドレイン領域が形成され、該チャネル領域とソース/ドレイン領域との接合面を含んで窒素がドープされた領域の形成された活性層と、前記活性層の第1の面上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜を介して前記チャネル領域と対向する位置に形成されたゲート電極とを備えたことを特徴とする。
【0068】
また、本発明に係る半導体装置は、チャネル領域を挟んでソース/ドレイン領域が形成された活性層と、前記活性層の第1の面上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜を介して前記チャネル領域と対向する位置に形成されたゲート電極とを備え、前記活性層及び前記絶縁膜には窒素がドープされていることを特徴とする。
【0069】
また、本発明に係る半導体装置は、チャネル領域を挟んでソース/ドレイン領域が形成された活性層と、前記活性層の第1の面上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜を介して前記チャネル領域と対向する位置に形成されたゲート電極とを備え、前記ゲート電極及び前記絶縁膜には窒素がドープされていることを特徴とする。
【0070】
また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜上に電極層を形成する工程と、前記電極に窒素をイオン注入する工程と、前記電極層に不純物を注入する工程と、前記電極層に窒素を注入する工程及び不純物を注入する工程の後に熱処理を行い、前記絶縁膜中に窒素を析出させる工程とを備えたことを特徴とする。
【0071】
さらに、前記窒素のイオン注入において、該窒素の投影飛程RP は、その標準偏差を△RP とすると、前記絶縁膜と前記電極層との界面からの距離が5×△RP 以上となる位置に設定されることを特徴とする。
【0072】
また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上に第1の絶縁膜を形成する工程と、前記第1の絶縁膜上に電極層を形成する工程と、前記電極層に窒素をイオン注入する工程と、前記電極層に不純物を注入する工程と、前記窒素及び前記不純物を注入する工程の後に前記電極層上に第2の絶縁層を形成する工程と、前記第2の絶縁層を形成する工程の後に熱処理を行い、前記第1の絶縁層及び第2の絶縁層中に窒素を析出させる工程とを備えたことを特徴とする。
【0073】
また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上にゲート電極を形成する工程と、前記半導体基板に窒素イオンを注入し、前記ゲート電極を挟んで前記半導体基板に窒素ドーピング領域を形成する工程と、前記窒素イオンの飛程よりも大きい飛程を持つ不純物イオンを前記半導体基板に注入し、前記窒素ドーピング領域を含むソース/ドレイン領域を形成する工程とを備えたことを特徴とする。
【0074】
さらに、前記窒素イオンを前記半導体基板の主表面に対し、90度よりも小さい角度から前記半導体基板に注入することを特徴とする。
【0075】
また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上にゲート絶縁膜を形成する工程と、前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、前記ゲート電極及び前記ゲート電極を挟んで前記半導体基板に窒素イオンを注入し、前記ゲート電極に窒素をドープするとともに、前記半導体基板内に窒素ドーピング領域を形成する工程と、前記窒素イオンの飛程よりも大きい飛程をもつ不純物イオンを前記ゲート電極及び前記ゲート電極を挟んで前記半導体基板に注入し、前記ゲート電極に不純物をドープするとともに、前記窒素ドーピング領域を含むソース/ドレイン領域を形成する工程と、前記ゲート電極及び前記半導体基板に不純物を注入する工程の後に熱処理を行い、前記ゲート絶縁膜中に窒素を析出させる工程とを備えたことを特徴とする。
【0076】
また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、第1導電型の領域と第2導電型の領域を有する半導体基板上にゲート絶縁膜が形成され、前記ゲート絶縁膜上にゲート電極層が形成された半導体装置の製造方法において、前記ゲート電極層の全面に窒素をイオン注入する工程と、前記第1導電型の領域上に形成されたゲート電極層に第2導電型の不純物を導入する工程と、前記第2導電型の領域上に形成された前記ゲート電極層に第1導電型の不純物を導入する工程と、前記ゲート電極層に窒素及び不純物を導入後、熱処理を行い、前記ゲート絶縁膜中に窒素を析出させる工程とを備えたことを特徴とする。
【0077】
また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、第1導電型の領域と第2導電型の領域を有する半導体基板上にゲート絶縁膜が形成され、前記ゲート絶縁膜上にポリシリコン膜が形成され、前記ポリシリコン膜上に金属シリサイド膜が形成された半導体装置の製造方法において、前記ポリシリコン膜と金属シリサイド膜との界面に窒素をイオン注入する工程と、前記第1導電型の領域上に形成された前記ポリシリコン膜に第2導電型の不純物を導入する工程と、前記第2導電型の領域上に形成された前記ポリシリコン膜に第1導電型の不純物を導入する工程と、前記ポリシリコン膜に窒素及び不純物を導入する工程の後に、熱処理を行い、前記ゲート絶縁膜中に窒素を析出させる工程とを備えたことを特徴とする。
【0078】
また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、活性層となるポリシリコン膜と、前記活性層の第1の面上に形成された第1の絶縁膜と、前記第1の絶縁膜を介して形成されたゲート電極とを有する半導体装置の製造方法において、前記ポリシリコン膜に窒素イオンを斜め回転注入法で注入する工程と、前記窒素イオンを注入する工程の後に、前記ポリシリコン膜のソース/ドレイン領域に不純物を注入する工程とを備えたことを特徴とする。
【0079】
また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、ゲート電極に窒素をイオン注入する工程と、前記窒素イオンを注入する工程の後に、前記ゲート電極上にゲート絶縁膜を形成する工程と、前記ゲート絶縁膜上に活性層となるポリシリコン膜を形成する工程と、前記ポリシリコン膜を形成する工程の後に、熱処理を行い、前記ゲート絶縁膜中に窒素を析出させる工程とを備えたことを特徴とする。
【0080】
この発明に係る半導体装置は、ゲート電極に窒素がドープされているので、該ゲート電極に不純物を導入する際に、窒素が不純物の拡散経路である空孔を先に占有する結果、前記不純物の拡散は抑制される。よって、前記不純物がゲート絶縁膜に混入したり、ゲート絶縁膜を突き抜けたりするのが抑制される。
【0081】
さらに、ゲート絶縁膜中に窒素が析出しているため、ゲート絶縁膜/半導体基板の界面準位が減少し、半導体装置のゲート絶縁膜の信頼性及びホットキャリア耐性が向上する。また、該半導体装置が電気的に書き込み及び消去可能な半導体記憶装置である場合、データ書き込み時あるいは消去時に、バンド間トンネリングにより発生したホールがゲート絶縁膜に注入されることにより、あるいは、電子が絶縁膜をトンネルすることにより、ゲート絶縁膜/半導体基板の界面で界面準位が発生するのを防止できる。
【0082】
また、ゲート電極に窒素を注入し、ゲート電極上に層間絶縁膜を形成した後に熱処理を行うと、層間絶縁膜中にも窒素が析出する。この窒素は、素子の動作時に層間絶縁膜中に準位が形成されるのを防止するため、層間絶縁膜の信頼性を向上させることができる。層間絶縁膜の膜質向上により、その膜厚を薄くすることが可能になるため、カップリング比を向上させることができ、コントロールゲート電極に印加する電位を低減させることができる。
【0083】
また、この発明に係る半導体装置は、ソース/ドレイン領域内部に窒素がドープされているため、窒素の不純物拡散防止効果により、ソース/ドレイン領域の接合面は浅く形成される。よって、パンチスルーなどの短チャネル効果を抑制することができ、素子の微細化が可能となる。また、チャネル領域とソース/ドレイン領域との接合面を含むように窒素ドーピング領域を設けることにより、不純物の横方向拡散をさらに抑制することができる。また、該半導体装置が電気的に書き込み及び消去可能な半導体記憶装置である場合、ソース/ドレイン領域を形成するための不純物の拡散を抑制させることにより、ソース/ドレイン領域とゲート電極とがオーバーラップするのを防止できるので、コントロールゲート電極とソース/ドレイン領域との間の容量を小さくすることが可能となる。よって、カップリング比を大きくすることが可能となるため、コントロールゲート電極に印加する電位を低減することが可能となる。
【0084】
また、この発明に係る半導体装置は、金属シリサイド膜とポリシリコン膜との2層構造からなるゲート電極に窒素がドープされ、窒素の濃度ピークはポリシリコン膜と金属シリサイド膜との界面に存在するので、ポリシリコン膜にドープされた不純物が金属シリサイド膜に拡散されるのが抑制される。よって、ゲート電極の仕事関数が正方向あるいは負方向に変化するのが抑制され、仕事関数の変化による閾値電圧の変動が抑制される。
【0085】
また、半導体基板のチャネル領域に窒素をドープすると、埋め込みチャネルを形成するための不純物の拡散が抑制される。よって、埋め込みチャネル層を薄く形成できるので、厚い膜厚の埋め込みチャネル層に起因するパンチスルーは抑制される。また、窒素がドープされる領域を埋め込みチャネル層の内部に形成することにより、窒素注入に伴って発生する欠陥は埋め込みチャネル層と半導体基板との接合面にできないため、接合面において接合リーク電流が発生することもない。
【0086】
また、この発明に係る半導体装置の製造方法は、ゲート電極に窒素をイオン注入し、その後熱処理を加えることにより、ゲート絶縁膜中に窒素を析出させる。つまり、ゲート絶縁膜ダメージを与えることなく窒素をゲート絶縁膜に注入でき、ゲート絶縁膜中に水素が含まれることもない。よって、水素の悪影響を受けることなく、窒素効果をもたらすことができる。
【0087】
【発明の実施の形態】
(実施の形態1)
次に本発明の一実施の形態について説明する。図1は本発明の第1実施の形態によるPMOSトランジスタを示した断面構造図である。図1において、1、4〜7、10は従来図145 と同一あるいは相当するものである。斜線部30は窒素ドーピング領域を示し、P 型ゲート電極35及びゲート酸化膜36中に存在する。図2は図1に示すPMOSトランジスタのP 型ゲート電極35及びゲート酸化膜36の深さ方向のプロファイルを示した図である。図2により、ゲート酸化膜36中に窒素が析出していることが解る。ここで、窒素の析出とは、ある一定の位置に窒素がトラップされて濃度が高くなる状態を示す。
【0088】
次に図1に示すPMOSトランジスタの製造工程について説明する。まず始めに、通常の素子分離工程によりN型シリコン基板1上に素子分離酸化膜7を形成後、熱酸化により100 Å程度の酸化膜36a を形成し、CVD法により2000Å程度ポリシリコン膜35a を形成する(図3)。次にポリシリコン膜35a の上部に飛程中心がくるように窒素イオンを20keV、4×1015/cm の条件で注入する(図4)。次に、ポリシリコン膜35a にホウ素イオンを20keV、4×1015/cm の条件で注入する(図5)。次に、CVD法により2000Å程度の酸化膜を堆積し(図示せず)、フォトリソグラフィーと異方性エッチングを用いて、酸化膜及びポリシリコン膜35a をゲート電極の形状にパターニングし、それぞれ酸化膜4及びゲート電極35b を形成する(図6)。次に、CVD法により800 Å程度の酸化膜を堆積し(図示せず)、エッチバックすることによりサイドウォール酸化膜5及びゲート酸化膜36b を形成後、ソース/ドレイン領域にフッ化ホウ素イオンを20keV、4×1015/cm の条件で注入する(図7)。次に、850 ℃、20分程度の熱処理を加えて注入された不純物を活性化させることにより、図1に示すソース/ドレイン領域6及びゲート電極35を形成する。また、この熱処理時に、ゲート電極35b の上部にドープされた窒素は熱拡散されるが、ゲート酸化膜36b 中においては窒素は偏析し、図2に示すように、窒素濃度ピークの存在するゲート酸化膜36が形成される。
【0089】
ここで、上記製造工程中での窒素の注入条件についてさらに詳しく説明する。窒素の投影飛程RP は、その標準偏差を△RP とすると、P 型ゲート電極35とゲート酸化膜36の界面から5×△RP となる位置より上の位置のゲート電極35中にくるように設定する(図8)。この条件よりも下の位置に設定すると、窒素注入によりゲート酸化膜36にダメージが及ぶ可能性がある。
【0090】
以上の説明では、ゲート電極35へのドーピングとソース/ドレイン領域6へのドーピングとを別々の工程で行ったが、ゲート電極35へのドーピングをソース/ドレイン領域6へのドーピングと兼ねて行っても問題はない。また、ゲート電極へのドーピングは、フッ化ホウ素をイオン注入してもよい。さらに、上記実施の形態では、PMOSトランジスタのみの場合について示したが、上記PMOSトランジスタをCMOSトランジスタの一部に、あるいは、上記PMOSトランジスタの製造工程をCMOSトランジスタの製造工程の一部に加えてもよい。
【0091】
次に本実施の形態における発明の効果について説明する。ゲート電極35中には窒素がドープされているためにホウ素の拡散が抑制される。つまり、窒素は拡散メカニズムがホウ素と同じ空孔拡散であり、かつ、ホウ素に比べて拡散係数が大きいので、窒素をホウ素と相互拡散させることにより窒素は拡散経路である空孔を先に占有する結果、ホウ素の拡散が抑制でき、その結果、ホウ素のチャネル領域10への突き抜けが抑制でき、閾値電圧の変動を効果的に抑制できる。また、イオン注入法を用いて窒素をドープすることにより、窒素の深さ及び濃度分布は制御し易くなる。
【0092】
また、ゲート電極35上部に窒素をドープし、熱処理を行うことにより、窒素がゲート酸化膜36に析出する。その結果、シリコン酸化膜/シリコンの界面準位が減少し、ゲート酸化膜2の信頼性を向上せしめ、かつ、ホットキャリア耐性を効果的に向上せしめる。ここで、従来のMOSトランジスタとゲート電極に窒素注入を行ったMOSトランジスタのゲート酸化膜の信頼性を定電流ストレス法によって評価した結果を図9に示す。図9は窒素注入による酸化膜の信頼性の向上を示す図である。図9により、ゲート電極35に窒素注入を行い、ゲート酸化膜36に窒素を析出させた場合、絶縁破壊耐性が向上し、ゲート酸化膜の信頼性が向上することが解る。また、PMOSトランジスタのホットキャリア注入による閾値電圧の変化量の窒素注入量依存性を図10に示す。図10は、一定のストレス電圧を1000秒印加後、閾値電圧の変化を測定したもので、ゲート電極35に対する窒素注入量を増加させると閾値電圧の変化が減少することから、ゲート電極に窒素をドープし、ゲート酸化膜36に窒素を析出させると、PMOSトランジスタのホットキャリア耐性が向上することが解る。
【0093】
また、ゲート電極35及びゲート酸化膜36内部の窒素ドーピング領域30における窒素濃度ピークは、〜1019/cm3 から〜1021/cm3 の範囲で設定するのが望ましい。よって、製造工程時の窒素イオンの注入量としては、〜1014/cm から〜1016/cm の範囲で設定してやればよい。窒素濃度ピークが〜1019/cm3 よりも低くなると上述の効果は得られず、ゲート酸化膜36中の窒素濃度ピークが〜1021/cm よりも高くなると、チャネル電子の移動度が劣化し、MOSトランジスタ特性が劣化する。
【0094】
(実施の形態2)
次に、本発明の他の実施の形態を図面について説明する。図11は本発明の第2実施の形態によるPMOSトランジスタを示した断面構造図である。図11において、1〜7、10は従来図145 と同一あるいは相当するものである。30はソース/ドレイン領域6の内部に形成された窒素ドーピング領域である。図12は図11に示すPMOSトランジスタのソース/ドレイン領域6の深さ方向のプロファイルを示した図である。図12により、ソース/ドレイン領域6の接合面には窒素はドープされず、ホウ素がドープされて形成されるソース/ドレイン領域6の内部に窒素ドーピング領域30が存在することがわかる。
【0095】
次に図11に示すPMOSトランジスタの製造工程について説明する。まず始めに、通常の素子分離工程により素子分離酸化膜7を形成した後、N型シリコン基板1上に熱酸化により100 Å酸化膜2aを形成し、続いてCVD法によりリンが5×20個/cm 程度ドープされたポリシリコン膜3aを2000Å程度堆積させ、続いてCVD法により2000Å程度の酸化膜4aを堆積させる(図13)。次に、フォトリソグラフィーと異方性エッチングにより、酸化膜4a及びポリシリコン膜3aをゲート電極の形状にパターニングし、それぞれ酸化膜4及びゲート電極3を形成する(図14)。次に、CVD法により800 Å程度の酸化膜を堆積し(図示せず)、エッチバックすることによりサイドウォール酸化膜5を形成する(図15)。次に、窒素イオンを10keV、2×1015/cm の条件で注入する(図16)。次に、ホウ素イオンを10keV、4×1015/cm の条件で注入し(図17)、850 ℃、20分程度の熱処理を加えて注入された不純物を活性化させることにより、図11に示すP 型のソース/ドレイン領域6を形成するのと同時に、窒素ドーピング領域30を形成する。
【0096】
次に図11に示すPMOSトランジスタの他の製造工程について説明する。図13から図15までは上述の製造工程と同一であるので説明を省略する。次に、窒素イオンを30°の入射角でN型シリコン基板1を回転させながら12keV、2.5 ×1015/cm2 の条件で注入する(図18)。次に、ホウ素イオンを10keV、4×1015/cm の条件で注入し(図19)、850 ℃、20分程度の熱処理を加えて注入された不純物を活性化させることにより、図11に示すP 型のソース/ドレイン領域6を形成するのと同時に、窒素ドーピング領域30を形成する。
【0097】
ここで、上記製造工程中での窒素の注入条件について説明する。窒素の注入条件は窒素の投影飛程がホウ素の投影飛程よりも小さくなるようなエネルギーで注入することである。これは、窒素注入時に発生する欠陥がソース/ドレイン領域6とN型シリコン基板1との接合面に発生し、素子動作時に接合リーク電流が発生するのを防止するためである。
【0098】
以上の説明では、ゲート電極はN型のゲート電極を用いたが、P型のゲート電極あるいはゲート電極のシート抵抗を下げるために金属シリサイドとポリシリコンの積層構造のゲート電極を用いてもよい。また図20に示すように、ソース/ドレイン領域6を低抵抗化するために、図19に示す工程後にチタンサリサイド工程を用いてソース/ドレイン領域6上にチタンシリサイド膜8を形成してもよい。さらに、上記実施の形態ではソース/ドレイン領域6の形成時にホウ素をイオン注入したが、図20に示すようなチタンシリサイド膜8をソース/ドレイン領域6に形成しない場合は、ソース/ドレイン領域6にフッ化ホウ素をイオン注入してもよい。また、上記実施の形態では、PMOSトランジスタのみの場合について示したが、上記PMOSトランジスタをCMOSトランジスタの一部に、あるいは、上記PMOSトランジスタの製造工程をCMOSトランジスタの製造工程の一部に加えてもよい。
【0099】
次に本実施の形態における発明の効果について説明する。P 型のソース/ドレイン領域6には、窒素がドープされているためにホウ素の拡散が抑制される。つまり、窒素は拡散メカニズムがホウ素と同じ空孔拡散であり、かつ、ホウ素に比べて拡散係数が大きいので、窒素をホウ素と相互拡散させることにより窒素は拡散経路である空孔を先に占有する結果、ホウ素の拡散が抑制でき、ソース/ドレイン領域6の接合面を浅く形成することが可能となる。また、本実施の形態では、窒素注入による弊害を防止するために、窒素の投影飛程がホウ素の投影飛程よりも小さくなるようなエネルギーで窒素を注入したが、ホウ素の拡散は、図21に示すように、窒素注入時の窒素分布の末尾がホウ素注入時のホウ素分布の末尾より深くなくても十分に抑えられる。
【0100】
さらに、イオン注入法により窒素をドープした場合、N型シリコン基板1がアモルファス化され、その後に行われるホウ素イオン注入時のチャネリング現象が抑制できるので、ソース/ドレイン領域6の接合面を浅く形成することが可能となる。また、窒素によるアモルファス化はゲルマニウム及びシリコンのイオン注入による程アモルファス化されないため、結晶を回復させるための高温熱処理を必要とせず、浅い接合面の形成により有効である。さらに、ソース/ドレイン領域6にフッ化ホウ素を注入しないでソース/ドレイン領域6を形成できるので、サリサイド工程を用いてソース/ドレイン領域の低抵抗化を図った場合に、フッ化ホウ素中のフッ素によるシリサイド反応の妨げを無くすことができ、良好な金属シリサイド膜を形成できる。また、窒素を斜め回転イオン注入法でドーピングすることによりホウ素の横方向の拡散がさらに抑制でき、その結果、トランジスタの実効的なゲート長を長くすることが可能となる。
【0101】
また、ソース/ドレイン領域6内部の窒素ドーピング領域30における窒素濃度ピークは、〜1019/cm から〜1021/cm の範囲で設定するのが望ましい。よって、製造工程時の窒素イオンの注入量としては、〜1014/cm から〜1016/cmの範囲で設定してやればよい。窒素濃度ピークが〜1019/cm よりも低くなると上述の効果は得られず、窒素濃度ピークが〜1021/cm3 よりも高くなるとホウ素の活性化率が低下し、ソース/ドレイン領域6の抵抗が上昇する。
【0102】
(実施の形態3)
次に本発明の他の実施の形態について説明する。図22は本発明の第3実施の形態によるPMOSトランジスタを示した断面構造図である。図22において、1、2、5〜7、10、30、35、36は図1あるいは図12に示すものと同一あるいは相当するものである。本実施の形態は実施の形態1と実施の形態2とを組み合わせた発明である。
【0103】
次に図22に示すPMOSトランジスタの製造工程について説明する。まず始めに、通常の素子分離工程によりN型シリコン基板1上に素子分離酸化膜7を形成後、熱酸化により100 Å程度の酸化膜36a を形成し、CVD法により2000Å程度のポリシリコン膜35a を形成する(図23)。次に、フォトリソグラフィーと異方性エッチングによりポリシリコン膜35a と酸化膜36a をゲート電極の形状にパターニングし、それぞれポリシリコン膜35b とゲート酸化膜2を形成する(図示せず)。次に、CVD法により800 Å程度の酸化膜を堆積し(図示せず)、エッチバックすることによりサイドウォール酸化膜5及びゲート酸化膜36b を形成する(図24)。次に、ポリシリコン膜35b 及びソース/ドレイン領域に窒素イオンをポリシリコン膜35b の上部に飛程中心がくるように10keV、2×1015/cm の条件で注入する(図25)。次に、ポリシリコン膜35b 及びソース/ドレイン領域にホウ素イオンを10keV、4×1015/cm の条件で注入する(図26)。次に、850℃、20分程度の熱処理を加えて注入された不純物を活性化させることにより、図22に示すソース/ドレイン領域6、ゲート電極35及び窒素ドーピング領域30を形成する。また、この熱処理時に、ゲート電極35b の上部にドープされた窒素は熱拡散されるが、ゲート酸化膜36b 中においては窒素は偏析し、図2に示すように、窒素濃度ピークの存在するゲート酸化膜36が形成される。またソース/ドレイン領域6及びゲート電極35への窒素注入条件は、それぞれ実施の形態1及び実施の形態2で説明したとおりである。
【0104】
次に図22に示すPMOSトランジスタの他の製造工程について説明する。まず始めに、通常の素子分離工程によりN型シリコン基板1上に素子分離酸化膜7を形成後、熱酸化により100 Å程度の酸化膜36a を形成し、CVD法により2000Å程度のポリシリコン膜35a を形成する(図27)。次に、ポリシリコン膜35a の上部に飛程中心がくるように窒素イオンを20keV、4×1015/cm の条件で注入する(図28)。次に、ポリシリコン膜35a にホウ素イオンを20keV、4×1015/cm の条件で注入する(図29)。次に、フォトリソグラフィーと異方性エッチングによりポリシリコン膜35a をゲート電極の形状にパターニングし、ゲート電極35b を形成する(図示せず)。次に、CVD法により800 Å程度の酸化膜を堆積し(図示せず)、エッチバックすることによりサイドウォール酸化膜5及びゲート酸化膜36b を形成する(図30)。次に、ソース/ドレイン領域に窒素を10keV、2×1015/cm の条件でイオン注入する(図31)。次に、ソース/ドレイン領域にホウ素イオンを10keV、4×1015/cm の条件で注入する(図32)。最後に、850 ℃、20分程度の熱処理を加える。この熱処理における作用は、上記第1の製造工程中で詳述しているのでここではその記載を省略する。
【0105】
この第2の製造工程においては、ゲート電極35には窒素とホウ素が2度注入されることになるが、ゲート電極35のパターニング前にCVD法により2000Å程度の酸化膜を堆積し、その後パターニングすることにより、ゲート電極35に対する不純物導入のストッパー膜となる酸化膜をゲート電極上に形成し、その後の窒素とホウ素のイオン注入においてはソース/ドレイン領域6にのみ注入してもよい。またこの製造工程では、ゲート電極35のパターニング前にホウ素イオン注入を行ったが、該工程を省略してソース/ドレイン領域6へのホウ素イオン注入でゲート電極35へのドーピングを行ってもよい。
【0106】
上記実施の形態では、PMOSトランジスタのみの場合について示したが、上記PMOSトランジスタをCMOSトランジスタの一部に、あるいは、上記PMOSトランジスタの製造工程をCMOSトランジスタの製造工程の一部に加えてもよい。また図33に示すように、ゲート電極35及びソース/ドレイン領域6を低抵抗化するために、図26又は図32に示す工程後にチタンサリサイド工程を用いてゲート電極35及びソース/ドレイン領域6上にチタンシリサイド8を形成してもよい。
【0107】
次に本実施の形態における発明の効果について説明する。ゲート電極35中には窒素がドープされているため、実施の形態2で詳述したようにホウ素の拡散が抑制され、ホウ素がゲート酸化膜36を突き抜けてチャネル領域10に侵入するのを抑制でき、閾値電圧の変動が効果的に抑制できる。また、ゲート電極35上部に窒素をドープし、熱処理を行うことにより、窒素がゲート酸化膜36に析出する。その結果、シリコン酸化膜/シリコンの界面準位が減少し、ゲート酸化膜36の信頼性を向上せしめ、かつ、ホットキャリア耐性を効果的に向上せしめる。さらに、ソース/ドレイン領域6には窒素がドーピングされているので、実施の形態1で詳述したようにホウ素の拡散が抑制され、ソース/ドレイン領域6の接合面を浅く形成することが可能となる。また、工程数は増加するが、ゲート電極35とソース/ドレイン領域6への窒素ドーピング工程を別々に行うことにより、それぞれの窒素プロファイルを変化させ、最適化することが可能となり、ホウ素のゲート酸化膜36の突き抜け及びソース/ドレイン領域6中の拡散をさらに効果的に抑制せしめる。
【0108】
(実施の形態4)
次に本発明の他の実施の形態について説明する。図34は本発明の第4実施の形態によるNMOSトランジスタを示した断面構造図である。図において、4、5、7、10は従来図145 に示すものと同一あるいは相当するものである。40はP型シリコン基板、斜線部30は窒素ドーピング領域を示し、N 型ゲート電極41及びゲート酸化膜42中に存在する。43はチャネル領域10を挟んで形成されるN 型ソース/ドレイン領域、44はN 型ソース/ドレイン領域に隣接して形成されるN 型ソース/ドレイン領域である。N 型ソース/ドレイン領域43とN 型ソース/ドレイン領域44とでLDD(Lightly−Doped Drain)構造のNMOSトランジスタを構成している。図35は図34に示すNMOSトランジスタのN 型ゲート電極41及びゲート酸化膜42の深さ方向のプロファイルを示した図である。図35により、ゲート酸化膜42中に窒素が析出していることが解る。ここで、窒素の析出とは、ある一定の位置に窒素がトラップられて濃度が高くなる状態を示す。
【0109】
次に図34に示すNMOSトランジスタの製造工程について説明する。まず始めに、通常の素子分離構成によりP型シリコン基板40上に素子分離酸化膜7を形成後、熱酸化により100 Å程度の酸化膜42a を形成し、CVD法により2000Å程度のポリシリコン膜41a を形成する(図36)。次に、ポリシリコン膜41a の上部に飛程中心がくるように窒素イオンを20keV、1×1016/cm の条件で注入する(図37)。次に、ポリシリコン膜41a にヒ素イオンを30keV、4×1015/cm の条件で注入する(図38)。次に、フォトリソグラフィーと異方性エッチングによりポリシリコン膜41a をゲート電極の形状にパターニングし、ゲート電極41b を形成する(図示せず)。次に、N型ソース/ドレイン領域にヒ素イオンを45°の入射角でP型シリコン基板40を回転させながら50keV、4×1013/cm の条件で注入する(図39)。次に、CVD法により800 Å程度の酸化膜を堆積し(図示せず)、エッチバックすることによりサイドウォール酸化膜5及びゲート酸化膜42bを形成する(図40)。次に、N 型ソース/ドレイン領域にヒ素イオンを50keV、4×1015/cm の条件で注入する(図41)。
【0110】
最後に850 ℃、20分程度の熱処理を加えることにより注入された不純物を活性化させ、図34に示すN 型ソース/ドレイン領域43、N 型ソース/ドレイン領域44、ゲート電極41及び窒素ドーピング領域30を形成する。また、この熱処理時に、ゲート電極41b の上部にドープされた窒素は熱拡散されるが、ゲート酸化膜42b 中においては窒素は偏析し、図35に示すように、窒素濃度ピークの存在するゲート酸化膜36が形成される。また、本実施の形態においても、ゲート電極41への窒素注入条件は、実施の形態2で説明したとおりである。つまり、窒素の投影飛程RPは、その標準偏差を△RP とすると、N 型ゲート電極44とゲート酸化膜42の界面から5×△RP となる位置より上の位置のゲート電極41中にくるように設定する。
【0111】
以上の説明では、ポリシリコン膜にヒ素をイオン注入することによりN型にドープされたゲート電極41を形成したが、リンを5×1020/cm 程度にドープしたドープドポリシリコン膜を用いてN型にドープされたゲート電極41を形成してもよい。また、本実施の形態では、NMOSトランジスタのみの場合について示したが、上記NMOSトランジスタをCMOSトランジスタの一部に、あるいは、上記NMOSトランジスタの製造工程をCMOSトランジスタの製造工程の一部に加えてもよい。
【0112】
次に本実施の形態における発明の効果について説明する。ゲート電極41上部には窒素がドープされているため、その後の熱処理により、窒素がゲート酸化膜42に析出する。その結果、シリコン酸化膜/シリコンの界面準位が減少し、ゲート酸化膜42の信頼性を向上せしめ、かつ、ホットキャリア耐性を効果的に向上せしめる。ゲート酸化膜42の信頼性の評価については実施の形態1中の図9で説明したとおりである。また、NMOSトランジスタのホットキャリア注入による閾値電圧の窒素注入量依存性を図42に示す。図42は、一定のストレス電圧を1000秒印加後、閾値電圧の変化を測定したもので、ゲート電極41に対する窒素注入量を増加させると閾値電圧の変化が減少することから、ゲート電極に窒素をドープし、窒素をゲート酸化膜42に析出させると、NMOSトランジスタのホットキャリア耐性が向上することが解る。
【0113】
また、ゲート電極41及びゲート酸化膜42内部の窒素ドーピング領域30における窒素濃度ピークは、〜1019/cm3 から〜1021/cm の範囲で設定するのが望ましい。よって、製造工程時の窒素イオンの注入量としては、〜1014/cm から〜1016/cm の範囲で設定してやればよい。窒素濃度ピークが〜1019/cm3 よりも低くなると上述の効果は得られず、ゲート酸化膜42中の窒素濃度ピークが〜1021/cm よりも高くなると、チャネル電子の移動度が劣化し、MOSトランジスタ特性が劣化する。
【0114】
(実施の形態5)
次に本発明の他の実施の形態について説明する。図43は本発明の第5実施の形態によるNMOSトランジスタを示した断面構造図である。図において、2、3、4、5、7、10、30、40、43、44は従来図145 あるいは実施の形態図34に示すものと同一あるいは相当するものである。つまり、本実施の形態におけるNMOSトランジスタにおいては、N 型ソース/ドレイン領域43の内部に窒素ドーピング領域30が形成されている。図44はNMOSトランジスタのN 型ソース/ドレイン領域43の深さ方向のプロファイルを示した図である。図44により、N 型ソース/ドレイン領域43の接合面には窒素はドープされず、ヒ素がドープされて形成されるN 型ソース/ドレイン領域43の内部に窒素ドーピング領域30が存在することがわかる。
【0115】
次に図43に示すNMOSトランジスタの製造工程について説明する。まず、通常の素子分離工程によりP型シリコン基板40上に素子分離酸化膜7を形成後、熱酸化により100 Å程度の酸化膜2aを形成し、該酸化膜上にCVD法によりリンを5×1020/cm 程度にドープしたポリシリコン膜を2000Å程度形成し、さらに該ポリシリコン膜上に2000Å程度の酸化膜を形成する(図示せず)。次に、フォトリソグラフィーと異方性エッチングにより酸化膜及びポリシリコン膜をゲート電極の形状にパターニングし、それぞれ酸化膜4及びゲート電極3を形成する(図45)。次に、N 型ソース/ドレイン領域にヒ素イオンを45°の入射角でP型シリコン基板40を回転させながら50keV、4×1013/cm の条件で注入する(図46)。次に、CVD法により800 Å程度の酸化膜を堆積させ(図示せず)、エッチバックすることによってサイドウォール酸化膜5及びゲート酸化膜2を形成し、さらにN 型ソース/ドレイン領域に窒素イオンを10keV、2×1015/cm の条件で注入する(図47)。次に、N 型ソース/ドレイン領域にヒ素イオンを50keV、4×1015/cm の条件で注入する(図48)。次に、850 ℃、20分程度の熱処理を加えることにより注入された不純物を活性化させ、図43に示すN 型ソース/ドレイン領域43、N 型ソース/ドレイン領域44及び窒素ドーピング領域30を形成する。
【0116】
ここで、上記製造工程中での窒素の注入条件については、実施の形態1で説明した通りである。つまり、窒素の注入条件は窒素の投影飛程がヒ素の投影飛程よりも小さくなるようなエネルギーで注入することである。
【0117】
以上の説明では、リンドープドポリシリコンを堆積させてゲート電極を形成したが、ノンドープポリシリコンを堆積させた後にN型の不純物を注入してゲート電極を形成してもよい。また、ゲート電極のシート抵抗を下げるために金属シリサイドとポリシリコンの積層構造のゲート電極を用いてもよい。また図49に示すように、ソース/ドレイン領域を低抵抗化するために、図48に示す工程後にチタンサリサイド工程を用いてN 型ソース/ドレイン領域44上にチタンシリサイド8を形成してもよい。また、上記実施の形態では、NMOSトランジスタのみの場合について示したが、上記NMOSトランジスタをCMOSトランジスタの一部に、あるいは、上記NMOSトランジスタの製造工程をCMOSトランジスタの製造工程の一部に加えてもよい。
【0118】
次に本実施の形態における発明の効果について説明する。N 型ソース/ドレイン領域44内には窒素がドープされているため、ヒ素の拡散が抑制される。つまり、実施の形態1でホウ素と窒素の関係について詳述したことがヒ素と窒素の関係についてもいえるので、窒素とヒ素とを相互拡散させることにより、ヒ素の拡散を抑制でき、従来よりもソース/ドレイン領域の接合面を浅く形成することが可能となる。
【0119】
また、N 型ソース/ドレイン領域44部の窒素ドーピング領域30における窒素濃度ピークは、〜1019/cm3 から〜1021/cm3 の範囲で設定するのが望ましい。よって、製造工程時の窒素イオンの注入量としては、〜1014/cm から〜1016/cm の範囲で設定してやればよい。窒素濃度ピークが〜1019/cm よりも低くなると上述の効果は得られず、窒素濃度ピークが〜1021/cm3 よりも高くなるとヒ素の活性化率が低下し、N 型ソース/ドレイン領域44の抵抗が上昇する。
【0120】
(実施の形態6)
次に本発明の他の実施の形態について説明する。図50は本発明の第6の実施の形態を示すデュアルゲートCMOSトランジスタの断面構成図である。図50において、10〜14、20、21、23は従来図158 と同一あるいは相当するものである。斜線部30は窒素ドーピング領域を示し、PMOSトランジスタにおいてはソース/ドレイン領域21内部、P 型ポリシリコン膜50及びゲート酸化膜47中に存在し、NMOSトランジスタにおいてはN 型ポリシリコン膜51及びゲート酸化膜48中に存在する。52はPウェル14中にチャネル領域10を挟んで形成されるN 型ソース/ドレイン領域、53はN 型ソース/ドレイン領域に隣接して形成されるN 型ソース/ドレイン領域である。P 型ポリシリコン膜50、N 型ポリシリコン膜51、P 型のソース/ドレイン領域21及びN 型ソース/ドレイン領域53上にはチタンシリサイド膜23が形成され、2層構造のゲート電極を構成するとともに、ソース/ドレイン領域の低抵抗化をも図っている。
【0121】
次に図50に示すデュアルゲートCMOSトランジスタの製造工程について説明する。まず、P型シリコン基板11にNウェル13及びPウェル14を形成後、通常の素子分離工程によりP型シリコン基板11上に素子分離酸化膜12を形成する。次に、熱酸化により100 Å程度の酸化膜49を形成し、CVD法により2000Å程度のポリシリコン膜55を堆積させる(図51)。次に、ポリシリコン膜55の上部に飛程中心がくるように窒素イオンを20keV、4×1015/cm の条件で注入する(図52)。次に、PMOSトランジスタ形成領域をレジスト60で覆い、NMOSトランジスタ形成領域のポリシリコン膜55にヒ素イオンを30keV、4×1015/cm2 の条件で注入する(図53)。次に、レジスト60を除去した後、NMOSトランジスタ形成領域をレジスト61で覆い、PMOSトランジスタ形成領域のポリシリコン膜55にホウ素イオンを20keV、4×1015/cm の条件で注入する(図54)。次に、レジスト61を除去した後、フォトリソグラフィーと異方性エッチングによりポリシリコン膜55をPMOSトランジスタ及びNMOSトランジスタのゲート電極の形状にパターニングし、ポリシリコン膜50a とポリシリコン膜51a を形成する(図55)。次に、PMOSトランジスタ形成領域をレジスト62で覆い、Pウェル14上のN 型ソース/ドレイン領域にヒ素イオンを45°の入射角でP型シリコン基板11を回転させながら50keV、4×1013/cm の条件で注入する(図56)。次に、レジスト62を除去した後、CVD法により800 Åの酸化膜を堆積させ(図示せず)、エッチバックすることによりサイドウォール酸化膜20、ゲート酸化膜47a 及びゲート酸化膜48a を形成する(図57)。次に、PMOSトランジスタ形成領域をレジスト63で覆い、Pウェル14上のN 型ソース/ドレイン領域にヒ素イオンを50keV、4×1015/cm の条件で注入する(図58)。次に、レジスト63を除去した後、NMOSトランジスタ形成領域をレジスト64で覆い、Nウェル13上のソース/ドレイン領域に窒素イオンを10keV、2×1015/cm の条件で注入後、ホウ素イオンを10keV、4×1015/cm2 の条件で注入する(図59)。
【0122】
次に、レジスト64を除去した後、850 ℃、20分程度の熱処理を加えることにより注入された不純物を活性化させ、図50に示すソース/ドレイン領域21、P 型ポリシリコン膜50、N 型ソース/ドレイン領域52、N 型ソース/ドレイン領域53、N 型ゲート電極51及び窒素ドーピング領域30を形成する。また、この熱処理時に、ポリシリコン膜50a 及びポリシリコン膜51a の上部にドープされた窒素は熱拡散されるが、ゲート酸化膜47a 及びゲート酸化膜48a 中においては窒素は偏析し、窒素濃度ピークの存在するゲート酸化膜47及びゲート酸化膜48が形成される(図示せず)。次に、スパッタ法により500 Å程度のチタンを堆積させ、700 ℃、30秒程度の熱処理を加えることによりP 型ポリシリコン膜50、51、P 型のソース/ドレイン領域21及びN 型ソース/ドレイン領域53上にチタンシリサイド膜23を形成し、酸化膜上の未反応のチタンを除去することにより(図示せず)、図50に示すデュアルゲートCMOSトランジスタが形成される。
【0123】
次に図50に示すデュアルゲートCMOSトランジスタの他の製造工程について説明する。まず、前述の製造工程により図51に至るまで形成する。次に、PMOSトランジスタ形成領域をレジスト60で覆い、ポリシリコン膜55の上部に飛程中心がくるように窒素イオンを25keV、1×1016/cm2 の条件で注入する(図60)。次に、レジスト60をそのままの状態にして、ポリシリコン膜55にヒ素イオンを30keV、4×1015/cm の条件で注入する(図61)。次に、レジスト60を除去後、NMOSトランジスタ形成領域をレジスト61で覆い、ポリシリコン膜55の上部に飛程中心がくるように窒素イオンを15keV、4×1015/cm の条件で注入する(図62)。次に、レジスト61をそのままの状態にして、ポリシリコン膜55にホウ素イオンを20keV、4×1015/cm の条件で注入する(図63)。次に、レジスト61を除去した後、フォトリソグラフィー及び異方性エッチングを用いてポリシリコン膜55をPMOSトランジスタ及びNMOSトランジスタのゲート電極の形状にパターニングし、それぞれポリシリコン膜50a 及びポリシリコン膜51a を形成する(図64)。以下の工程は前述の製造工程(図面では図56から図59までが対応する)と同一であるので、ここではその説明を省略する。
【0124】
以上2通りの製造工程では、ポリシリコン膜50a にホウ素をドープする工程とソース/ドレイン領域にホウ素をドープする工程と別々の工程で行ったが、ポリシリコン膜50a へのドーピングをソース/ドレイン領域へのドーピング工程で兼ねて行ってもよい。また、ポリシリコン膜にヒ素をドープする工程をN 型ソース/ドレイン領域又はN 型ソース/ドレイン領域にヒ素をドープする工程で兼ねて行ってもよい。
【0125】
次に本実施の形態の効果について説明する。PMOSトランジスタ領域において、P 型ポリシリコン膜50及びP型のソース/ドレイン領域21内には窒素がドープされているため、実施の形態1及び実施の形態2で詳述したような効果を得ることができ、さらに、NMOSトランジスタ領域において、N 型ポリシリコン膜51に窒素がドープされているため、実施の形態4で詳述した効果を得ることができる。また、窒素イオンをポリシリコン膜50a に注入する工程とN 型ポリシリコン膜51a に注入する工程とを別々の工程で行う製造方法においては、ポリシリコン膜50a 及びポリシリコン膜51a に注入されるイオンの性質に応じてそれぞれの窒素プロファイルを最適化することができ、PMOSトランジスタ領域におけるP 型ポリシリコン膜50からのホウ素の突き抜け及びNMOSトランジスタ領域におけるゲート酸化膜/シリコン基板の界面準位の発生をさらに効果的に抑制せしめる。
【0126】
(実施の形態7)
次に本発明の他の実施の形態について説明する。図65は本発明の第7の実施の形態を示すデュアルゲートCMOSトランジスタの断面構成図である。図65において、10〜14、20、21、50〜53は実施の形態図50と同一あるいは相当するものである。70はタングステンシリサイド膜であり、P 型ポリシリコン膜50上に形成される。タングステンシリサイド膜70とP 型ポリシリコン膜50の2層構造によりPMOSトランジスタのゲート電極を構成し、該ゲート電極及びゲート酸化膜47中に斜線で示す窒素ドーピング領域30が存在する。また、タングステンシリサイド膜70上には酸化膜19が形成される。71はタングステンシリサイド膜であり、N 型ポリシリコン膜51上に形成される。タングステンシリサイド膜71とN 型ポリシリコン膜51の2層構造によりNMOSトランジスタのゲート電極を構成し、該ゲート電極及びゲート酸化膜48中に斜線で示す窒素ドーピング領域30が存在する。また、タングステンシリサイド膜71上には酸化膜19が形成される。図66はPMOSトランジスタのゲート電極及び酸化膜47の深さ方向のプロファイルを示した図であり、図67はNMOSトランジスタのゲート電極及びゲート酸化膜48の深さ方向のプロファイルを示した図である。図66により、PMOSトランジスタのゲート電極において、P 型ポリシリコン膜50とタングステンシリサイド膜70の界面に窒素の濃度ピークが存在し、ゲート酸化膜47中には窒素が析出していることが解る。また、図67により、NMOSトランジスタのゲート電極において、N 型ポリシリコン膜51とタングステンシリサイド膜71の界面に窒素の濃度ピークが存在し、ゲート酸化膜48中には窒素が析出していることが解る。
【0127】
次に図65に示すデュアルゲートCMOSトランジスタの製造工程について説明する。まず、P型シリコン基板11にNウェル13及びPウェル14を形成後、通常の素子分離工程によりP型シリコン基板11上に素子分離酸化膜12を形成する(図示せず)。次に、熱酸化により100 Å程度の酸化膜49を形成し、CVD法により2000Å程度のポリシリコン膜55を堆積させる(図68)。次に、スパッタ法により1000Å程度のタングステンシリサイド膜72を堆積させる(図69)。次に、ポリシリコン膜55とタングステンシリサイド膜72の界面近傍に飛程中心がくるように窒素イオンを40keV、1×1016/cm2 の条件で注入する(図70)。次にPMOSトランジスタ形成領域をレジスト60で覆い、NMOSトランジスタ形成領域のポリシリコン膜55にヒ素イオンを120 keV、4×1015/cm の条件で注入する(図71)。次に、レジスト60を除去後、NMOSトランジスタ形成領域をレジスト61で覆い、PMOSトランジスタ形成領域のポリシリコン膜55にホウ素イオンを30keV、4×1015/cm2 の条件で注入する(図72)。次に、レジスト61を除去後、CVD法により2000Å程度の酸化膜を堆積させ(図示せず)、フォトリソグラフィーと異方性エッチングにより酸化膜、タングステンシリサイド膜72及びポリシリコン膜55をゲート電極の形状にパターニングし、酸化膜19、タングステンシリサイド膜70a 、タングステンシリサイド膜71a 、ポリシリコン膜50a 及びポリシリコン膜51a を形成する(図73)。次に、PMOSトランジスタ形成領域をレジスト62で覆い、N 型ソース/ドレイン領域にヒ素イオンを45°の入射角でP型シリコン基板11を回転させながら50keV、4×1013/cm2 の条件で注入する(図74)。
【0128】
次に、レジスト62を除去後、CVD法により800 Åの酸化膜を堆積させ、エッチバックすることにより、サイドウォール酸化膜20、ゲート酸化膜47a 及びゲート酸化膜48a を形成し(図示せず)、PMOSトランジスタ形成領域をレジスト63で覆い、N 型ソース/ドレイン領域にヒ素イオンを50keV、4×1013/cmの条件で注入する(図75)。次に、レジスト63を除去後、NMOSトランジスタ形成領域をレジスト64で覆い、PMOSトランジスタのソース/ドレイン領域に窒素を10keV、2×1015/cm の条件で注入後、ホウ素イオンを10keV、4×1015/cm の条件で注入する(図76)。次に、レジスト64を除去後、850 ℃、20分程度の熱処理を加えることにより注入された不純物を活性化させ、図65に示すタングステンシリサイド膜70、71、P 型ポリシリコン膜50、N 型ポリシリコン膜51、ソース/ドレイン領域21、N 型ソース/ドレイン領域52、N 型ソース/ドレイン領域53及び窒素ドーピング領域30を形成する。また、この熱処理時に、ポリシリコン膜50a とタングステンシリサイド膜70a の界面及びポリシリコン膜51a とタングステンシリサイド膜71a の界面にドープされた窒素は熱拡散されるが、ゲート酸化膜47a 及びゲート酸化膜48a 中においては窒素は偏析し、図66及び図67に示すように窒素濃度ピークの存在するゲート酸化膜47及びゲート酸化膜48が形成される。
【0129】
次に本実施の形態における発明の効果について説明する。P 型ポリシリコン膜50とタングステンシリサイド膜70との界面近傍及びN 型ポリシリコン膜51とタングステンシリサイド膜71との界面近傍には窒素がドープされているため、ホウ素のタングステンシリサイド膜70中への拡散及びヒ素のタングステンシリサイド膜71中への拡散が抑制される。つまり、窒素の拡散係数がホウ素やヒ素に比べて大きいために、窒素が拡散経路を先に占有する結果、ホウ素のタングステンシリサイド膜70中への拡散及びヒ素のタングステンシリサイド膜71中への拡散を抑制し、ホウ素とヒ素の相互拡散による仕事関数の変化に起因した閾値電圧の変動を効果的に抑制せしめる。なお、本実施の形態では、ソース/ドレイン領域21内部に窒素ドーピング領域30を形成したが、ソース/ドレイン領域21をフッ化ホウ素イオンを例えば20keV、4×1015/cm の条件で注入して形成する場合は、ソース/ドレイン領域21内部の窒素ドーピング領域30は形成しなくてもよい。
【0130】
(実施の形態8)
図77はこの発明の第8実施の形態を示すPMOS−TFTの断面構造図である。図において、101 〜105 は従来図100 に示すTFTと同一あるいは相当する部分を示す。斜線部110 は窒素のドープされた領域である窒素ドーピング領域を示す。図78は図77のa−a’断面における深さ方向の不純物プロファイルを示し、図79は図77のb−b’断面における深さ方向の不純物プロファイルを示す。図78及び図79より、窒素ドーピング領域110 は、ソース端面及びドレイン端面の外側にあるチャネル領域まで形成されることがわかる。
【0131】
次に図77に示すTFTの製造工程について説明する。まず、半導体基板101 に絶縁膜102 を形成した後、CVD法によりノンドープポリシリコン層を2000Å程度堆積させる。次に、該ノンドープポリシリコン層にホウ素をイオン注入し、P型にドープされたポリシリコン層を形成した後、写真製版工程と異方性エッチングにより、該ポリシリコン層をゲート電極の形状にパターニングし、ゲート電極103 を形成する(図示せず)。次に、熱酸化により、100 Åのゲート絶縁膜104を形成した後、CVD法によりノンドープ多結晶シリコン層を2000Å程度堆積させる。次に、閾値電圧を制御するために、該ノンドープ多結晶シリコン層にヒ素を50keV、1×1012〜1×1013/cm の条件でイオン注入し、N型にドープされたポリシリコン層を形成する。次に、該多結晶シリコン層を写真製版工程と異方性エッチングを用いてチャネル領域、ソース領域及びドレイン領域となる領域を残すようにパターニングし、所望の形状の多結晶ポリシリコン層105 を形成する(図80)。次に、写真製版工程を用いてチャネル領域にレジスト107 を設け、窒素を15°〜60°の入射角で半導体基板101 を回転させながら10keV、2×1015/cm の条件でイオン注入する(図81)。次に、10keV、4×1015/cm の条件でフッ化ホウ素をイオン注入し(図82)、850 ℃、20分程度の熱処理を加えて注入された不純物を活性化させ、図77に示すようなP型のソース領域105b、ドレイン領域105cを形成するのと同時に、窒素ドーピング領域110 を形成する。
【0132】
ここで、窒素注入条件とソース/ドレイン注入条件の関係について記述する。窒素の注入エネルギーは、その飛程RP がフッ化ホウ素の飛程RP よりも小さくなるように設定する。窒素ドーピング領域110 がソース/ドレイン接合面よりも深く形成されると、窒素注入時に形成される結晶欠陥がソース/ドレイン接合面に形成される空乏層内に含まれることになり、接合リーク電流を発生させる要因となるからである。
【0133】
以上の説明では、ゲート電極にはフッ化ホウ素をイオン注入したが、ホウ素を用いても問題はない。また、P型のゲート電極ではなく、N型のゲート電極を用いても問題はない。また、P型のソース/ドレイン領域にもフッ化ホウ素イオンを用いたが、ホウ素イオンを用いてもよい。また、上記実施の形態では、PチャネルMOS薄膜トランジスタの場合について示したが、CMOS薄膜トランジスタの一部に上記PチャネルMOS薄膜トランジスタを、あるいは、CMOSプロセスの一部に上記プロセスを加えても問題はない。
【0134】
次に本実施の形態における発明の効果について説明する。ソース領域105b及びドレイン領域105cには窒素がドーピングされているため、ホウ素の拡散が抑制される。つまり、窒素は拡散メカニズムがホウ素と同じ空孔拡散であり、かつ、ホウ素に比べて拡散係数が大きいため、窒素をホウ素と相互拡散させることにより、窒素が拡散経路である空孔を先に占有する結果、ホウ素の拡散が抑制できる。従って、窒素の作用により、ホウ素のチャネル領域への横方向拡散が抑制され、実効的なゲート長を長くでき、ショートチャネル効果によるパンチスルーが発生するのを防止できる。また、窒素を斜め回転注入することにより、さらに一層ホウ素の横方向拡散が抑制される。
【0135】
(実施の形態9)
第8実施の形態では、本発明をPMOS−TFTに適用した場合について説明したが、第9実施の形態では本発明をNチャネルMOS−TFT(以後、NMOS−TFTと称す。)に適用した場合について説明する。NMOS−TFTを構成する場合、図77において、注入される不純物の導電型をPMOS−TFTを構成する場合と逆にしてやればよい。つまり、ゲート電極103 、ソース領域105b及びドレイン領域105cはN型にドープし、チャネル領域105aはP型にドープする。図83は図77に示すTFTをNチャネル型で形成した場合にa−a’断面における深さ方向の不純物プロファイルを示し、図84はb−b’断面における深さ方向の不純物プロファイルを示す。図83及び図84より、窒素ドーピング領域110 は、ソース端面及びドレイン端面の外側にあるチャネル領域まで形成されることがわかる。
【0136】
次に本発明におけるNMOS−TFTの製造工程について説明する。基本的には、実施の形態8で詳述したPMOS−TFTの製造工程と同一であるため、図面は図80〜図82を用いる。但し、不純物注入条件が異なるため、ここでの不純物で実施の形態7と異なる場合は、図面中()内に記載されたものを採用する。まず、半導体基板101 に絶縁膜102 を形成した後、CVD法によりノンドープポリシリコン層を2000Å程度堆積させる。次に、該ノンドープポリシリコン層にヒ素をイオン注入し、N型にドープされたポリシリコン層を形成した後、写真製版工程と異方性エッチングにより、該ポリシリコン層をゲート電極の形状にパターニングし、ゲート電極103 を形成する(図示せず)。次に、熱酸化により、100 Åのゲート絶縁膜104 を形成した後、CVD法によりノンドープポリシリコン層を2000Å程度堆積させる。次に、閾値電圧を制御するために、該ノンドープポリシリコン層にフッ化ホウ素を20keV、1×1012〜1×1013/cm の条件でイオン注入し、P型にドープされたポリシリコン層を形成する。次に、該ポリシリコン層を写真製版工程と異方性エッチングを用いてチャネル領域、ソース領域及びドレイン領域となる領域を残すようにパターニングし、所望の形状のポリシリコン層105 を形成する(図80)。次に、写真製版工程を用いてチャネル領域にレジスト107 を設け、窒素を15°〜60°の入射角で半導体基板101 を回転させながら10keV、2×1015/cm2 の条件でイオン注入する(図81)。次に、30keV、4×1015/cm の条件でヒ素をイオン注入し(図82)、850 ℃、20分程度の熱処理を加えて注入された不純物を活性化させ、N型のソース領域105b、ドレイン領域105cを形成するのと同時に、窒素ドーピング領域110 を形成する(図82)。
【0137】
本実施の形態においても、窒素注入条件とソース/ドレイン注入条件の関係については実施の形態8と同様である。つまり、窒素の注入エネルギーは、その飛程RP がヒ素の飛程RP よりも小さくなるように設定する。
【0138】
以上の説明では、ゲート電極には、ヒ素注入を用いたが、リンを用いても問題はない。また、N型のゲート電極ではなく、P型のゲート電極を用いても問題はない。また、N型のソース/ドレイン領域にもヒ素を用いたが、リンイオン注入を用いてもよい。また、上記実施の形態では、NチャネルMOS薄膜トランジスタの場合について示したが、CMOS薄膜トランジスタの一部に上記NMOS薄膜トランジスタあるいはCMOSプロセスの一部に上記プロセスを加えても問題はない。
【0139】
次に、本実施の形態における発明の効果について説明する。本実施の形態においても実施の形態8と同様に、N型のソース/ドレイン領域に窒素がドープされているため、ヒ素あるいはリンの拡散が抑制される。つまり、実施の形態8でホウ素と窒素の関係について詳述したことがヒ素と窒素、あるいは、リンと窒素の関係についてもいえるので、窒素とヒ素とを相互拡散させることにより、ヒ素の拡散を抑制できる。よって、窒素の作用により、ヒ素あるいはリンのチャネル領域への横方向拡散が抑制され、実効的なゲート長を長くでき、ショートチャネル効果によるパンチスルーを防止することができる。また、窒素を斜め回転注入することにより、さらに一層リンあるいはヒ素の横方向拡散が抑制される。
【0140】
(実施の形態10)
図85はこの発明の第10実施の形態を示すPMOS−TFTの断面構造図である。図において、101 〜103 、105 、110 は図77に示すTFTと同一あるいは相当する部分を示す。但し、本実施の形態においては、斜線部に示す窒素ドーピング領域110はソース領域105b及びドレイン領域105cのみならず、ポリシリコン層105及びゲート絶縁膜111 に形成されている。図86は図85のa−a’断面における深さ方向の不純物プロファイルを示す。図85のb−b’断面における深さ方向の不純物プロファイルは、図78と同一である。図86より、ゲート絶縁膜111 には、窒素が析出していることが解る。
【0141】
次に本実施の形態におけるPMOS−TFTの製造工程について説明する。実施の形態8に記載した工程で、ゲート電極103 までを形成する。次に、熱酸化により、100 Åのゲート絶縁膜111aを形成した後、CVD法によりノンドープ多結晶シリコン層106 を2000Å程度堆積させる(図示せず)。次に、該ノンドープ多結晶シリコン層106 に窒素を15°〜60°の入射角で半導体基板101 を回転させながら10keV、2×1015/cm2 の条件でイオン注入する(図87)。更に、閾値電圧を制御するために、ポリシリコン層106 にヒ素を50keV、1×1012〜1×1013/cm の条件でイオン注入し(図示せず)、ポリシリコン層106 を写真製版工程と異方性エッチングを用いてチャネル領域、ソース領域及びドレイン領域となる領域を残すようにパターニングし、所望の形状のポリシリコン層105 を形成する(図88)。次に、写真製版工程を用いてチャネル領域にレジスト107 を設け、30keV、4×1015/cm の条件でフッ化ホウ素をイオン注入し(図89)、850 ℃、20分程度の熱処理を加えて注入された不純物を活性化させることにより、図85に示すP型のソース領域105b、ドレイン領域105c及び窒素ドーピング領域110 を形成する。また、この熱処理時に、ポリシリコン膜105 に注入された窒素が熱拡散され、ゲート絶縁膜111a中に窒素が偏析し、窒素ドーピング領域110 を持つゲート絶縁膜111 が形成される。
【0142】
ここで、窒素注入条件とソース/ドレイン注入条件の関係については実施の形態1と同一である。つまり、窒素の注入エネルギーは、その飛程RP がフッ化ホウ素の飛程RP よりも小さくなるように設定する。
【0143】
上記製造工程では、窒素の回転斜め注入法を用いたが、垂直注入を行い、後の熱処理によってゲート電極3の側壁部のチャネル部に窒素を拡散させてもよい。
【0144】
次に、本実施の形態による発明の効果について説明する。ゲート絶縁膜111 中には窒素が偏析しているため、ポリシリコン層/シリコン酸化膜(ゲート絶縁膜)の界面準位が減少し、ゲート絶縁膜111 の信頼性を向上せしめる。つまり、界面準位の減少によりドレイン端で発生したホットキャリアがゲート絶縁膜111 中にトラップされるのを抑制でき、効果的にホットキャリア耐性を向上せしめる。また、ソース/ドレイン領域にも窒素がドープされているので、実施の形態8で詳述した効果、即ち、ソース/ドレイン領域を構成する不純物の拡散に起因するパンチスルーの発生を防止できる。
【0145】
(実施の形態11)
第10実施の形態では、本発明をPMOS−TFTに適用した場合について説明したが、第11実施の形態では本発明をNMOS−TFTに適用した場合について説明する。NMOS−TFTを構成する場合、図85において、注入される不純物の導電型をPMOS−TFTを構成する場合と逆にしてやればよい。つまり、ゲート電極103 、ソース領域105b及びドレイン領域105cはN型にドープし、チャネル領域105aはP型にドープする。図90は図85に示すTFTをNチャネル型で形成した場合のa−a’断面における深さ方向の不純物プロファイルを示す。b−b’断面における深さ方向の不純物プロファイルについては、図83と同一である。図90より、ゲート絶縁膜111 には、窒素が析出しているのが解る。
【0146】
次に本実施の形態におけるNMOS−TFTの製造工程について説明する。基本的には、実施の形態10で詳述したPMOS−TFTの製造工程と同一であるため、図面は図87〜図89を用いる。但し、不純物注入条件が異なるため、ここでの不純物で実施の形態10と異なる場合は、図面中()内に記載されたものを採用する。実施の形態8に記載した工程で、ゲート電極103 までを形成する。次に、熱酸化により、100Åのゲート絶縁膜111aを形成した後、CVD法によりノンドープポリシリコン層を2000Å程度堆積させる。次に、該ノンドープポリシリコン層に窒素を15°〜60°の入射角で半導体基板101 を回転させながら10keV、2×1015/cm の条件でイオン注入し(図87)、更に、閾値電圧を制御するために、ポリシリコン層にフッ化ホウ素を30keV、1×1012〜1×1013/cm の条件でイオン注入する(図示せず)。次に、ポリシリコン層を写真製版工程と異方性エッチングを用いてチャネル領域、ソース領域及びドレイン領域となる領域を残すようにパターニングし、所望の形状の多結晶ポリシリコン層105 を形成する(図88)。次に、写真製版工程を用いてチャネル領域にレジスト107 を設け、30keV、4×1015/cm2 の条件でヒ素をイオン注入し(図89)、850 ℃、20分程度の熱処理を加えて注入された不純物を活性化させることにより、N型のソース領域105b、ドレイン領域105c及び窒素ドーピング領域110 を形成する。また、この熱処理時にポリシリコン膜105 に注入された窒素が熱拡散され、ゲート絶縁膜111a中に窒素が偏析し、窒素ドーピング領域を持つゲート絶縁膜111 が形成される(図89)。以上の工程を経て、図85に示すTFTが完成する。
【0147】
次に、本実施の形態による発明の効果について説明する。チャネル領域下のゲート絶縁膜111a中には窒素が偏析しているため、ポリシリコン層/シリコン酸化膜(ゲート絶縁膜)の界面準位が減少し、ゲート絶縁膜111 の信頼性を向上せしめる。つまり、界面準位の減少によりドレイン端で発生したホットキャリアがゲート絶縁膜111 中にトラップされるのを抑制でき、効果的にホットキャリア耐性を向上せしめる。また、ソース/ドレイン領域にも窒素がドープされているので、実施の形態8で詳述した効果、即ち、ソース/ドレイン領域を構成する不純物の拡散に起因するパンチスルーの発生を防止できる。
【0148】
(実施の形態12)
図91は本発明の第12実施の形態を示すPMOS−TFTの断面構造図である。図において、101 、102 、105 、110 、111 は図77に示すTFTと同一あるいは相当する部分を示す。但し、本実施の形態においては窒素ドーピング領域110 はゲート電極120 及びチャネル領域105a下のゲート絶縁膜111 中に存在する。図92は図91のa−a’断面における不純物プロファイルを示す。図92よりゲート絶縁膜111 のチャネル領域中に窒素が析出していることが解る。
【0149】
次に図91に示すTFTの製造方法について説明する。まず、半導体基板101 に絶縁膜102 を形成した後、CVD法によりポリシリコン層120aを2000Å程度堆積させる。次に該ポリシリコン層120aに10keV、2×1015/cm の条件で窒素をイオン注入する(図93)。次にポリシリコン層120aにフッ化ホウ素をイオン注入する(図94)。次に写真製版工程と異方性エッチングにより、該ポリシリコン層をゲート電極の形状にパターニングし、ゲート電極120bを形成する。次に、熱酸化により100 Åのゲート絶縁膜111aを形成した後、CVD法によりポリシリコン層を2000Å程度堆積させ、閾値電圧を制御するために該ポリシリコン層にヒ素を30keV、1×1012〜1×1013/cm の条件でイオン注入する(図示せず)。次にポリシリコン層を写真製版工程と異方性エッチングを用いてチャネル領域、ソース領域及びドレイン領域となる領域を残すようにパターニングし、所望の形状のポリシリコン層105 を形成する(図95)。次に、写真製版工程を用いてチャネル領域にレジスト107 を設け、30keV、4×1015/cm の条件でフッ化ホウ素をイオン注入し(図96)、850 ℃、20分程度の熱処理を加え、注入された不純物を活性化させることにより、P型のソース領域105b及びドレイン領域105cを形成する。また、この熱処理時に、ゲート電極120 に注入された窒素が熱拡散され、ゲート絶縁膜111a中に窒素が偏析し、窒素ドーピング領域を持つゲート絶縁膜111 が形成される(図96)。
【0150】
次に、本実施の形態による発明の効果について説明する。ゲート電極120 中には、窒素がドープされているため、不純物活性化のための熱処理時にホウ素が拡散し、ゲート絶縁膜111 を突き抜けてチャネル領域105aに侵入するのを防止できる。つまり、実施の形態7で詳述したように窒素の拡散防止効果によるものである。また、ゲート電極120 中に窒素をドープし、その後熱処理を施すことによって、窒素がゲート絶縁膜中に析出する。その結果、実施の形態10に記載したような効果、つまり、ホットキャリア注入によってゲート絶縁膜中に界面準位が発生するのを抑制し、ゲート絶縁膜120 の信頼性を向上させる。
【0151】
(実施の形態13)
第12実施の形態では、本発明をPMOS−TFTに適用した場合について説明したが、第13実施の形態では本発明をNMOS−TFTに適用した場合について説明する。NMOS−TFTを構成する場合、図91において、注入される不純物の導電型をPMOS−TFTを構成する場合と逆にしてやればよい。つまり、ゲート電極120 、ソース領域105b及びドレイン領域105cはN型にドープし、チャネル領域105aはP型にドープする。図97は図91に示すTFTをNチャネル型で形成した場合のa−a’断面における深さ方向の不純物プロファイルを示す。図91より、チャネル領域105a下のゲート絶縁膜111 中に窒素が析出していることが解る。
【0152】
本実施の形態におけるNMOS−TFTの製造工程については、基本的には実施の形態12で詳述したPMOS−TFTの製造工程とほぼ同一であり、PMOS−TFTで用いたイオン種と逆導電型のイオン種を用いればよい。NMOS−TFTを形成する場合のイオン注入条件については、上記実施の形態に記載されており、本実施の形態のここではその記載について省略する。
【0153】
本実施の形態においても、実施の形態12と同様、ゲート電極120 中に窒素がドープされているため、不純物を活性化させるための熱処理時にゲート電極中にドープされたヒ素が拡散し、ゲート絶縁膜111 に注入されるのを防止することができる。また、この熱処理時にゲート絶縁膜111 中に窒素が析出するため、ホットキャリア注入によってゲート絶縁膜111 中に界面準位が発生するのを防止でき、つまり、ゲート絶縁膜の信頼性を向上させることができる。
【0154】
(実施の形態14)
図98は本発明の第14実施の形態を示すデュアルゲートCMOS−TFTの鳥瞰図である。また、図99は図98のA−A’断面、つまり、PMOS−TFTの断面構造を示し、図100 は図98のB−B’断面、つまり、NMOS−TFTの断面構造を示す。図98〜100 において、101 は半導体基板、102 は絶縁膜を示す。斜線部110 は窒素ドーピング領域、125 はノンドープポリシリコン層、126 はタングステンシリサイド(WSi2 )層、127 はP型ポリシリコン層であり、ノンドープポリシリコン層125 、タングステンシリサイド層126 及びP型ポリシリコン層127の3層構造でPMOS−TFTのゲート電極を形成している。128 はゲート絶縁膜、129 はチャネル領域129a、P型のソース領域129b及びドレイン領域129cを持つポリシリコン層である。130 はN型ポリシリコン層であり、ノンドープポリシリコン層125 、タングステンシリサイド層126 及びN型ポリシリコン層130 の3層構造でNMOS−TFTのゲート電極を形成している。131 はゲート絶縁膜、132 はチャネル領域132a、N型のソース領域132b及びドレイン領域132cを持つポリシリコン層である。なお、窒素ドーピング領域110 は、タングステンシリサイド層126 、P型ポリシリコン層127 、ゲート絶縁膜128 、N型ポリシリコン層130 及びゲート絶縁膜131 中に存在する。図101 は図99のa−a’断面における不純物プロファイルを示し、図102 は図100 のb−b’断面における不純物プロファイルを示す。図101 により、PMOS−TFTのゲート電極において、窒素の濃度分布のピークはP型ポリシリコン層127 とタングステンシリサイド層126 との界面及びゲート絶縁膜128 中に存在する。また、図102 により、NMOS−TFTのゲート電極において、窒素の濃度分布のピークはN型ポリシリコン層130とタングステンシリサイド層126 との界面及びゲート絶縁膜128 中に存在する。
【0155】
次に図98に示すTFTの製造工程について説明する。まず、半導体基板101 上に絶縁膜102 を形成した後、CVD法によりポリシリコン層125aを500 Å程度堆積させる。次に該ポリシリコン層125a上にスパッタ法により500 Åのタングステンシリサイド層126aを堆積させ、該タングステンシリサイド層126a上にポリシリコン層135 を1000Å程度堆積させる(図103 )。次に、ポリシリコン層135 とタングステンシリサイド層126aの界面付近に窒素をイオン注入する。本実施の形態においては、窒素のイオン注入条件は40keV、2×1015/cm 程度に設定すればよい(図104 )。次に、PMOS−TFTとなる領域をレジストで覆い、NMOS−TFTとなる領域にヒ素をイオン注入する。また逆にNMOS−TFTとなる領域をレジストで覆い、PMOS−TFTとなる領域にフッ化ホウ素をイオン注入する。図105 は、注入後のTFTの断面構造図である。次にポリシリコン膜135、タングステンシリサイド層126a、ノンドープポリシリコン層125aをゲート電極の形状にパターニング後、熱酸化により100 Åのゲート酸化膜を形成し、CVD法によりポリシリコン層を2000Å程度堆積させる。次にPMOS−TFT及びNMOS−TFTのそれぞれの領域ごとに閾値電圧制御用のイオン注入を行った後に、ポリシリコン層をパターニングし、ポリシリコン層129 及びポリシリコン層132 を形成する(図106 )。
【0156】
次に、NMOS−TFTのソース領域132b及びドレイン領域132c以外の領域レジスト140 を設け、30keV、4×1015/cm2 の条件でヒ素をイオン注入する。この段階でのTFTの上面図を図107 に示す。更に、850 ℃、20分程度の熱処理を加え、ヒ素イオンを活性化させることにより、NMOS−TFTのソース領域132b及びドレイン領域132cを形成する。次に、レジスト140 を除去し、PMOS−TFTのソース領域129b及びドレイン領域129c以外の領域にレジスト141 を設け、30keV、4×1015/cm の条件でフッ化ホウ素をイオン注入する。この段階でのTFTの上面図を図108 に示す。更に、850 ℃、20分程度の熱処理を加え、ホウ素イオンを活性化させることにより、PMOS−TFTのソース領域129b及びNMOS−TFTのドレイン領域129cを形成する。
【0157】
ところで、このソース/ドレイン領域の活性化のための熱処理工程において、ゲート電極中に含まれる不純物も拡散される。しかし、タングステンシリサイド層126 とポリシリコン層127 との界面付近及びタングステンシリサイド層126 と多結晶シリコン層130 との界面付近にドープされた窒素の効果により、ホウ素及びヒ素のタングステンシリサイド層126 中への拡散は抑制されることになり、ゲート電極の仕事関数の変化に起因した閾値電圧の変動を効果的に抑制せしめる。
【0158】
(実施の形態15)
図109 は本発明の第15実施の形態によるスタックゲート型フラッシュEEPROMを示す断面構造図である。図109 において、201 、205 、208 、209 、212 、215 は従来図37と同一あるいは相当する部分を示す。206 はコントロールゲート電極205 及びフローティングゲート電極221 の側壁に設けられたサイドウォール酸化膜、212aはスムースコート膜212 に設けられ、ドレイン領域208 と接続するためのコンタクトホール、213 はスムースコート膜212 上及びコンタクトホール212aの壁面に設けられた窒化チタン(TiN)等のチタン合金膜、214 はチタン合金膜213 上に設けられアルミニウム合金配線層、斜線部219 は窒素ドーピング領域である。220 は酸化膜であり、100 Å程度の厚みを有する。221 はポリシリコン膜からなるフローティングゲート電極であり、1000Å程度の厚みを有する。222 は窒化膜と酸化膜の複合膜からなる層間絶縁膜であり、200 Å程度の厚みを有する。なお、窒素ドーピング領域219 は酸化膜220 、ポリシリコン膜221 及び層間絶縁膜222 中に存在する。図110 は図109 に示すフラッシュEEPROMのコントロールゲート電極205 、層間絶縁膜222 、フローティングゲート電極221 及び酸化膜220 の深さ方向の窒素プロファイルを示した図である。
【0159】
次に図109 に示すフラッシュEEPROMの製造工程について説明する。まず、P型のシリコン基板201 の所定の領域にウェル領域及び素子分離酸化膜を形成した後(図示せず)、全面に100 Å程度の酸化膜220aを形成し、該酸化膜220a上に1000Å程度のポリシリコン膜221aを形成する(図111 )。次に、ポリシリコン膜221aに窒素を10keV、〜4×1015/cm2 の条件でイオン注入する(図112 )。この時、窒素の投影飛程RP は、その標準偏差を△RP とすると、ポリシリコン膜221aと酸化膜220aの界面から5×△RP となる位置より上の位置のポリシリコン膜221a中にくるように設定する(図113 )。この条件よりも下の位置に設定すると、窒素注入により酸化膜220aにダメージが及ぶ可能性がある。
【0160】
次に、ポリシリコン膜221aにホウ素を20keV、4×1015/cm2 の条件でイオン注入する(図114 )。次に、ポリシリコン膜221a上に酸化膜と窒化膜の複合膜からなる層間絶縁膜222aを200 Å程度形成する。その後、層間絶縁膜222a上にポリシリコン膜205aを2500Å程度形成する(図115 )。次に、ポリシリコン膜205a上の所定の領域にレジスト225 を形成し、レジスト225 をマスクとして異方性エッチングを行うことによりポリシリコン膜205a、層間絶縁膜222a、ポリシリコン膜221a及び酸化膜220aをパターニングする(図116 )。これにより、コントロールゲート電極205 、層間絶縁膜222b、フローティングゲート電極221b及び酸化膜220bが形成される(図117 )。次に、レジスト225 を除去した後、メモリセルのソース領域となる部分を覆うようにレジスト226 を形成し、レジスト226 及びコントロールゲート電極205 をマスクとしてシリコン基板201 の主表面にヒ素(As)を35keV、5×1015/cm2 の条件でイオン注入する(図118 )。その後、レジスト226 は除去される。
【0161】
次に、メモリセルのドレイン領域となる部分を覆うようにレジスト227 を形成し、レジスト227 及びコントロールゲート電極205 をマスクとしてシリコン基板201 の主表面にヒ素を35keV、1×1016/cm の条件でイオン注入する(図119)。その後、レジスト227 は除去される。次に、全面に酸化膜206aを2000Å程度形成し(図120 )、異方性のリアクティブイオンエッチングを行うことにより、サイドウォール酸化膜206 を形成する。このように形成されるサイドウォール酸化膜206aのチャネル方向の幅は2000Åであり、これは図120 に示す酸化膜206aの厚みとほぼ同じ大きさになる。よって、酸化膜206aの厚みを調整することによってサイドウォール酸化膜206 のチャネル方向の幅は容易に制御することができる。サイドウォール酸化膜206 を形成した後、850 ℃、60秒程度の熱処理を行うことにより注入された不純物を活性化させ、ソース領域209 及びドレイン領域208を形成する。この熱処理により、フローティングゲート電極221bに注入されたホウ素及び窒素は拡散されるが、窒素はホウ素よりも速く拡散され、酸化膜220b及び層間絶縁膜222b中には窒素のみ析出し、酸化膜220 、フローティングゲート電極221 及び層間絶縁膜222 中に窒素ドーピング領域219 が形成される(図121 )。
【0162】
次に、CVD法を用いてスムースコート膜212 を5000Å〜15000 Å程度形成した後、リフロー法により800 ℃〜1000℃の温度条件下で熱処理を施すことによってスムースコート膜212 の表面を平坦化する。なお、スムースコート膜212 は、例えばPSG膜、BPSG膜、窒化膜、ノンドープ酸化膜あるいはこれらの積層膜によって形成される(図122 )。次に、スムースコート膜212 のドレイン領域に位置する部分に口径0.6 μm〜1.5 μm程度のコンタクトホール212aを設ける(図123 )。次に、コンタクトホール212a側面及びスムースコート膜212 上にドレイン領域と電気的に接続するための窒化チタンからなるチタン合金膜213 を形成する(図124 )。最後に、スパッタリング法を用いてチタン合金膜213 上に10000 Å程度のアルミニウム合金配線層214 を形成し、写真製版技術とドライエッチング技術を用いてチタン合金膜213 とアルミニウム合金配線層214 をパターニングする。これにより、チタン合金膜213 とアルミニウム合金配線層214 とからなり、ドレイン領域208 に電気的に接続されたビット線が形成される。このようにして、図109 に示すフラッシュEEPROMが完成する。なお、ソース/ドレイン注入については、図117 に示す工程でレジスト225 をマスクとして同時に行ってもよい。
【0163】
次に、本実施の形態によるフラッシュEEPROMの発明の効果について説明する。本実施の形態では、フローティングゲート電極221 に窒素をイオン注入し、その後の熱拡散により酸化膜220 及び層間絶縁膜222 中に窒素を析出させるので、RTN処理にみられるような水素のドーピングがない。よって、酸化膜220 中の窒素効果によりF−Nトンネリングを用いて書き込みや消去などの動作を行う場合に、ホットキャリア注入に起因するトラップや界面準位の発生及びバンド間トンネリングにより発生するホールに起因するトラップや界面準位の発生を抑制でき、しかも、水素のドーピングに伴う酸化膜の劣化が発生しないため、酸化膜220 の信頼性が向上し、フラッシュEEPROMの初期故障の発生確率が減少する。同時に、層間絶縁膜222 中の窒素効果により層間絶縁膜222 の信頼性も向上する。また、層間絶縁膜222 の信頼性が向上すると、層間絶縁膜222 を薄くすることが可能となるため、コントロールゲート電極205 とフローティングゲート電極221の間の容量(CFC)を大きくすることができる。つまり、同じ電位をコントロールゲート電極205 に印加しても、カップリング比の大きい素子の方がチャネルに大きな電界がかかり電流駆動能力が向上するので、同じ効果を得たい場合、コントロールゲート電極205 への印加電位は小さくでき、低電源電圧化が可能となる。
【0164】
さらに、フローティングゲート電極221 中には窒素がドープされているためにホウ素の拡散が抑制される。つまり、窒素は拡散メカニズムがホウ素と同じ空孔拡散であり、かつ、ホウ素に比べて拡散係数が大きいので、窒素とホウ素を相互拡散させることにより窒素は拡散経路である空孔を先に占有する結果、ホウ素の拡散を抑制できる。よって、ホウ素のチャネル領域215 への突き抜け及び酸化膜220 への注入を抑制でき、閾値電圧の変動を効果的に抑制できる。
【0165】
また、本実施の形態のフラッシュEEPROMの製造工程ではイオン注入法により窒素をドープするため、RTN処理と異なりシリコン基板201 が急激な温度変化にさらされることがない。このため、ストライプ状欠陥の発生も抑制できる。
【0166】
また、RTN処理では窒素ドーピング時に熱を加える必要があるため、シリコン基板201 の広範囲にわたって窒素が拡散する可能性があるが、本実施の形態における製造工程ではイオン注入法により窒素をドープするため窒素注入時に熱処理工程を行う必要がない。よって、ゲート電極のパターニング後に熱処理を行うことができるので、ソース領域209 及びドレイン領域208 に窒素を拡散させたくない場合に有効である。
【0167】
(実施の形態16)
図125 は本発明の第16実施の形態によるスタックゲート型フラッシュEEPROMのメモリセル部分を示す断面構造図である。図125 において、201 〜203 、206、208 、209 、215 は従来図37と同一あるいは相当する部分を示す。また、メモリセル部分以外の記載されていない部分の構成は図109 に示すものと同一である。斜線部219 は窒素ドーピング領域を示す。222 は窒化膜と酸化膜の複合膜からなる層間絶縁膜であり、200 Å程度の厚みを有する。223 はポリシリコン膜からなるコントロールゲート電極であり、2500Å程度の厚みを有する。窒素ドーピング領域は層間絶縁膜222 及びコントロールゲート電極223 中に存在する。
【0168】
次に図125 に示すフラッシュEEPROMの製造工程について説明する。まず、P型のシリコン基板201 の所定の領域にウェル領域及び素子分離酸化膜を形成した後(図示せず)、全面に100 Å程度の酸化膜202a、1000Å程度のポリシリコン膜203a、酸化膜及び窒化膜の複合膜からなる200 Å程度の層間絶縁膜222a及び2500Å程度のポリシリコン膜223aをこの順で形成する(図126 )。次に、ポリシリコン膜223aに窒素を10keV、〜4×1015/cm2 の条件でイオン注入する(図127 )。この時、実施の形態15の図113 で説明したように、窒素の投影飛程RP は、その標準偏差を△RP とすると、ポリシリコン膜223aと層間絶縁膜222aの界面から5×△RP となる位置より上の位置のポリシリコン膜223a中にくるように設定する。
【0169】
次に、ポリシリコン膜223aにホウ素を20keV、4×1015/cm の条件でイオン注入する(図128 )。以後、実施の形態15の図116 以後の製造工程を経て図125 に示すフラッシュEEPROMが完成する。ただし、本実施の形態における不純物活性化のための熱処理工程では、コントロールゲート電極223 にドープされた窒素が層間絶縁膜222 に析出する。
【0170】
次に、本実施の形態によるフラッシュEEPROMの発明の効果について説明する。本実施の形態においても、実施の形態15に示す効果、つまり、層間絶縁膜222 の信頼性の向上及びそれに伴う素子の低電源電圧化が可能となる。また、コントロールゲート電極223 に窒素を注入することにより熱処理時にコントロールゲート電極にドープされたホウ素が拡散するのを防止でき、ホウ素が層間絶縁膜222 に注入されるのを防止できる。
【0171】
(実施の形態17)
図129 は本発明の第17実施の形態によるスタックゲート型フラッシュEEPROMのメモリセル部分を示す断面構造図である。図129 において、201 、206 、208、209 、215 、219 〜223 は実施の形態図109 あるいは図125 と同一あるいは相当する部分を示す。また、メモリセル部分以外の記載されていない部分の構成は図109 に示すものと同一である。本実施の形態は実施の形態15と実施の形態16とを組み合わせた発明である。
【0172】
次に図129 に示すフラッシュEEPROMの製造工程について説明する。実施の形態15の図115 に示す製造工程まで行った後、ポリシリコン膜223aに窒素を10keV、〜4×1015/cm の条件でイオン注入する(図130 )。次にポリシリコン膜223aにホウ素を20keV、4×1015/cm2 の条件でイオン注入する(図131 )。以後、実施の形態15の図116 以後の製造工程を経て図129 に示すフラッシュEEPROMが完成する。ただし、本実施の形態における不純物活性化のための熱処理工程では、フローティングゲート電極221bにドープされた窒素が酸化膜220b及び層間絶縁膜222bに析出するのと同時に、コントロールゲート電極223bにドープされた窒素も層間絶縁膜222bに析出する。
【0173】
本実施の形態による発明の効果については、実施の形態15及び実施の形態16に詳述した通りであるので、ここではその記載を省略する。
【0174】
(実施の形態18)
図132 は本発明の第18実施の形態による埋め込みチャネル型のフラッシュEEPROMのメモリセル部分を示す断面構造図である。図132 において、201 〜205 、208 、209 、215 、217 、218 は従来図43と同一あるいは相当する部分を示す。206 はコントロールゲート電極205 及びフローティングゲート電極203 の側壁に設けられたサイドウォール酸化膜である。斜線部219 は窒素ドーピング領域であり、N型不純物層217 内部に形成される。
【0175】
次に図132 に示す埋め込みチャネル型のフラッシュEEPROMの製造工程について記載する。まず、P型のシリコン基板201 の所定領域にウェル領域及び素子分離酸化膜を形成する(図示せず)。次に、シリコン基板201 の主表面からの深さが500 Åよりも小さくなるような飛程でシリコン基板201 に窒素をイオン注入する(図133 )。次に、その主表面からの深さが500 Å以下になるような飛程でヒ素又はリンなどのN型不純物を注入し(図134 )、次に、ホウ素などのP型不純物を主表面からの深さが500 Å以上になるような飛程で注入する(図135 )。つまり、窒素の注入条件は、窒素の飛程がヒ素の飛程よりも小さくなるようなエネルギーで注入することである。次に、全面に100 Å程度の酸化膜202a、1000Å程度のポリシリコン膜203a、酸化膜及び窒化膜の複合膜からなる200 Å程度の層間絶縁膜204a及び2500Å程度のポリシリコン膜205aをこの順で形成する(図136 )。以後の製造工程は、実施の形態15の図116 以降に示すものと同一であるため、ここではその記載を省略する。ただし、本実施の形態においては、実施の形態15での熱処理工程によりN型不純物層217 、P型不純物層218 に注入された不純物の活性化が行われ、同時に窒素ドーピング領域219 も形成される。なお、上記不純物のイオン注入条件によりN型不純物層217 は窒素ドーピング領域219 を覆うように形成されるため、窒素のイオン注入時に発生する欠陥がN型不純物層217 とP型不純物層218 との接合面に発生せず、接合リーク電流が増加することもないので、窒素注入による弊害を心配する必要もない。
【0176】
次に本実施の形態による発明の効果について説明する。N型不純物層217 よりも浅い領域には窒素がドープされているため、ヒ素の拡散が抑制される。つまり、窒素は拡散メカニズムがヒ素と同じ空孔拡散であり、かつ、拡散係数がヒ素よりも大きいので、熱処理工程時のヒ素の拡散を抑制することができる。また、同じメカニズムによりP型不純物層218 のホウ素の拡散も抑制できる。よって、薄いN型不純物層217 を形成することができるので、埋め込みチャネル型のフラッシュEEPROMにおいてパンチスルーを抑制することができる。また、窒素注入条件によりN型不純物層217 の厚さを所望の値に制御することができる。
【0177】
(実施の形態19)
図137 は本発明の第19実施の形態によるスタックゲート型のフラッシュEEPROMを示す断面構造図である。図137 において、201 〜205 、208 、209 、215 は従来図37と同一あるいは相当する部分を示す。206 はコントロールゲート電極205 及びフローティングゲート電極203 の側壁に設けられたサイドウォール酸化膜である。斜線部230 はドレイン領域208 の内部に形成される窒素ドーピング領域である。図138 は図137 に示すフラッシュEEPROMのドレイン領域208 の深さ方向のプロファイルを示した図である。図138 により、ドレイン領域208 の接合面には窒素はドープされず、ヒ素がドープされて形成されるドレイン領域208の内部に窒素ドーピング領域230 が存在することがわかる。
【0178】
次に図137 に示すスタックゲート型のフラッシュEEPROMの製造工程について説明する。まず、P型のシリコン基板201 の所定の領域にウェル領域及び素子分離酸化膜を形成した後(図示せず)、全面に100 Å程度の酸化膜202a、1000Å程度のポリシリコン膜203a、酸化膜及び窒化膜の複合膜からなる200 Å程度の層間絶縁膜204a、2500Å程度のポリシリコン膜205a及び1000Å程度の酸化膜207aをこの順に形成する(図139 )。次に、酸化膜202a、ポリシリコン膜203a、層間絶縁膜204a、ポリシリコン膜205a及び酸化膜207aをゲート電極の形状にパターニングし、酸化膜202 、フローティングゲート電極203 、層間絶縁膜204 、コントロールゲート電極205 及び酸化膜207 を形成する。次に、ソース形成領域をレジスト225 で覆い、レジスト225 及び酸化膜207 をマスクとして、ドレイン形成領域に窒素を10keV、〜8×1015/cm2 の条件でイオン注入する(図140 )。次に、ヒ素を35keV、5×1015/cm の条件でイオン注入する(図141 )。つまり、窒素の注入条件は、窒素の飛程がヒ素の飛程よりも小さくなるようなエネルギーで注入することである。その後、レジスト225 を除去する。以後の製造工程は、実施の形態15の図119 以降に示すものと同一であるため、ここではその記載を省略する。ただし、本実施の形態においては、実施の形態15での熱処理工程によりソース領域209 及びドレイン領域208 に注入された不純物の活性化が行われ、同時に窒素ドーピング領域230 も形成される。なお、上記不純物のイオン注入条件によりドレイン領域208 は窒素ドーピング領域230 を覆うように形成されるため、窒素のイオン注入時に発生する欠陥がドレイン領域208 とシリコン基板201 との接合面に発生せず、接合リーク電流が増加することもないので、窒素注入による弊害を心配する必要もない。
【0179】
次に本実施の形態による発明の効果について記載する。ドレイン領域208 には窒素がドープされているため、熱処理工程時にドレイン領域208 に注入されたヒ素が拡散されるのを防止できる。よって、ドレイン領域208 においてシリコン基板201 とのPN接合面を浅く形成することが可能となり、パンチスルーなどの短チャネル効果を抑制することが可能となる。また短チャネル効果を抑制できることから素子の微細化が可能となる。
【0180】
また、ドレイン領域にドープされた窒素によりドレイン領域208 に注入されたヒ素の拡散が抑制されるため、ヒ素の横方向への拡散による酸化膜202 とドレイン領域208 とのオーバラップ領域が少なくなり、コントロールゲート電極205 とドレイン領域208 の間の容量(CFS)は小さくなる。従って、カップリング比(CFC/CTOTAL )を大きくすることができ、コントロールゲート電極205 の電位(VCG)とフローティングゲート電極203 の電位(VFG)との電位差が小さくなる。つまり、同じ電位をコントロールゲート電極205 に印加してもカップリング比の大きい素子の方がチャネル領域215 に大きな電界がかかり、電流駆動能力が向上する。よって、同じ効果を得たい場合、カップリング比が大きいほどコントロールゲート電極205 への印加電圧(VCG)は小さくて済み、低電源電圧化が可能となる。
【0181】
(実施の形態20)
図142 は本発明の第20実施の形態によるスタックゲート型のフラッシュEEPROMを示す断面構造図である。図142 において、201 〜205 、208 、209 、215 は従来図100 と同一あるいは相当する部分を示す。206 はコントロールゲート電極205 及びフローティングゲート電極203 の側壁に設けられたサイドウォール酸化膜である。231 はソース領域209 の内部に形成される窒素ドーピング領域である。
【0182】
本実施の形態に示すスタックゲート型のフラッシュEEPROMの製造方法については、実施の形態19に示す窒素ドーピング工程をソース注入工程の前に行えばよい。また、本実施の形態においても、窒素の注入条件は、実施の形態19に示す場合と同様、窒素の飛程がヒ素の飛程よりも小さくなるようなエネルギーで注入することである。
【0183】
本実施の形態においても、実施の形態19で示した発明の効果と同一の効果を得ることができる。
【0184】
(実施の形態21)
図143 は本発明の第21実施の形態に示すスタックゲート型のフラッシュEEPROMの断面構造図である。図35において、201 〜205 、206 、208 、209 、230 、231 は実施の形態図137 あるいは図142 と同一あるいは相当する部分を示す。本実施の形態は実施の形態19と実施の形態20を組み合わせた発明である。つまり、ドレイン領域208の内部には窒素ドーピング領域230 が形成され、ソース領域209 の内部には窒素ドーピング領域231 が形成されている。
【0185】
本実施の形態に示すスタックゲート型のフラッシュEEPROMの製造工程については、実施の形態19に示す窒素ドーピング工程をゲート電極をパターニングする工程の後で行えばよい(図144 )。
【0186】
本実施の形態においては、ドレイン領域208 及びソース領域209 の内部にそれぞれ窒素ドーピング領域230 及び窒素ドーピング領域231 が設けられているので、実施の形態19又は実施の形態20に示す効果がより顕著に現れる。また、本実施の形態において酸化膜207 を設けずに窒素注入を行い、コントロールゲート電極205 にも窒素をドープしてもよい。
【0187】
なお、窒素をドープする領域については、所望の効果に応じて上記実施の形態を組み合わせて選択すればよい。
【0188】
【発明の効果】
本発明は以上説明したように構成されているため、以下に記載するような効果を奏する。
【0189】
本発明による半導体装置は、ゲート電極に窒素がドープされているので、ゲート電極に導入される不純物の拡散を抑制でき、不純物のゲート絶縁膜への混入及び不純物のゲート絶縁膜からの突き抜けを抑制できる。さらに、ゲート絶縁膜には窒素がドープされているので、ゲート絶縁膜の信頼性及びホットキャリア耐性を向上せしめる。
【0190】
本発明による半導体装置は、ソース/ドレイン領域内部に窒素ドーピング領域を備えているので、ソース/ドレイン領域に導入されている不純物が拡散するのを抑制でき、ソース/ドレイン領域の接合面を浅く形成することが可能となる。
【0191】
また、ソース/ドレイン領域の窒素ドーピング領域により、横方向に不純物が拡散するのも防止できるので、第1の絶縁膜とソース/ドレイン領域とがオーバーラップする面積を小さくできるため、第2のゲート電極とソース/ドレイン領域との間の容量を小さくすることができる。よって、カップリング比を大きくすることができ、第2のゲート電極に印加する電圧を低減することが可能になる。
【0192】
また、本発明による半導体装置は、金属シリサイド膜とポリシリコン膜との積層構造からなるゲート電極に窒素がドープされ、窒素の濃度ピークはポリシリコン膜と金属シリサイド膜との界面に存在するので、ポリシリコン膜にドープされた不純物が金属シリサイド膜に拡散するのを抑制できる。よって、ゲート電極の仕事関数が正方向あるいは負方向に変化するのを抑制でき、仕事関数の変化による閾値電圧の変動が抑制できる。
【0193】
さらに、窒素を半導体基板主表面に対し、90°よりも小さい角度からイオン注入することにより、不純物のチャネル方向への拡散をさらに制御することができる。
【0194】
また、本発明による半導体装置の製造方法は、窒素イオンを注入し、窒素イオンの飛程よりも大きい飛程の不純物イオンを注入してソース/ドレイン領域を形成するので、ソース/ドレイン領域内部に窒素ドーピング領域を形成することができる。
【0195】
さらに、本発明による半導体装置の製造方法は、ゲート絶縁膜に窒素をイオン注入した後に、熱処理を行い、ゲート絶縁膜中に窒素を析出させるので、ゲート絶縁膜にダメージを与えることなく、しかも、水素がドープされていないゲート絶縁膜を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態によるPMOSトランジスタの断面構造図である。
【図2】ソース/ドレイン領域の深さ方向のプロファイルを示す図である。
【図3】本発明の第1の実施の形態によるPMOSトランジスタの製造工程図である。
【図4】本発明の第1の実施の形態によるPMOSトランジスタの製造工程図である。
【図5】本発明の第1の実施の形態によるPMOSトランジスタの製造工程図である。
【図6】本発明の第1の実施の形態によるPMOSトランジスタの製造工程図である。
【図7】本発明の第1の実施の形態によるPMOSトランジスタの製造工程図である。
【図8】本発明の第1の実施の形態によるPMOSトランジスタの製造工程図である。
【図9】本発明の第1の実施の形態によるPMOSトランジスタの製造工程図である。
【図10】本発明のPMOSトランジスタの断面構造図である。
【図11】ソース/ドレイン領域の深さ方向のプロファイルを示す図である。
【図12】本発明の第2の実施の形態によるPMOSトランジスタの断面構造図である。
【図13】ゲート電極及びゲート酸化膜の深さ方向のプロファイルを示す図である。
【図14】本発明の第2の実施の形態によるPMOSトランジスタの製造工程図である。
【図15】本発明の第2の実施の形態によるPMOSトランジスタの製造工程図である。
【図16】本発明の第2の実施の形態によるPMOSトランジスタの製造工程図である。
【図17】本発明の第2の実施の形態によるPMOSトランジスタの製造工程図である。
【図18】本発明の第2の実施の形態によるPMOSトランジスタの製造工程図である。
【図19】窒素の注入条件を説明する図である。
【図20】酸化膜の信頼性を評価した結果を示す図である。
【図21】PMOSトランジスタのホットキャリア注入による閾値電圧の変化量の窒素注入量依存性を示す図である。
【図22】本発明の第3の実施の形態によるPMOSトランジスタの断面構造図である。
【図23】本発明の第3の実施の形態によるPMOSトランジスタの製造工程図である。
【図24】本発明の第3の実施の形態によるPMOSトランジスタの製造工程図である。
【図25】本発明の第3の実施の形態によるPMOSトランジスタの製造工程図である。
【図26】本発明の第3の実施の形態によるPMOSトランジスタの製造工程図である。
【図27】本発明の第3の実施の形態によるPMOSトランジスタの製造工程図である。
【図28】本発明の第3の実施の形態によるPMOSトランジスタの製造工程図である。
【図29】本発明の第3の実施の形態によるPMOSトランジスタの製造工程図である。
【図30】本発明の第3の実施の形態によるPMOSトランジスタの製造工程図である。
【図31】本発明の第3の実施の形態によるPMOSトランジスタの製造工程図である。
【図32】本発明の第3の実施の形態によるPMOSトランジスタの製造工程図である。
【図33】本発明のPMOSトランジスタの断面構造図である。
【図34】本発明の第4の実施の形態によるNMOSトランジスタの断面構造図である。
【図35】ゲート電極及びゲート酸化膜の深さ方向のプロファイルを示す図である。
【図36】本発明の第4の実施の形態によるNMOSトランジスタの製造工程図である。
【図37】本発明の第4の実施の形態によるNMOSトランジスタの製造工程図である。
【図38】本発明の第4の実施の形態によるNMOSトランジスタの製造工程図である。
【図39】本発明の第4の実施の形態によるNMOSトランジスタの製造工程図である。
【図40】本発明の第4の実施の形態によるNMOSトランジスタの製造工程図である。
【図41】本発明の第4の実施の形態によるNMOSトランジスタの製造工程図である。
【図42】NMOSトランジスタのホットキャリア注入による閾値電圧の変化量の窒素注入量依存性を示す図である。
【図43】本発明の第5の実施の形態によるNMOSトランジスタの断面構造図である。
【図44】ソース/ドレイン領域の深さ方向のプロファイルを示す図である。
【図45】本発明の第5の実施の形態によるNMOSトランジスタの製造工程図である。
【図46】本発明の第5の実施の形態によるNMOSトランジスタの製造工程図である。
【図47】本発明の第5の実施の形態によるNMOSトランジスタの製造工程図である。
【図48】本発明の第5の実施の形態によるNMOSトランジスタの製造工程図である。
【図49】本発明のNMOSトランジスタの断面構造図である。
【図50】本発明の第6の実施の形態によるデュアルゲートCMOSトランジスタの断面構造図である。
【図51】本発明の第6の実施の形態によるデュアルゲートCMOSトランジスタの製造工程図である。
【図52】本発明の第6の実施の形態によるデュアルゲートCMOSトランジスタの製造工程図である。
【図53】本発明の第6の実施の形態によるデュアルゲートCMOSトランジスタの製造工程図である。
【図54】本発明の第6の実施の形態によるデュアルゲートCMOSトランジスタの製造工程図である。
【図55】本発明の第6の実施の形態によるデュアルゲートCMOSトランジスタの製造工程図である。
【図56】本発明の第6の実施の形態によるデュアルゲートCMOSトランジスタの製造工程図である。
【図57】本発明の第6の実施の形態によるデュアルゲートCMOSトランジスタの製造工程図である。
【図58】本発明の第6の実施の形態によるデュアルゲートCMOSトランジスタの製造工程図である。
【図59】本発明の第6の実施の形態によるデュアルゲートCMOSトランジスタの製造工程図である。
【図60】本発明の第6の実施の形態によるデュアルゲートCMOSトランジスタの製造工程図である。
【図61】本発明の第6の実施の形態によるデュアルゲートCMOSトランジスタの製造工程図である。
【図62】本発明の第6の実施の形態によるデュアルゲートCMOSトランジスタの製造工程図である。
【図63】本発明の第6の実施の形態によるデュアルゲートCMOSトランジスタの製造工程図である。
【図64】本発明の第6の実施の形態によるデュアルゲートCMOSトランジスタの製造工程図である。
【図65】本発明の第7の実施の形態によるデュアルゲートCMOSトランジスタの断面構造図である。
【図66】ゲート電極及びゲート酸化膜の深さ方向のプロファイルを示す図である。
【図67】ゲート電極及びゲート酸化膜の深さ方向のプロファイルを示す図である。
【図68】本発明の第7の実施の形態によるデュアルゲートCMOSトランジスタの製造工程図である。
【図69】本発明の第7の実施の形態によるデュアルゲートCMOSトランジスタの製造工程図である。
【図70】本発明の第7の実施の形態によるデュアルゲートCMOSトランジスタの製造工程図である。
【図71】本発明の第7の実施の形態によるデュアルゲートCMOSトランジスタの製造工程図である。
【図72】本発明の第7の実施の形態によるデュアルゲートCMOSトランジスタの製造工程図である。
【図73】本発明の第7の実施の形態によるデュアルゲートCMOSトランジスタの製造工程図である。
【図74】本発明の第7の実施の形態によるデュアルゲートCMOSトランジスタの製造工程図である。
【図75】本発明の第7の実施の形態によるデュアルゲートCMOSトランジスタの製造工程図である。
【図76】本発明の第7の実施の形態によるデュアルゲートCMOSトランジスタの製造工程図である。
【図77】本発明の第8の実施の形態によるTFTの断面構造図である。
【図78】PMOS−TFTのa−a’断面における不純物プロファイルを示す図である。
【図79】PMOS−TFTのb−b’断面における不純物プロファイルを示す図である。
【図80】本発明の第8の実施の形態によるTFTの製造工程図である。
【図81】本発明の第8の実施の形態によるTFTの製造工程図である。
【図82】本発明の第8の実施の形態によるTFTの製造工程図である。
【図83】NMOS−TFTのa−a’断面における不純物プロファイルを示す図である。
【図84】NMOS−TFTのb−b’断面における不純物プロファイルを示す図である。
【図85】本発明の第10の実施の形態によるTFTの断面構造図である。
【図86】PMOS−TFTのa−a’断面における不純物プロファイルを示す図である。
【図87】本発明の第10の実施の形態によるTFTの製造工程図である。
【図88】本発明の第10の実施の形態によるTFTの製造工程図である。
【図89】本発明の第10の実施の形態によるTFTの製造工程図である。
【図90】NMOS−TFTのa−a’断面における不純物プロファイルを示す図である。
【図91】本発明の第11の実施の形態によるTFTの断面構造図である。
【図92】PMOS−TFTのa−a’断面における不純物プロファイルを示す図である。
【図93】本発明の第11の実施の形態によるTFTの製造工程図である。
【図94】本発明の第11の実施の形態によるTFTの製造工程図である。
【図95】本発明の第11の実施の形態によるTFTの製造工程図である。
【図96】本発明の第11の実施の形態によるTFTの製造工程図である。
【図97】NMOS−TFTのa−a’断面における不純物プロファイルを示す図である。
【図98】本発明の第12の実施の形態によるTFTの鳥瞰図である。
【図99】TFTのA−A’断面図である。
【図100】TFTのB−B’断面図である。
【図101】TFTのa−a’断面における不純物プロファイルを示す図である。
【図102】TFTのb−b’断面における不純物プロファイルを示す図である。
【図103】本発明の第12の実施の形態によるTFTの製造工程図である。
【図104】本発明の第12の実施の形態によるTFTの製造工程図である。
【図105】本発明の第12の実施の形態によるTFTの製造工程図である。
【図106】本発明の第12の実施の形態によるTFTの製造工程図である。
【図107】本発明の第12の実施の形態によるTFTの製造工程図である。
【図108】本発明の第12の実施の形態によるTFTの製造工程図である。
【図109】本発明の第13の実施の形態によるフラッシュEEPROMの断面構造図である。
【図110】ゲート電極の深さ方向のプロファイルを示す図である。
【図111】本発明の第13の実施の形態によるフラッシュEEPROMの製造工程図である。
【図112】本発明の第13の実施の形態によるフラッシュEEPROMの製造工程図である。
【図113】本発明の第13の実施の形態によるフラッシュEEPROMの製造工程図である。
【図114】本発明の第13の実施の形態によるフラッシュEEPROMの製造工程図である。
【図115】本発明の第13の実施の形態によるフラッシュEEPROMの製造工程図である。
【図116】本発明の第13の実施の形態によるフラッシュEEPROMの製造工程図である。
【図117】本発明の第13の実施の形態によるフラッシュEEPROMの製造工程図である。
【図118】本発明の第13の実施の形態によるフラッシュEEPROMの製造工程図である。
【図119】本発明の第13の実施の形態によるフラッシュEEPROMの製造工程図である。
【図120】本発明の第13の実施の形態によるフラッシュEEPROMの製造工程図である。
【図121】本発明の第13の実施の形態によるフラッシュEEPROMの製造工程図である。
【図122】本発明の第13の実施の形態によるフラッシュEEPROMの製造工程図である。
【図123】本発明の第13の実施の形態によるフラッシュEEPROMの製造工程図である。
【図124】本発明の第13の実施の形態によるフラッシュEEPROMの製造工程図である。
【図125】本発明の第14の実施の形態によるフラッシュEEPROMの断面構造図である。
【図126】本発明の第14の実施の形態によるフラッシュEEPROMの製造工程図である。
【図127】本発明の第14の実施の形態によるフラッシュEEPROMの製造工程図である。
【図128】本発明の第14の実施の形態によるフラッシュEEPROMの製造工程図である。
【図129】本発明の第15の実施の形態によるフラッシュEEPROMの断面構造図である。
【図130】本発明の第15の実施の形態によるフラッシュEEPROMの製造工程図である。
【図131】本発明の第15の実施の形態によるフラッシュEEPROMの製造工程図である。
【図132】本発明の第16の実施の形態によるフラッシュEEPROMの断面構造図である。
【図133】本発明の第16の実施の形態によるフラッシュEEPROMの製造工程図である。
【図134】本発明の第16の実施の形態によるフラッシュEEPROMの製造工程図である。
【図135】本発明の第16の実施の形態によるフラッシュEEPROMの製造工程図である。
【図136】本発明の第16の実施の形態によるフラッシュEEPROMの製造工程図である。
【図137】本発明の第17の実施の形態によるフラッシュEEPROMの断面構造図である。
【図138】ドレイン領域の深さ方向のプロファイルを示す図である。
【図139】本発明の第17の実施の形態によるフラッシュEEPROMの製造工程図である。
【図140】本発明の第17の実施の形態によるフラッシュEEPROMの製造工程図である。
【図141】本発明の第17の実施の形態によるフラッシュEEPROMの製造工程図である。
【図142】本発明の第18の実施の形態によるフラッシュEEPROMの断面構造図である。
【図143】本発明の第19の実施の形態によるフラッシュEEPROMの断面構造図である。
【図144】本発明の第19の実施の形態によるフラッシュEEPROMの断面構造図である。
【図145】従来のPMOSトランジスタの断面構造図である。
【図146】従来のPMOSトランジスタの断面構造図である。
【図147】従来のPMOSトランジスタの断面構造図である。
【図148】従来のデュアルゲートCMOSトランジスタの断面構造図である。
【図149】従来のデュアルゲートCMOSトランジスタの製造工程図である。
【図150】従来のデュアルゲートCMOSトランジスタの製造工程図である。
【図151】従来のデュアルゲートCMOSトランジスタの製造工程図である。
【図152】従来のデュアルゲートCMOSトランジスタの製造工程図である。
【図153】従来のデュアルゲートCMOSトランジスタの製造工程図である。
【図154】従来のデュアルゲートCMOSトランジスタの製造工程図である。
【図155】従来のデュアルゲートCMOSトランジスタの製造工程図である。
【図156】従来のデュアルゲートCMOSトランジスタの製造工程図である。
【図157】従来のデュアルゲートCMOSトランジスタの製造工程図である。
【図158】従来のデュアルゲートCMOSトランジスタの断面構造図である。
【図159】従来のデュアルゲートCMOSトランジスタの製造工程図である。
【図160】従来のデュアルゲートCMOSトランジスタの製造工程図である。
【図161】従来のデュアルゲートCMOSトランジスタの製造工程図である。
【図162】従来のデュアルゲートCMOSトランジスタの製造工程図である。
【図163】従来のデュアルゲートCMOSトランジスタの製造工程図である。
【図164】従来のTFTの断面構造図である。
【図165】従来のTFTの鳥瞰図である。
【図166】従来のTFTの製造工程図である。
【図167】従来のTFTの製造工程図である。
【図168】従来のTFTの製造工程図である。
【図169】従来のTFTの製造工程図である。
【図170】従来のフラッシュEEPROMの断面構造図である。
【図171】フラッシュEEPROMの動作を説明するための断面構造図である。
【図172】フラッシュEEPROMの動作を説明するための断面構造図である。
【図173】フラッシュEEPROMの動作を説明するための断面構造図である。
【図174】フラッシュEEPROMのカップリング比を説明するための断面構造図である。
【図175】フラッシュEEPROMで発生するバンド間トンネリングを説明するための断面構造図である。
【図176】従来の埋め込みチャネル型のフラッシュEEPROMの断面構造図である。
【図177】従来の半導体装置の製造方法を示す図である。
【符号の説明】
6 ソース/ドレイン領域、8 チタンシリサイド膜、23 チタンシリサイド膜、30 窒素ドーピング領域、35 ゲート電極、36 ゲート酸化膜、41 ゲート電極、42 ゲート酸化膜、44 N 型ソース/ドレイン領域、43 N 型ソース/ドレイン領域、47 ゲート酸化膜、48 ゲート酸化膜、50 ポリシリコン膜、51 ポリシリコン膜、52 N 型ソース/ドレイン領域、53 N 型ソース/ドレイン領域、105 ポリシリコン層、105a チャネル領域、105b ソース領域、105c ドレイン領域、110 窒素ドーピング領域、111 ゲート絶縁膜、120 ゲート電極、126 タングステンシリサイド層、128 ゲート絶縁膜、131 ゲート絶縁膜、208 ドレイン領域、209 ソース領域、217 N型不純物層、218 P型不純物層、219 窒素ドーピング領域、220 酸化膜、222 層間絶縁膜、223 コントロールゲート電極、230 窒素ドーピング領域、231 窒素ドーピング領域。
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a semiconductor device capable of improving element characteristics by a nitrogen implantation technique and a method of manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, it has been known to form a source / drain junction surface of a MOS transistor shallowly in order to suppress a short channel effect of the MOS transistor. In order to suppress the short-channel effect of a P-channel MOS transistor (hereinafter, referred to as a PMOS transistor), it is effective to use a P-type or N-type doped electrode as an electrode material of the PMOS transistor. In order to suppress the short-channel effect of an N-channel MOS transistor (hereinafter, referred to as an NMOS transistor), it is effective to use an N-doped electrode as an electrode material of the NMOS transistor. Further, utilizing this fact, in a CMOS (Complementary MOS) transistor including an NMOS transistor and a PMOS transistor, an N-channel MOS transistor (hereinafter, referred to as an NMOS transistor) uses an N-type doped gate electrode. As a PMOS transistor, a dual gate CMOS transistor using a P-doped gate electrode has been proposed.
[0003]
Next, a method of forming a shallow source / drain junction surface of a PMOS transistor by a conventional technique will be described with reference to FIGS. 145 # to 147 # are diagrams showing a conventional PMOS transistor. 145 # to 147 #, 1 is an N-type silicon substrate, 2 is a gate oxide film formed on the N-type silicon substrate 1, 3 is a gate electrode formed on the gate oxide film 2, 4 is a gate electrode 3 5 is a side wall oxide film formed on the side wall of the gate electrode 3, 6 is a P-type source / drain region formed on the N-type silicon substrate 1 with a channel region 10 interposed therebetween, 7 Is an element isolation oxide film formed on the N-type silicon substrate 1. Conventionally, in order to form the junction surface of the source / drain region 6 shallowly, as shown in FIG.+) Boron fluoride ion (BF2 +) Was implanted into the source / drain regions 6. Alternatively, in order to prevent the boron ion channeling phenomenon, as shown in FIG.+) Or germanium ion (Ge+) Is implanted into the source / drain regions 6 to make the N-type silicon substrate 1 amorphous, and then, as shown in FIG.+) Was implanted into the source / drain regions 6.
[0004]
When the source / drain junction surface is formed shallow, a problem occurs in that the sheet resistance of the source / drain region increases. Therefore, as shown in FIG. It has been proposed to provide a silicide 8.
[0005]
FIG. 148 # shows an example of a conventional dual gate CMOS transistor. 148 #, 11 is a P-type silicon substrate, 12 is an element isolation oxide film formed on the P-type silicon substrate 11, 13 is an N well formed in the P-type silicon substrate 11, and 14 is a P-type silicon substrate 11. A P-well 15 formed therein is a gate oxide film formed on the P-type silicon substrate 11, and 16 is a polysilicon film formed on the gate oxide film 15, which is P-type doped. Reference numeral 17 denotes a polysilicon film formed on the gate oxide film 15, which is N-type doped. Reference numeral 18 denotes a tungsten silicide film provided on the polysilicon film 16 and the polysilicon film 17. By providing the tungsten silicide film 18 on the polysilicon film 16, a gate electrode having a polycide gate structure of the PMOS transistor is formed. Further, by providing the tungsten silicide film 18 on the polysilicon film 17, a gate electrode having a polycide gate structure of the NMOS transistor is formed. Reference numeral 19 denotes an oxide film provided on the gate electrodes of the PMOS transistor and the NMOS transistor, reference numeral 20 denotes a sidewall oxide film provided on the side walls of the gate electrodes of the PMOS transistor and the NMOS transistor, and reference numeral 21 denotes a P-type doped PMOS transistor. The source / drain regions are formed in the N well 13 with the gate electrode interposed therebetween. Reference numeral 22 denotes a source / drain region of an N-type doped NMOS transistor, which is formed in the P well 14 with a gate electrode interposed therebetween.
[0006]
Next, a method of manufacturing the dual gate CMOS transistor shown in FIG. First, an element isolation oxide film 12 is formed on the main surface of a P-type silicon substrate 11, and an N well 13 serving as a PMOS transistor formation region and a P well 14 serving as an NMOS transistor formation region are formed (FIG. 149). Next, an oxide film 15a # is formed, a polysilicon film 9 is deposited by a CVD method, and then a tungsten silicide film 18a # is deposited by a sputtering method (FIG. 150). Next, the formation region of the PMOS transistor is covered with a resist 25, and arsenic ions (As+) Is injected (FIG. 15115). Next, as shown in FIG. 152 #, after removing the resist 25, the formation region of the NMOS transistor is covered with the resist 26, and boron fluoride ions are implanted into the polysilicon film 9 in the formation region of the PMOS transistor (FIG. 152 #). Next, after removing the resist 26, an oxide film is deposited by a CVD method (not shown), and the oxide film, the tungsten silicide film 18a # and the polysilicon film 9 are formed by photolithography and anisotropic etching to form a gate electrode. Then, an oxide film 19, a tungsten silicide film 18, and polysilicon films 16a # and 17a # are formed, respectively (FIG. 153 #). Next, an oxide film is deposited by a CVD method (not shown), and is etched back to form a sidewall oxide film 20 on the side wall of the gate electrode (FIG. 154). Next, the formation region of the PMOS transistor is covered with the resist 27, and arsenic ions are implanted into the formation region of the NMOS transistor (FIG. 155). Next, after removing the resist 27, the formation region of the NMOS transistor is covered with the resist 28, and boron fluoride ions are implanted into the formation region of the PMOS transistor (FIG. 156). Next, after the resist 28 is removed, the implanted ions are activated by performing a heat treatment, and the N-type doped polysilicon film 16, the P-type doped polysilicon film 17,+-Type source / drain regions 22 and P+Type source / drain regions 21 are formed to complete a dual gate CMOS transistor having a polycide gate structure (FIG. 157).
[0007]
FIG. 158 # shows another example of a conventional dual-gate CMOS transistor. In FIG. 158 #, reference numerals 11-17 and 20-22 are the same as or correspond to the conventional example shown in FIG. 148 #. Reference numeral 23 denotes a titanium silicide film formed on the source / drain regions 21 and 22 and the polysilicon films 16 and 17 in a self-aligned manner. In this manner, the structure obtained by silicidizing the surfaces of the polysilicon film and the source / drain regions serving as the gate electrode in a self-aligned manner is called a salicide (SALIDE: Self Aligned Silicide) structure, and has a source / drain junction surface. This is effective in suppressing the sheet resistance of the source / drain region, which becomes a problem when the layer is formed shallow. In particular, titanium silicide has a low specific resistance even among metal silicides and has good adhesiveness, and thus is a promising material for high heat-resistant wiring of semiconductor devices.
[0008]
Next, a method of manufacturing the dual gate CMOS transistor shown in FIG. First, an element isolation oxide film 12 is formed on the main surface of a P-type silicon substrate 11, and an N well 13 serving as a region for forming a PMOS transistor and a P well 14 serving as a region for forming an NMOS transistor are formed (FIG. 159). Next, after an oxide film 15a # and a polysilicon film are sequentially deposited on the N well 13 and the P well 14 (not shown), as shown in FIG. 160 #, the polysilicon film is formed by photolithography and anisotropic etching. Is patterned into the shape of a gate electrode to form a polysilicon film 8. Next, as shown in FIG. 161, after forming a sidewall oxide film 20 on the side wall of the polysilicon film 8, the formation region of the PMOS transistor is covered with a resist 25, and the source / drain region of the NMOS transistor and the polysilicon film 8 are formed. Arsenic ions are implanted (FIG. 161). Next, as shown in FIG. 162 #, after removing the resist 25, the formation region of the NMOS transistor is covered with the resist 26, and boron fluoride ions are implanted into the source / drain regions of the PMOS transistor and the polysilicon film 8 (FIG. 162). ). Next, after the resist 26 is removed, titanium is sputtered on the entire surface, and heat treatment is applied to cause a reaction between silicon and titanium, and a titanium silicide film 23 is formed on the source / drain regions 21 and 22 and the polysilicon films 16 and 17. Is formed (FIG. 163).
[0009]
As described above, in the dual gate CMOS transistor, in order to connect two gate electrodes made of different materials, that is, the P-type doped polysilicon film 16 and the N-type doped polysilicon film 17, A method is employed in which the gate electrode has a polycide gate structure of a polysilicon film and a tungsten silicide film, or the gate electrode is silicided. In particular, when a salicide structure is incorporated in a dual gate CMOS transistor, an increase in sheet resistance in a source / drain region which is problematic when a source / drain junction surface is formed shallow to suppress a short channel effect can be reduced. it can.
[0010]
In addition, as one of the semiconductor devices, there is a thin film transistor (hereinafter, referred to as a TFT) using polysilicon, which is an important device as a load transistor of a highly integrated SRAM or a driving transistor for a liquid crystal display. However, demands for higher integration and higher performance of TFT application elements require TFTs to be miniaturized, improved in electrical characteristics, and improved in reliability.
[0011]
Important issues for miniaturization of a TFT are suppression of a short channel effect caused by diffusion of impurity ions forming source / drain regions into a channel region, and improvement of hot carrier resistance.
[0012]
Next, the structure of a conventional TFT will be described. Here, for convenience, a P-channel MOS-TFT (hereinafter referred to as a PMOS-TFT) will be described as an example. FIG. 164 # is a sectional structural view showing a conventional PMOS-TFT. In the figure, 101 # is a semiconductor substrate, 102 # is an insulating film formed on the semiconductor substrate, 103 # is formed on the insulating film, a P-type doped gate electrode, and 104 # is formed on the gate electrode. A gate insulating film, 105 # is a polysilicon layer formed on the gate insulating film, 105a is a channel region formed in the polysilicon layer 105 #, 105b is a P-type source region formed in the polysilicon layer 105 #, 105c is a P-type drain region formed in the polysilicon layer. FIG. 165 # is a bird's eye view of the upper part of the TFT gate electrode 103 # shown in FIG.
[0013]
Next, a method of manufacturing the TFT shown in FIG. First, a high-temperature oxide film is deposited on the semiconductor substrate 101 by a CVD method or the like to form an insulating film 102 #. Next, a non-doped polysilicon layer 103a is deposited on the insulating film 102 # by a CVD method or the like, and a P-type doped polysilicon layer 103a is implanted by implanting P-type ions such as boron (B) @ ions. Is formed (FIG. 166). Next, resist 107 # is patterned in the shape of the gate electrode, and polysilicon layer 103a is anisotropically etched to form gate electrode 103b (FIG. 167 #). Next, after removing the resist 107 #, a gate insulating film 104 # is formed by gate oxidation, a non-doped polysilicon layer is deposited on the gate insulating film 104 # by a CVD method or the like, and then arsenic ( As) is ion-implanted (not shown). Next, after depositing a resist and performing patterning using a photoengraving process so as to leave a region to be a channel region, a source region, and a drain region, anisotropic etching is performed using the resist as a mask to obtain a desired shape. A polysilicon layer 105 # is formed (FIG. 168 #). Next, after removing the resist formed in the previous step, a resist 108 # is formed again on the channel region, and boron fluoride (FB2 #) is ion-implanted using the resist 108 # as a mask (FIG. 169 #). Next, a heat treatment for activating the implanted impurities is performed to form the gate electrode 103 #, the source region 105b, and the drain region 105c, and the TFT shown in FIG. 164 # is completed.
[0014]
In addition, there is a nonvolatile semiconductor memory device as one of the semiconductor devices. Among them, an EEPROM (Electrically-Erasable and Programmable-Read-Only-Only Memory) that can freely program data and that can electrically write and erase data is known. ing. This EEPROM has the advantage that both writing and erasing can be performed electrically, but it has the disadvantage that high integration is difficult because two transistors are required for the memory cells. Therefore, a flash EEPROM has conventionally been proposed in which a memory cell is formed of one transistor, and in which written information charges can be collectively erased. These are disclosed, for example, in US Pat. No. 4,868,619.
[0015]
FIG. 170 is a sectional view showing a conventional stacked gate type flash EEPROM. The structure of a conventional flash EEPROM will be described with reference to FIG.
[0016]
Referring to FIG. 170 #, a drain region 208 and a source region 209 # are formed on a main surface of a P-type silicon substrate 201 # so as to sandwich a channel region 215 # at a predetermined interval. A floating gate electrode 203 # is formed on channel region 215 # via a thin oxide film 202 # having a thickness of about 100%. A control gate electrode 205 # is formed on floating gate electrode 203 # via an interlayer insulating film 204 # so as to be electrically separated from floating gate electrode 203 #. Floating gate electrode 203 # and control gate electrode 205 # are formed of a polysilicon layer, and are formed by implantation of boron (B) or the like.+Is doped. Thermal oxide film 216 # is formed to cover P-type silicon substrate 201 #, floating gate electrode 203 # made of a polysilicon layer, and control gate electrode 205 #. A smooth coat film 212 # made of an oxide film or the like is formed on thermal oxide film 216 #. Reference numeral 214 denotes a wiring layer made of an aluminum alloy or the like.
[0017]
Next, the operation of the flash EEPROM will be described with reference to FIG. First, in a write operation of a flash EEPROM using CHE (Channel \ Electron), a voltage V of 6V to 8V is applied to the drain region 208 #.D1. A voltage V of 10 V to 15 V is applied to the control gate electrode 205 #.G1Is applied. This voltage VD1And VG1, A portion of electrons having high energy generated near the drain region 208 # and the oxide film 202 # are attracted to and injected into the floating gate electrode 203 # by an electric field caused by the voltage VG1 applied to the control gate electrode 205 #. Is done. When electrons are accumulated in floating gate electrode 203 # in this manner, the threshold voltage VTHBecomes higher than a predetermined value. This threshold voltage VTHIs higher than a predetermined value, is a written state, and is referred to as a "0" state.
[0018]
A write operation of a flash EEPROM using SHE (Substrate \ Hot \ Electron) will be described with reference to FIG. For example, in an N-channel type flash EEPROM formed in a P well 222 # in an N-type silicon substrate 221 #, a drain region 208 # and a source region 209 # are grounded, and a voltage V of 10V to 15V is applied to a control gate electrode 205 #.G2Is applied. Further, a voltage V of -5V to -10V is applied to the substrate electrode 223 #.B2Is applied. This voltage VG2And VB2, A forward bias is applied to the PN junction formed by the N-type silicon substrate 221 # and the P-well 222 #, and an on-current is generated. Some of the electrons are applied to the voltage V applied to the control gate gate electrode 205 #.G2Is attracted to the floating gate electrode 203 # and injected.
[0019]
A write operation of a flash EEPROM using FN (Fowler-Nordheim) tunnel phenomenon will be described with reference to FIG. For example, in the FN writing at the drain end, the voltage V of −10 V to −12 V is applied to the drain region 208 #.D3Is applied, control gate electrode 205 # is held at ground potential, and source region 209 # is held in a floating state. Voltage V applied to drain region 208 #D3, Electrons in floating gate electrode 203 # pass through thin oxide film 202 # by FN tunnel phenomenon. By accumulating electrons in floating gate electrode 203 # in this manner, threshold voltage VTHWill be higher.
[0020]
Next, the erasing operation will be described. A voltage V of 10 V to 12 V is applied to the source region 209 #.SIs applied, the control gate electrode 205 # is kept at the ground potential, and the drain region 208 # is kept in a floating state. Voltage V applied to source region 209 #S, Electrons in the floating gate electrode 203 # pass through the thin oxide film 202 # by the FN tunnel phenomenon. The electrons in the floating gate electrode 203 are extracted in this manner, so that the threshold voltage VTHBecomes lower. The state where the threshold voltage VTH becomes lower than the predetermined value is the erased state and is called the state of "1".
[0021]
Further, in the read operation, a voltage V of 5 V is applied to the control gate electrode 205 #.G4, A voltage V of 1V to 2V is applied to the drain region 208 #.D4Is applied. At this time, the above-described determination of “1” or “0” is performed depending on whether a current flows through the channel region of the control gate transistor, that is, whether the control gate transistor is on or off. Thus, information is read.
[0022]
Further, a coupling ratio in the flash EEPROM will be described with reference to FIG. Since the flash EEPROM has a two-layer gate electrode, the voltage applied to the control gate electrode 205 # is applied to the channel region via the floating gate electrode 203 #. That is, even if the same potential is applied to each terminal while the amount of charge stored in floating gate electrode 203 # is the same, the potential of floating gate electrode 203 # differs depending on the structure of interlayer insulating film 204 # or oxide film 202. Potential V of floating gate electrode 203 #FGIs the control gate voltage VCG, Source voltage VSAnd drain voltage VDIn addition to the potential applied to each terminal such as, the threshold voltage VTH, The capacitance of floating gate electrode 203 # and control gate electrode 205 # (CFC), The capacitance between floating gate electrode 203 # and substrate 201 # (CFB), The capacitance between floating gate electrode 203 # and source region 209 # (CFS) And the capacitance between floating gate electrode 203 and drain region 208 # (CFD) And is approximately given by:
[0023]
VFG= CFCVCG/ CTOTAL+ CFDVD/ CTOTAL+ (CFD+ CFB) VS/ CTOTAL+ CFBVTH/ CTOTAL+ QFG/ CTOTAL… (1)
QFG= CFC(VFG-VCG) + CFD(VFG-VD) + CFS(VFG-VS) + CFB(VFG-VTH-VS)
Where CTOTAL= CFC+ CFD+ CFS+ CFB
From the equation (1), the potential V of the control gate electrode 203 # is obtained.CGIs C, called the coupling ratioFC/ CTOTALMultiplied by affects potential VFG of floating gate electrode 203. That is, when the coupling ratio is increased, the potential of floating gate electrode 203 # is increased even if the potential applied to control gate electrode 205 # is the same. Therefore, when the coupling ratio is large, the potential of floating gate electrode 203 # is increased even if the same potential is applied to control gate electrode 205 #. Therefore, as the coupling ratio increases, it becomes easier to control the transistor operation by the potential applied to control gate electrode 205 #.
[0024]
In the above-described semiconductor device, when data is written and erased by using the FN tunnel phenomenon, the oxide film 202 # is broken at a certain probability, so that the reliability of the element is reduced. Further, by tunneling electrons through the oxide film 202 #, electrons injected into the oxide film 202 # are trapped in the oxide film 202 # with a certain probability, and an interface state is generated at the interface between the silicon substrate 201 # and the oxide film 202 #. I do. Due to the generated interface states, the reliability of the oxide film 202 # is reduced, and the threshold voltage is changed and the current driving capability is reduced. In addition, since a high potential is applied to the floating gate electrode 203 #, the source region 209 #, or the drain region 208 # when data is written or erased, a high potential is applied to the interface between the drain region 208 # and the oxide film 202 # or between the source region 209 and the oxide film 202 #. An electric field is generated. In particular, since adjacent memory cells share the drain region 208 #, a potential is also applied to the drain region 208 # of the non-selected cell at the time of writing data. Since control gate electrode 205 # in a cell non-selected state is held at the ground potential, a high electric field is generated between floating gate electrode 203 # and drain region 208 # in such a non-selected cell, and this high electric field 175. Tunneling between bands occurs as shown in FIG. 175 #, and electron / hole pairs are generated. The generated holes are injected into the oxide film 202 # with a certain probability, and form an interface level at the interface between the silicon substrate 201 # and the oxide film 202 #, thereby lowering the reliability of the oxide film 202 #.
[0025]
In order to prevent such a decrease in reliability of oxide film 202 #, there has been proposed a method of suppressing generation of interface states at the interface between silicon substrate 201 # and oxide film 202 #. After the oxide film is formed, an RTN (Rapid Thermal Nitridation) process is performed so that nitrogen is contained in the oxide film 202. Since nitrogen terminates dangling bonds in the oxide film 202, electric charges are trapped in the oxide film 202 #. Can be prevented. RTN processing refers to, for example, ammonia (NH3This is a process in which annealing is performed for a very short time in a reactive gas atmosphere containing nitrogen, such as). Thereby, nitrogen is taken into silicon substrate 201 # and oxide film 202 #.
[0026]
FIG. 176 # shows a conventional embedded channel type flash EEPROM. In FIG. 176 #, 201 # to 205 #, 208 #, 209 #, 215 #, 216 # indicate the same or corresponding parts as in FIG. 170 #. 217 # is an N-type impurity layer formed in the channel region 215 #, and 218 # is a P-type impurity layer formed below the N-type impurity layer 217 #. The N-type impurity layer 217 # and the P-type impurity layer 218 # form a buried channel layer. In such a buried channel type flash EEPROM, unlike the surface channel type flash EEPROM, a high electric field is not applied between the source region 209 # or the drain region 208 # and the oxide film 202 #. The occurrence of tunneling can be suppressed. Therefore, at the time of data writing or erasing, generation of holes due to band-to-band tunneling can be prevented, and injection of holes into oxide film 202 # can be prevented.
[0027]
[Patent Document 1]
JP-A-3-46238
[0028]
[Patent Document 2]
JP-A-3-44075
[0029]
[Patent Document 3]
JP-A-62-177919
[0030]
[Problems to be solved by the invention]
The conventional MOS transistor has the following problems.
[0031]
Conventionally, a source / drain region of a PMOS transistor has been formed by implanting boron fluoride ions to form a shallow source / drain junction surface. Therefore, there has been a problem that fluorine contained in boron fluoride ions hinders the reaction between titanium and silicon at the time of forming titanium silicide, and a good titanium silicide film cannot be formed.
[0032]
Further, in the conventional method of forming the source / drain regions of the PMOS transistor, a high-temperature heat treatment for crystal recovery is required because the source / drain regions are pre-amorphized by silicon ions or germanium ions. Therefore, there is a problem that the reduction of the heat treatment, which is a condition for forming the source / drain junction surface shallow, causes insufficient recovery of the crystal and increases the junction leakage current.
[0033]
In addition, the heat treatment must be reduced in order to form the source / drain junction surface of the NMOS transistor shallowly. As a result, the recovery of the crystal becomes insufficient and the junction leakage current increases.
[0034]
Furthermore, the conventional method of forming source / drain regions has a problem in that impurities implanted by heat treatment for activation diffuse in both the PMOS transistor and the NMOS transistor, making it difficult to form a shallow junction. .
[0035]
Also, in the dual gate CMOS transistor, during the heat treatment process, boron ions penetrate through the gate oxide film from the P-type doped gate electrode of the PMOS transistor and enter the channel region, thereby changing the threshold voltage of the transistor. was there.
[0036]
In particular, in a dual gate CMOS transistor having a polycide gate structure, arsenic ions are diffused from the N-type doped gate electrode and boron ions are diffused from the P-type doped gate electrode through the silicide during the heat treatment process. Accordingly, there is a problem that the work function of the gate electrode is changed and the threshold voltage of the transistor is changed.
[0037]
Further, in conventional NMOS transistors and PMOS transistors, the gate electrodes are doped with impurities, so that the diffusion of the impurities during the heat treatment process deteriorates the gate oxide film. However, there was a problem that sufficient was not obtained.
[0038]
In addition, the conventional TFT has the following problems with recent miniaturization.
[0039]
Due to the heat treatment after the source / drain implantation, impurities in the source region and the drain region are thermally diffused and diffused into the channel region, so that punch-through occurs and the original transistor operation is not performed.
[0040]
When the electric field applied to the drain end is high in the off state, hot carriers are generated and the reliability of the device is degraded.
[0041]
The conventional flash EEPROM has the following problems.
Conventionally, RTN processing has been used as a method for introducing nitrogen into oxide film 202 #. Since the RTN process is often performed in an ammonia atmosphere, as shown in FIG. 177 #, the oxide film 202 # contains not only nitrogen but also hydrogen. There is a problem that the reliability of the oxide film 202 # is reduced by the doping of hydrogen. Further, there is a problem in that hydrogen and nitrogen are also injected into the silicon substrate 201 # due to the manufacturing method.
[0042]
Further, in the RTN process, the silicon substrate 201 # is exposed to a high temperature of about 1100 [deg.] C. Further, since the process is performed in a short time, the temperature around the silicon substrate 201 # is rapidly changed. For this reason, there has been a problem that a temperature distribution is generated in the plane of the silicon substrate 201, and a slit-like defect is generated due to a difference in expansion coefficient.
[0043]
In a conventional flash EEPROM, an impurity such as boron is implanted into the control gate electrode or the floating gate electrode. Therefore, the implanted impurity penetrates into the interlayer insulating film 204 # or the oxide film 202 # during the heat treatment process, and There is a problem that the film quality of the film 204 # or the oxide film 202 # is deteriorated.
[0044]
In particular, when boron penetrates oxide film 202 # and enters channel region 215 #, there is a problem that the threshold voltage of the flash EEPROM varies.
[0045]
Further, the potential applied to control gate electrode 205 # is applied to floating gate electrode 203 # in a form multiplied by the coupling ratio. Therefore, it is necessary to apply a potential to the control gate electrode 205 # in anticipation of a decrease in potential due to the coupling ratio. For example, when writing is performed in a device having a coupling ratio of 0.5%, the floating gate electrode 203 # If 5V is applied, a voltage of about 10V must be applied to the control gate electrode 205 #. In other words, in order to guarantee the same operation, it is necessary to apply a higher voltage to the control gate electrode 205 as the coupling ratio is smaller, and it is difficult to reduce the power supply voltage of the flash EEPROM.
[0046]
Conventionally, in order to improve the coupling ratio, a method of using a nitride film having a higher dielectric constant than an oxide film as the interlayer insulating film 204 # has been proposed. There is a problem that becomes large. In order to prevent the problem of the leakage current, a composite film of a nitride film and an oxide film may be used as the interlayer insulating film 204 #. However, the interlayer insulating film 204 # becomes thicker and the coupling ratio cannot be increased. was there.
[0047]
Further, when considering miniaturization of an element, it is difficult to form a shallow source / drain junction due to diffusion of impurities implanted by source / drain implantation, so that there is a problem of a short channel effect such as punch-through. there were.
[0048]
In a conventional buried channel type flash EEPROM, it is difficult to form a buried channel layer shallow due to diffusion of impurities implanted into the buried channel region. There is a problem in that it becomes impossible to control the drain-to-drain current, and the source-drain breakdown voltage characteristics such as punch-through deteriorate.
[0049]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and it is intended to form a shallow source / drain junction surface, prevent lateral diffusion of impurities implanted in a source / drain region, and dope a gate electrode. Device capable of suppressing penetration of boron ions, suppressing diffusion of impurities doped into the gate electrode, improving hot carrier resistance, improving reliability of oxide film and interlayer insulating film, and reducing power supply voltage and manufacturing thereof The aim is to provide a method.
[0050]
[Means for Solving the Problems]
The semiconductor device according to the present invention includes a semiconductor substrate, a first insulating film provided on the semiconductor substrate, a first electrode of a first conductivity type provided on the first insulating film, A source / drain region provided on the semiconductor substrate with a first electrode interposed therebetween, wherein the first insulating film and the first electrode are doped with nitrogen.
[0051]
Further, the nitrogen concentration peak in a depth direction from the first electrode toward the semiconductor substrate exists at a position shallower than an interface between the semiconductor substrate and the first insulating film.
[0052]
Still another feature is that the nitrogen concentration peak exists in the first insulating film.
[0053]
Still further, the first conductivity type is a P-type or an N-type.
[0054]
Still another feature is that the inside of the source / drain region is doped with nitrogen.
[0055]
Still further, a second insulating film is provided on the first electrode, and a second electrode is provided on the second insulating film, wherein the second insulating film is doped with nitrogen. It is characterized by having.
[0056]
Still another feature is that the second electrode is doped with nitrogen.
[0057]
In addition, a semiconductor device according to the present invention includes a semiconductor substrate, a first insulating film formed on the semiconductor substrate, a first electrode formed on the first insulating film, The semiconductor device includes a source / drain region provided on the semiconductor substrate with an electrode interposed therebetween, and a region doped with nitrogen in the source / drain region.
[0058]
Further, a second insulating film is provided on the first electrode, and a second electrode is provided on the second insulating film.
[0059]
Still further, the source / drain region is provided from the main surface of the semiconductor substrate to the inside of the semiconductor substrate, and the nitrogen-doped region is provided from the main surface to the inside of the source / drain region. It is characterized by being provided.
[0060]
Further, a semiconductor device according to the present invention includes a semiconductor substrate of a first conductivity type, a first insulating film formed on the semiconductor substrate, and a first electrode formed on the first insulating film. A source / drain region of a second conductivity type provided on the semiconductor substrate with the first electrode interposed therebetween; and a first of a second conductivity type provided on the semiconductor substrate between the source / drain regions. An impurity region and a region containing nitrogen inside the first impurity region are provided.
[0061]
Further, a second insulating film is provided on the first electrode, and a second electrode is provided on the second insulating film.
[0062]
Still another feature is that an impurity region of a first conductivity type is provided below the first impurity region.
[0063]
Further, a semiconductor device according to the present invention includes a semiconductor substrate having a first conductivity type region and a second conductivity type region, a first gate insulating film formed on the first conductivity type region, A first gate electrode formed on a first gate insulating film and doped to a second conductivity type; and a second conductivity type formed in the region of the first conductivity type with the first gate electrode interposed therebetween. Source / drain regions, a second gate electrode formed on the second conductivity type region and doped with the first conductivity type, and the first conductivity type region sandwiching the second gate electrode. And a first conductivity type source / drain region formed in the first gate electrode, the first gate electrode, the second gate electrode, the first gate insulating film, and the second gate electrode are doped with nitrogen. It is characterized by the following.
[0064]
Further, the first conductivity type is P-type, and the second conductivity type is N-type.
[0065]
Further, a semiconductor device according to the present invention includes a semiconductor substrate having a first conductivity type region and a second conductivity type region, a first gate insulating film formed on the first conductivity type region, A first gate electrode formed on a first gate insulating film and having a laminated structure of a polysilicon film doped with a second conductivity type and a metal silicide film; and a first gate electrode sandwiching the first gate electrode. A second conductivity type source / drain region formed in the one conductivity type region, a second gate insulating film formed on the second conductivity type region, and formed on the second gate insulating film And a second gate electrode having a stacked structure of a polysilicon film doped with a first conductivity type and a metal silicide film, and formed in a region of the first conductivity type with the second gate electrode interposed therebetween. A source / drain region of a first conductivity type; The first gate electrode and the second gate electrode are doped with nitrogen, and the nitrogen concentration peaks in the first gate electrode and the second gate electrode are present at the interface between the polysilicon film and the metal silicide film. It is characterized by doing.
[0066]
Further, the first gate insulating film and the second gate insulating film are doped with nitrogen.
[0067]
Further, in the semiconductor device according to the present invention, an active layer in which a source / drain region is formed sandwiching a channel region, and a region doped with nitrogen including a junction surface between the channel region and the source / drain region is formed And an insulating film formed on the first surface of the active layer, and a gate electrode formed at a position facing the channel region via the insulating film.
[0068]
In addition, the semiconductor device according to the present invention includes an active layer having a source / drain region formed with a channel region interposed therebetween, an insulating film formed on a first surface of the active layer, A gate electrode formed at a position facing the channel region, wherein the active layer and the insulating film are doped with nitrogen.
[0069]
In addition, the semiconductor device according to the present invention includes an active layer having a source / drain region formed with a channel region interposed therebetween, an insulating film formed on a first surface of the active layer, A gate electrode formed at a position facing the channel region, wherein the gate electrode and the insulating film are doped with nitrogen.
[0070]
Further, the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step of forming an insulating film on a semiconductor substrate, a step of forming an electrode layer on the insulating film, a step of ion-implanting nitrogen into the electrode, A step of injecting impurities into the electrode layer; a step of performing a heat treatment after the steps of injecting nitrogen into the electrode layer and the step of injecting impurities to deposit nitrogen in the insulating film. .
[0071]
Further, in the nitrogen ion implantation, the projected range RP of the nitrogen is set at a position where the distance from the interface between the insulating film and the electrode layer is 5 × {RP} or more, where the standard deviation is 偏差 RP. It is characterized by being set.
[0072]
Further, in the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, a step of forming a first insulating film on a semiconductor substrate; a step of forming an electrode layer on the first insulating film; A step of implanting ions, a step of implanting impurities into the electrode layer, a step of forming a second insulating layer on the electrode layer after the steps of implanting nitrogen and the impurities, and a step of forming the second insulating layer A heat treatment after the step of forming nitrogen, and a step of depositing nitrogen in the first insulating layer and the second insulating layer.
[0073]
Further, in the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, a step of forming a gate electrode on a semiconductor substrate, implanting nitrogen ions into the semiconductor substrate, and forming a nitrogen-doped region in the semiconductor substrate with the gate electrode interposed therebetween And implanting impurity ions having a range greater than the range of the nitrogen ions into the semiconductor substrate to form source / drain regions including the nitrogen-doped region. .
[0074]
Further, the nitrogen ions are implanted into the semiconductor substrate at an angle smaller than 90 degrees with respect to the main surface of the semiconductor substrate.
[0075]
Further, in the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, a step of forming a gate insulating film on a semiconductor substrate, a step of forming a gate electrode on the gate insulating film, and the step of sandwiching the gate electrode and the gate electrode Implanting nitrogen ions into the semiconductor substrate, doping the gate electrode with nitrogen, and forming a nitrogen-doped region in the semiconductor substrate; and removing impurity ions having a range larger than the range of the nitrogen ions. Implanting the gate electrode and the gate electrode into the semiconductor substrate with the gate electrode interposed therebetween, doping the gate electrode with impurities, and forming source / drain regions including the nitrogen-doped region; and forming the gate electrode and the semiconductor substrate. Performing a heat treatment after the step of implanting impurities into the gate insulating film. And butterflies.
[0076]
In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, a gate insulating film is formed on a semiconductor substrate having a first conductivity type region and a second conductivity type region, and a gate electrode layer is formed on the gate insulating film. In the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, a step of ion-implanting nitrogen into the entire surface of the gate electrode layer and a step of introducing a second conductivity type impurity into the gate electrode layer formed on the first conductivity type region. Introducing a first conductivity type impurity into the gate electrode layer formed on the second conductivity type region; and introducing nitrogen and impurities into the gate electrode layer and then performing a heat treatment to form the gate insulating layer. And depositing nitrogen in the film.
[0077]
In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, a gate insulating film is formed on a semiconductor substrate having a first conductivity type region and a second conductivity type region, and a polysilicon film is formed on the gate insulating film. A method of manufacturing a semiconductor device in which a metal silicide film is formed on the polysilicon film, wherein nitrogen is ion-implanted at an interface between the polysilicon film and the metal silicide film; Introducing a second conductivity type impurity into the polysilicon film formed on the substrate; and introducing a first conductivity type impurity into the polysilicon film formed on the second conductivity type region. A step of performing a heat treatment after the step of introducing nitrogen and impurities into the polysilicon film to precipitate nitrogen in the gate insulating film.
[0078]
Further, in the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, it is preferable that a polysilicon film to be an active layer, a first insulating film formed on a first surface of the active layer, and the first insulating film be interposed. A method of manufacturing a semiconductor device having a gate electrode formed by performing a step of implanting nitrogen ions into the polysilicon film by an oblique rotation implantation method; and a step of implanting nitrogen ions into the polysilicon film. / Implanting impurities into the drain region.
[0079]
The method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention may further include a step of implanting nitrogen into a gate electrode, a step of forming a gate insulating film on the gate electrode after the step of implanting nitrogen ions, A step of forming a polysilicon film to be an active layer on the insulating film; and a step of performing a heat treatment after the step of forming the polysilicon film to deposit nitrogen in the gate insulating film. And
[0080]
In the semiconductor device according to the present invention, since the gate electrode is doped with nitrogen, when introducing the impurity into the gate electrode, the nitrogen first occupies the holes that are diffusion paths of the impurity. Spreading is suppressed. Therefore, the impurity is prevented from entering the gate insulating film or penetrating the gate insulating film.
[0081]
Further, since nitrogen is precipitated in the gate insulating film, the interface state between the gate insulating film and the semiconductor substrate is reduced, and the reliability and hot carrier resistance of the gate insulating film of the semiconductor device are improved. In the case where the semiconductor device is a semiconductor memory device capable of electrically writing and erasing data, holes generated by band-to-band tunneling are injected into a gate insulating film during data writing or erasing, or electrons are emitted. Tunneling the insulating film can prevent generation of an interface level at the interface between the gate insulating film and the semiconductor substrate.
[0082]
Further, when nitrogen is implanted into the gate electrode and a heat treatment is performed after an interlayer insulating film is formed over the gate electrode, nitrogen also precipitates in the interlayer insulating film. This nitrogen prevents the formation of a level in the interlayer insulating film during the operation of the element, so that the reliability of the interlayer insulating film can be improved. Since the film quality of the interlayer insulating film can be reduced by improving the film quality, the coupling ratio can be improved and the potential applied to the control gate electrode can be reduced.
[0083]
In the semiconductor device according to the present invention, since the source / drain regions are doped with nitrogen, the junction surface between the source / drain regions is formed shallow due to the effect of preventing diffusion of nitrogen impurities. Therefore, a short channel effect such as punch-through can be suppressed, and the element can be miniaturized. Further, by providing the nitrogen doping region so as to include the junction surface between the channel region and the source / drain region, the lateral diffusion of impurities can be further suppressed. In the case where the semiconductor device is a semiconductor memory device which can be electrically written and erased, diffusion of impurities for forming source / drain regions is suppressed, so that the source / drain regions and the gate electrode overlap. Therefore, the capacitance between the control gate electrode and the source / drain regions can be reduced. Therefore, the coupling ratio can be increased, and the potential applied to the control gate electrode can be reduced.
[0084]
In the semiconductor device according to the present invention, nitrogen is doped into a gate electrode having a two-layer structure of a metal silicide film and a polysilicon film, and a nitrogen concentration peak exists at an interface between the polysilicon film and the metal silicide film. Therefore, diffusion of impurities doped into the polysilicon film into the metal silicide film is suppressed. Therefore, a change in the work function of the gate electrode in the positive or negative direction is suppressed, and a change in the threshold voltage due to a change in the work function is suppressed.
[0085]
Further, when nitrogen is doped into the channel region of the semiconductor substrate, diffusion of impurities for forming a buried channel is suppressed. Therefore, since the buried channel layer can be formed thin, punch-through caused by the buried channel layer having a large thickness is suppressed. Also, by forming a region to be doped with nitrogen inside the buried channel layer, defects caused by the implantation of nitrogen cannot be formed at the bonding surface between the buried channel layer and the semiconductor substrate. It does not occur.
[0086]
Further, in the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, nitrogen is ion-implanted into a gate electrode, and then heat treatment is performed to precipitate nitrogen in the gate insulating film. That is, nitrogen can be injected into the gate insulating film without damaging the gate insulating film, and hydrogen is not contained in the gate insulating film. Therefore, a nitrogen effect can be provided without being adversely affected by hydrogen.
[0087]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
(Embodiment 1)
Next, an embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a sectional view showing a PMOS transistor according to a first embodiment of the present invention. In FIG. 1, reference numerals 1, 4 to 7, and 10 are the same as or correspond to those of the conventional FIG. The shaded area 30 indicates a nitrogen doping region, and P+It exists in the -shaped gate electrode 35 and the gate oxide film 36. FIG. 2 shows the PMOS transistor P shown in FIG.+FIG. 4 is a diagram showing profiles in the depth direction of a -shaped gate electrode 35 and a gate oxide film 36. FIG. 2 shows that nitrogen is deposited in the gate oxide film 36. Here, the precipitation of nitrogen refers to a state where nitrogen is trapped at a certain position and the concentration increases.
[0088]
Next, a manufacturing process of the PMOS transistor shown in FIG. 1 will be described. First, after an element isolation oxide film 7 is formed on the N-type silicon substrate 1 by a normal element isolation step, an oxide film 36a # of about 100 DEG is formed by thermal oxidation, and a polysilicon film 35a # of about 2000 DEG is formed by a CVD method. (FIG. 3). Next, nitrogen ions are applied at 20 keV and 4 × 10 so that the range center is located above the polysilicon film 35a #.Fifteen/ Cm2Inject under the conditions of (FIG. 4). Next, boron ions are applied to the polysilicon film 35a # at 20 keV and 4 × 10Fifteen/ Cm2Inject under the conditions of (FIG. 5). Next, an oxide film of about 2000 ° is deposited by a CVD method (not shown), and the oxide film and the polysilicon film 35a ′ are patterned into the shape of the gate electrode by using photolithography and anisotropic etching. 4 and a gate electrode 35b # are formed (FIG. 6). Next, an oxide film of about 800 ° is deposited by a CVD method (not shown), and the side wall oxide film 5 and the gate oxide film 36b # are formed by etching back. 20 keV, 4 × 10Fifteen/ Cm2Inject under the condition of (FIG. 7). Then, the source / drain region 6 and the gate electrode 35 shown in FIG. 1 are formed by activating the implanted impurities by applying a heat treatment at 850 ° C. for about 20 minutes. At the time of this heat treatment, nitrogen doped above gate electrode 35b # is thermally diffused, but nitrogen is segregated in gate oxide film 36b #, and as shown in FIG. A film 36 is formed.
[0089]
Here, the nitrogen injection conditions during the above manufacturing process will be described in more detail. The projected range RP of nitrogen is P, given its standard deviation as △ RP.+The gate electrode 35 is set so as to be located in the gate electrode 35 at a position above the position of 5 × {RP} from the interface between the gate electrode 35 and the gate oxide film 36 (FIG. 8). If the position is set below this condition, the gate oxide film 36 may be damaged by nitrogen implantation.
[0090]
In the above description, the doping of the gate electrode 35 and the doping of the source / drain region 6 are performed in separate steps. However, the doping of the gate electrode 35 is performed together with the doping of the source / drain region 6. No problem. For doping the gate electrode, boron fluoride may be ion-implanted. Further, in the above embodiment, the case where only the PMOS transistor is used has been described. However, the PMOS transistor may be added to a part of the CMOS transistor, or the manufacturing process of the PMOS transistor may be added to a part of the manufacturing process of the CMOS transistor. Good.
[0091]
Next, effects of the invention in the present embodiment will be described. Since the gate electrode 35 is doped with nitrogen, diffusion of boron is suppressed. In other words, since nitrogen has the same vacancy diffusion mechanism as boron and has a larger diffusion coefficient than boron, nitrogen occupies the vacancy that is the diffusion path first by interdiffusing nitrogen with boron. As a result, diffusion of boron can be suppressed, and as a result, penetration of boron into the channel region 10 can be suppressed, and fluctuation of the threshold voltage can be effectively suppressed. Further, by doping nitrogen using an ion implantation method, the depth and concentration distribution of nitrogen can be easily controlled.
[0092]
Further, by doping nitrogen on the upper portion of the gate electrode 35 and performing a heat treatment, nitrogen is deposited on the gate oxide film 36. As a result, the silicon oxide film / silicon interface level is reduced, the reliability of the gate oxide film 2 is improved, and the hot carrier resistance is effectively improved. Here, FIG. 9 shows the result of evaluating the reliability of the gate oxide film of the conventional MOS transistor and the MOS transistor in which nitrogen was implanted into the gate electrode by the constant current stress method. FIG. 9 is a diagram showing an improvement in the reliability of an oxide film by nitrogen implantation. FIG. 9 shows that when nitrogen is implanted into the gate electrode 35 and nitrogen is deposited on the gate oxide film 36, the dielectric breakdown resistance is improved and the reliability of the gate oxide film is improved. FIG. 10 shows the nitrogen injection amount dependency of the amount of change in the threshold voltage due to hot carrier injection of the PMOS transistor. FIG. 10 shows the change in threshold voltage after applying a constant stress voltage for 1000 seconds. Since the change in threshold voltage decreases when the amount of nitrogen implanted into the gate electrode 35 is increased, nitrogen is applied to the gate electrode. It is understood that the doping and the deposition of nitrogen on the gate oxide film 36 improve the hot carrier resistance of the PMOS transistor.
[0093]
The nitrogen concentration peak in the nitrogen doping region 30 inside the gate electrode 35 and the gate oxide film 36 is 10 to19/ Cm3From to21/ Cm3It is desirable to set within the range. Therefore, the injection amount of nitrogen ions during the manufacturing process is14/ Cm2To 〜1016/ Cm2It should be set within the range of. Nitrogen concentration peak is ~ 1019/ Cm3If it is lower than the above, the above-described effect cannot be obtained, and the nitrogen concentration peak in the gate oxide film 36 becomes 10 to21/ Cm3If it is higher than, the mobility of the channel electrons deteriorates, and the MOS transistor characteristics deteriorate.
[0094]
(Embodiment 2)
Next, another embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 11 is a sectional view showing a PMOS transistor according to a second embodiment of the present invention. In FIG. 11, reference numerals 1 to 7, and 10 are the same as or correspond to those in the conventional FIG. Reference numeral 30 denotes a nitrogen doping region formed inside the source / drain region 6. FIG. 12 is a diagram showing a profile in the depth direction of the source / drain region 6 of the PMOS transistor shown in FIG. FIG. 12 shows that the junction surface of the source / drain region 6 is not doped with nitrogen, and that the nitrogen / doped region 30 exists inside the source / drain region 6 formed by doping with boron.
[0095]
Next, a manufacturing process of the PMOS transistor shown in FIG. 11 will be described. First, after an element isolation oxide film 7 is formed by a normal element isolation step, a 100 ° oxide film 2a is formed on the N-type silicon substrate 1 by thermal oxidation, and then 5 × 20 phosphorus is formed by a CVD method. / Cm3A polysilicon film 3a doped to a thickness of about 2000 is deposited for about 2000 °, and an oxide film 4a for about 2000 ° is deposited by CVD (FIG. 13). Next, the oxide film 4a and the polysilicon film 3a are patterned into the shape of the gate electrode by photolithography and anisotropic etching to form the oxide film 4 and the gate electrode 3, respectively (FIG. 14). Next, an oxide film of about 800 ° is deposited by a CVD method (not shown), and a sidewall oxide film 5 is formed by etching back (FIG. 15). Next, nitrogen ions were set to 10 keV and 2 × 10Fifteen/ Cm2Inject under the conditions of (FIG. 16). Next, boron ions were set to 10 keV, 4 × 10Fifteen/ Cm2注入 (FIG. 17), and a heat treatment at 850 ° C. for about 20 minutes is applied to activate the implanted impurities.+At the same time that the -type source / drain regions 6 are formed, the nitrogen doping region 30 is formed.
[0096]
Next, another manufacturing process of the PMOS transistor shown in FIG. 11 will be described. 13 to 15 are the same as those in the above-described manufacturing process, and thus the description is omitted. Next, while rotating the N-type silicon substrate 1 at an incident angle of 30 ° with nitrogen ions, 12 keV, 2.5 、 × 10Fifteen/ Cm2(FIG. 18). Next, boron ions were set to 10 keV, 4 × 10Fifteen/ Cm2注入 (FIG. 19) and a heat treatment at 850 ° C. for about 20 minutes to activate the implanted impurities, thereby obtaining the P shown in FIG.+At the same time that the -type source / drain regions 6 are formed, the nitrogen doping region 30 is formed.
[0097]
Here, the nitrogen implantation conditions during the above manufacturing process will be described. Nitrogen is implanted at such an energy that the projected range of nitrogen is smaller than the projected range of boron. This is to prevent a defect occurring at the time of implanting nitrogen from occurring at a junction surface between the source / drain region 6 and the N-type silicon substrate 1 and causing a junction leakage current at the time of device operation.
[0098]
In the above description, an N-type gate electrode is used as the gate electrode. However, a P-type gate electrode or a gate electrode having a stacked structure of metal silicide and polysilicon may be used to reduce the sheet resistance of the gate electrode. As shown in FIG. 20, a titanium silicide film 8 may be formed on source / drain region 6 by using a titanium salicide step after the step shown in FIG. 19 in order to reduce the resistance of source / drain region 6. . Further, in the above-described embodiment, boron is ion-implanted when the source / drain regions 6 are formed. However, when the titanium silicide film 8 as shown in FIG. Boron fluoride may be ion-implanted. In the above embodiment, the case where only the PMOS transistor is used has been described. However, the PMOS transistor may be added to a part of the CMOS transistor, or the manufacturing process of the PMOS transistor may be added to a part of the CMOS transistor. Good.
[0099]
Next, effects of the invention in the present embodiment will be described. P+Since the -type source / drain regions 6 are doped with nitrogen, diffusion of boron is suppressed. In other words, since nitrogen has the same vacancy diffusion mechanism as boron and has a larger diffusion coefficient than boron, nitrogen occupies the vacancy that is the diffusion path first by interdiffusing nitrogen with boron. As a result, diffusion of boron can be suppressed, and the junction surface of the source / drain region 6 can be formed shallow. Further, in the present embodiment, in order to prevent the harmful effects of nitrogen implantation, nitrogen is implanted with an energy such that the projected range of nitrogen is smaller than the projected range of boron. As shown in (2), even if the end of the nitrogen distribution at the time of nitrogen implantation is not deeper than the end of the boron distribution at the time of boron implantation, it can be sufficiently suppressed.
[0100]
Further, when nitrogen is doped by the ion implantation method, the N-type silicon substrate 1 is made amorphous, and the channeling phenomenon at the time of boron ion implantation performed thereafter can be suppressed, so that the junction surface of the source / drain region 6 is formed shallow. It becomes possible. In addition, since amorphization by nitrogen is not as amorphous as by ion implantation of germanium and silicon, high-temperature heat treatment for recovering crystals is not required, and it is more effective to form a shallow junction surface. Further, since the source / drain region 6 can be formed without implanting boron fluoride into the source / drain region 6, when the resistance of the source / drain region is reduced by using the salicide process, the fluorine in the boron fluoride is reduced. Hinders the silicidation reaction, and a good metal silicide film can be formed. Further, by doping nitrogen by oblique rotation ion implantation, the lateral diffusion of boron can be further suppressed, and as a result, the effective gate length of the transistor can be increased.
[0101]
The nitrogen concentration peak in the nitrogen doping region 30 inside the source / drain region 6 is 10 to19/ Cm3To 〜1021/ Cm3It is desirable to set within the range of. Therefore, the injection amount of nitrogen ions during the manufacturing process is14/ Cm2To 〜1016/ Cm2It should be set within the range. Nitrogen concentration peak is ~ 1019/ Cm3When the value is lower than, the above-mentioned effects cannot be obtained, and the nitrogen concentration peak becomes 〜101021/ Cm3If it becomes higher, the activation rate of boron decreases, and the resistance of the source / drain region 6 increases.
[0102]
(Embodiment 3)
Next, another embodiment of the present invention will be described. FIG. 22 is a sectional view showing a PMOS transistor according to the third embodiment of the present invention. 22, 1, 2, 5 to 7, 10, 30, 35, and 36 are the same as or correspond to those shown in FIG. 1 or FIG. This embodiment is an invention in which Embodiment 1 and Embodiment 2 are combined.
[0103]
Next, a manufacturing process of the PMOS transistor shown in FIG. 22 will be described. First, after an element isolation oxide film 7 is formed on the N-type silicon substrate 1 by a normal element isolation process, an oxide film 36a of about 100 ° is formed by thermal oxidation, and a polysilicon film 35a of about 2000 ° is formed by a CVD method. Is formed (FIG. 23). Next, the polysilicon film 35a # and the oxide film 36a # are patterned into the shape of the gate electrode by photolithography and anisotropic etching to form the polysilicon film 35b # and the gate oxide film 2, respectively (not shown). Next, an oxide film of about 800 ° is deposited by a CVD method (not shown), and is etched back to form a sidewall oxide film 5 and a gate oxide film 36b ′ (FIG. 24). Next, nitrogen ions are applied to the polysilicon film 35b # and the source / drain regions at 10 keV and 2 × 10Fifteen/ Cm2The injection is performed under the condition of (FIG. 25). Next, boron ions are applied to the polysilicon film 35b # and the source / drain regions at 10 keV,Fifteen/ Cm2The injection is performed under the condition of (FIG. 26). Next, the source / drain region 6, the gate electrode 35 and the nitrogen doping region 30 shown in FIG. 22 are formed by activating the implanted impurities by applying a heat treatment at 850 ° C. for about 20 minutes. At the time of this heat treatment, nitrogen doped above gate electrode 35b # is thermally diffused, but nitrogen is segregated in gate oxide film 36b #, and as shown in FIG. A film 36 is formed. The conditions for implanting nitrogen into the source / drain region 6 and the gate electrode 35 are as described in the first and second embodiments, respectively.
[0104]
Next, another manufacturing process of the PMOS transistor shown in FIG. 22 will be described. First, after an element isolation oxide film 7 is formed on the N-type silicon substrate 1 by a normal element isolation process, an oxide film 36a of about 100 ° is formed by thermal oxidation, and a polysilicon film 35a of about 2000 Is formed (FIG. 27). Then, nitrogen ions are applied at 20 keV and 4 × 10 4 so that the range center is located above the polysilicon film 35a #.Fifteen/ Cm2The injection is performed under the condition of (FIG. 28). Next, boron ions are applied to the polysilicon film 35a # at 20 keV and 4 × 10Fifteen/ Cm2Inject under the conditions of (FIG. 29). Next, the polysilicon film 35a # is patterned into the shape of a gate electrode by photolithography and anisotropic etching to form a gate electrode 35b # (not shown). Next, an oxide film of about 800 ° is deposited by a CVD method (not shown), and is etched back to form a sidewall oxide film 5 and a gate oxide film 36b ′ (FIG. 30). Next, nitrogen is applied to the source / drain regions at 10 keV and 2 × 10Fifteen/ Cm2Ion implantation is performed under the condition of (FIG. 31). Next, boron ions were applied to the source / drain regions at 10 keV and 4 × 10Fifteen/ Cm2Inject under the conditions of (FIG. 32). Finally, heat treatment is applied at 850 ° C. for about 20 minutes. The operation in this heat treatment has been described in detail in the first manufacturing process, and therefore the description thereof is omitted here.
[0105]
In the second manufacturing process, nitrogen and boron are implanted twice into the gate electrode 35. Before patterning the gate electrode 35, an oxide film of about 2000.degree. In this way, an oxide film serving as a stopper film for introducing impurities into the gate electrode 35 may be formed on the gate electrode, and in the subsequent ion implantation of nitrogen and boron, only the source / drain region 6 may be implanted. In this manufacturing process, boron ions are implanted before patterning the gate electrode 35. However, the process may be omitted and the gate electrode 35 may be doped by implanting boron ions into the source / drain regions 6.
[0106]
In the above embodiment, the case where only the PMOS transistor is used has been described. However, the PMOS transistor may be added to a part of the CMOS transistor, or the manufacturing process of the PMOS transistor may be added to a part of the CMOS transistor. As shown in FIG. 33, in order to reduce the resistance of the gate electrode 35 and the source / drain region 6, a titanium salicide process is used after the process shown in FIG. 26 or FIG. May be formed with titanium silicide 8.
[0107]
Next, effects of the invention in the present embodiment will be described. Since the gate electrode 35 is doped with nitrogen, the diffusion of boron is suppressed as described in detail in Embodiment 2, and the penetration of boron into the channel region 10 through the gate oxide film 36 can be suppressed. In addition, the fluctuation of the threshold voltage can be effectively suppressed. Further, by doping nitrogen on the upper portion of the gate electrode 35 and performing a heat treatment, nitrogen is deposited on the gate oxide film 36. As a result, the silicon oxide film / silicon interface level is reduced, the reliability of the gate oxide film 36 is improved, and the hot carrier resistance is effectively improved. Furthermore, since the source / drain region 6 is doped with nitrogen, the diffusion of boron is suppressed as described in detail in Embodiment 1, and the junction surface of the source / drain region 6 can be formed shallow. Become. In addition, although the number of steps increases, by separately performing the nitrogen doping step for the gate electrode 35 and the source / drain regions 6, it becomes possible to change and optimize the respective nitrogen profiles, and to perform the gate oxidation of boron. The penetration of the film 36 and the diffusion in the source / drain region 6 are more effectively suppressed.
[0108]
(Embodiment 4)
Next, another embodiment of the present invention will be described. FIG. 34 is a sectional view showing the NMOS transistor according to the fourth embodiment of the present invention. In the figure, 4, 5, 7, and 10 are the same as or correspond to those shown in FIG. Numeral 40 indicates a P-type silicon substrate, shaded portions 30 indicate nitrogen doping regions, and N+It exists in the -shaped gate electrode 41 and the gate oxide film 42. 43 denotes an N formed with the channel region 10 interposed therebetween.Type source / drain regions, 44 is NN formed adjacent to the -type source / drain regions+These are type source / drain regions. NType source / drain region 43 and N+The -type source / drain regions 44 constitute an NMOS transistor having an LDD (Lightly-DopedpDrain) structure. FIG. 35 is a diagram showing the NMOS transistor N shown in FIG.+FIG. 4 is a diagram illustrating profiles of a -shaped gate electrode 41 and a gate oxide film 42 in a depth direction. FIG. 35 shows that nitrogen is deposited in the gate oxide film 42. Here, the precipitation of nitrogen refers to a state where nitrogen is trapped at a certain position and the concentration increases.
[0109]
Next, a manufacturing process of the NMOS transistor shown in FIG. 34 will be described. First, after an element isolation oxide film 7 is formed on a P-type silicon substrate 40 by an ordinary element isolation structure, an oxide film 42a of about 100 ° is formed by thermal oxidation, and a polysilicon film 41a of about 2000 Is formed (FIG. 36). Next, nitrogen ions are applied at 20 keV and 1 × 10 2 so that the range center is located above the polysilicon film 41a #.16/ Cm2Inject under the conditions of (FIG. 37). Next, arsenic ions are applied to the polysilicon film 41a # at 30 keV, 4 × 10Fifteen/ Cm2The injection is performed under the condition of (FIG. 38). Next, the polysilicon film 41a # is patterned into the shape of a gate electrode by photolithography and anisotropic etching to form a gate electrode 41b # (not shown). Next, arsenic ions are introduced into the N-type source / drain regions at 50 keV, 4 × 1013/ Cm2Inject under the conditions of (FIG. 39). Next, an oxide film of about 800 ° is deposited by a CVD method (not shown), and is etched back to form a sidewall oxide film 5 and a gate oxide film 42b (FIG. 40). Next, N+Arsenic ions in the -type source / drain regions at 50 keV, 4 × 10Fifteen/ Cm2The injection is performed under the condition of (FIG. 41).
[0110]
Finally, the implanted impurities are activated by applying a heat treatment at 850 ° C. for about 20 minutes, and the N shown in FIG.Type source / drain region 43, N+A ソ ー ス -type source / drain region 44, a gate electrode 41, and a nitrogen doping region 30 are formed. Further, during this heat treatment, the nitrogen doped above the gate electrode 41b # is thermally diffused, but the nitrogen segregates in the gate oxide film 42b #, and as shown in FIG. A film 36 is formed. Also in this embodiment, the conditions for injecting nitrogen into gate electrode 41 are as described in the second embodiment. In other words, the projected range RP of nitrogen is NRP, where the standard deviation is {RP}.+The gate electrode 41 is set so as to be in the gate electrode 41 at a position higher than 5 × {RP} from the interface between the gate electrode 44 and the gate oxide film 42.
[0111]
In the above description, the N-type doped gate electrode 41 is formed by implanting arsenic ions into the polysilicon film.20/ Cm3The N-type doped gate electrode 41 may be formed using a doped polysilicon film doped to a degree of. In this embodiment, the case where only the NMOS transistor is used has been described. However, the NMOS transistor may be added to a part of the CMOS transistor, or the manufacturing process of the NMOS transistor may be added to a part of the CMOS transistor. Good.
[0112]
Next, effects of the invention in the present embodiment will be described. Since nitrogen is doped on the gate electrode 41, nitrogen is deposited on the gate oxide film 42 by the subsequent heat treatment. As a result, the silicon oxide film / silicon interface level is reduced, the reliability of the gate oxide film 42 is improved, and the hot carrier resistance is effectively improved. The evaluation of the reliability of the gate oxide film 42 is as described with reference to FIG. 9 in the first embodiment. FIG. 42 shows the dependency of the threshold voltage on the amount of nitrogen injected by hot carrier injection of the NMOS transistor. FIG. 42 shows a change in the threshold voltage after applying a constant stress voltage for 1000 seconds. Since the change in the threshold voltage decreases when the amount of nitrogen implanted into the gate electrode 41 is increased, nitrogen is applied to the gate electrode. It is understood that the doping and the deposition of nitrogen on the gate oxide film 42 improve the hot carrier resistance of the NMOS transistor.
[0113]
The nitrogen concentration peak in the nitrogen doping region 30 inside the gate electrode 41 and the gate oxide film 42 is 10 to19/ Cm3From to21/ Cm3It is desirable to set within the range of. Therefore, the injection amount of nitrogen ions during the manufacturing process is14/ Cm2To 〜1016/ Cm2It should be set within the range of. Nitrogen concentration peak is ~ 1019/ Cm3If it is lower than the above, the above-mentioned effect cannot be obtained, and the nitrogen concentration peak in the gate oxide film 42 becomes 10 to21/ Cm3If it is higher than, the mobility of the channel electrons deteriorates, and the MOS transistor characteristics deteriorate.
[0114]
(Embodiment 5)
Next, another embodiment of the present invention will be described. FIG. 43 is a sectional view showing an NMOS transistor according to a fifth embodiment of the present invention. In the figure, 2, 3, 4, 5, 7, 10, 30, 40, 43, and 44 are the same as or correspond to those shown in FIG. That is, in the NMOS transistor of the present embodiment, N+The nitrogen doping region 30 is formed inside the -type source / drain region 43. FIG. 44 shows N of the NMOS transistor.+FIG. 4 is a diagram illustrating a profile of a -type source / drain region 43 in a depth direction. According to FIG.+The junction surface of the -type source / drain region 43 is not doped with nitrogen, and is formed by doping N with arsenic.+It can be seen that the nitrogen doping region 30 exists inside the -type source / drain region 43.
[0115]
Next, a manufacturing process of the NMOS transistor shown in FIG. 43 will be described. First, after an element isolation oxide film 7 is formed on a P-type silicon substrate 40 by a normal element isolation step, an oxide film 2a having a thickness of about 100 ° is formed by thermal oxidation, and phosphorus is applied on the oxide film by 5 × phosphorus by CVD. 1020/ Cm3A polysilicon film doped to about is formed to about 2000Å, and an oxide film about 2000 の is formed on the polysilicon film (not shown). Next, the oxide film and the polysilicon film are patterned into the shape of the gate electrode by photolithography and anisotropic etching to form the oxide film 4 and the gate electrode 3 respectively (FIG. 45). Next, NArsenic ions are introduced into the -type source / drain regions at an incident angle of 45 ° while rotating the P-type silicon substrate 40 at 50 keV, 4 × 1013/ Cm2The injection is performed under the condition of (FIG. 46). Next, an oxide film of about 800 ° is deposited by a CVD method (not shown), and a sidewall oxide film 5 and a gate oxide film 2 are formed by etching back.+10 keV, 2 × 10 nitrogen ions in 10-type source / drain regionsFifteen/ Cm2Inject under the conditions of (FIG. 47). Next, N+Arsenic ions in the -type source / drain regions at 50 keV, 4 × 10Fifteen/ Cm2Inject under the condition of (FIG. 48). Next, the implanted impurities are activated by applying a heat treatment at 850 ° C. for about 20 minutes, and the N shown in FIG.Type source / drain region 43, N+A ソ ー ス -type source / drain region 44 and a nitrogen doping region 30 are formed.
[0116]
Here, the conditions for injecting nitrogen during the above manufacturing process are as described in the first embodiment. That is, the nitrogen implantation condition is that the nitrogen is implanted at an energy such that the projection range of nitrogen is smaller than the projection range of arsenic.
[0117]
In the above description, the gate electrode is formed by depositing phosphorus-doped polysilicon, but the gate electrode may be formed by implanting N-type impurities after depositing non-doped polysilicon. Further, a gate electrode having a stacked structure of metal silicide and polysilicon may be used to reduce the sheet resistance of the gate electrode. As shown in FIG. 49, in order to reduce the resistance of the source / drain regions, a titanium salicide process is used after the process shown in FIG.+Titanium silicide 8 may be formed on -type source / drain region 44. In the above embodiment, the case where only the NMOS transistor is used has been described. However, the NMOS transistor may be added to a part of the CMOS transistor, or the manufacturing process of the NMOS transistor may be added to a part of the CMOS transistor. Good.
[0118]
Next, effects of the invention in the present embodiment will be described. N+Since the -type source / drain region 44 is doped with nitrogen, diffusion of arsenic is suppressed. That is, since the relationship between boron and nitrogen is described in detail in Embodiment 1, the relationship between arsenic and nitrogen can also be said. By interdiffusion between nitrogen and arsenic, diffusion of arsenic can be suppressed, and the / Drain region can be formed shallowly.
[0119]
Also, N+The nitrogen concentration peak in the nitrogen doping region 30 of the -type source / drain region 44 is 10 to19/ Cm3From to21/ Cm3It is desirable to set within the range. Therefore, the injection amount of nitrogen ions during the manufacturing process is14/ Cm2To 〜1016/ Cm2It should be set within the range of. Nitrogen concentration peak is ~ 1019/ Cm3When the value is lower than, the above-mentioned effects cannot be obtained, and the nitrogen concentration peak becomes 〜101021/ Cm3Above which the activation rate of arsenic decreases and N+The resistance of the -type source / drain region 44 increases.
[0120]
(Embodiment 6)
Next, another embodiment of the present invention will be described. FIG. 50 is a sectional view showing the structure of a dual gate CMOS transistor according to the sixth embodiment of the present invention. In FIG. 50, reference numerals 10 to 14, 20, 21, and 23 are the same as or correspond to the conventional FIG. The hatched portion 30 indicates a nitrogen doping region. In a PMOS transistor, the inside of the source / drain region 21 is+It exists in the -type polysilicon film 50 and the gate oxide film 47, and is N in the NMOS transistor.+It exists in the -type polysilicon film 51 and the gate oxide film 48. Reference numeral 52 denotes an N formed in the P well 14 with the channel region 10 interposed therebetween.Type source / drain regions, 53 is NN formed adjacent to the -type source / drain regions+These are type source / drain regions. P+Type polysilicon film 50, N+Type polysilicon film 51, P+Type source / drain regions 21 and N+A titanium silicide film 23 is formed on the -type source / drain regions 53 to form a gate electrode having a two-layer structure and to reduce the resistance of the source / drain regions.
[0121]
Next, a manufacturing process of the dual gate CMOS transistor shown in FIG. 50 will be described. First, after forming an N well 13 and a P well 14 on a P-type silicon substrate 11, an element isolation oxide film 12 is formed on the P-type silicon substrate 11 by a normal element isolation process. Next, an oxide film 49 of about 100 ° is formed by thermal oxidation, and a polysilicon film 55 of about 2000 ° is deposited by CVD (FIG. 51). Next, nitrogen ions are applied at 20 keV and 4 × 10 4 so that the range center is located above the polysilicon film 55.Fifteen/ Cm2Inject under the conditions of (FIG. 52). Next, the PMOS transistor formation region is covered with a resist 60, and arsenic ions are applied to the polysilicon film 55 in the NMOS transistor formation region at 30 keV, 4 × 10 4Fifteen/ Cm2(FIG. 53). Next, after removing the resist 60, the NMOS transistor formation region is covered with a resist 61, and boron ions are applied to the polysilicon film 55 in the PMOS transistor formation region at 20 keV and 4 × 10 4.Fifteen/ Cm2The injection is performed under the condition of (FIG. 54). Next, after removing the resist 61, the polysilicon film 55 is patterned into the shapes of the gate electrodes of the PMOS transistor and the NMOS transistor by photolithography and anisotropic etching to form a polysilicon film 50a # and a polysilicon film 51a # ( (FIG. 55). Next, the PMOS transistor formation region is covered with a resist 62, and NArsenic ions are introduced into the ソ ー ス -type source / drain regions at 50 keV while rotating the P-type silicon substrate 11 at an incident angle of 45 °, 4 × 10 413/ Cm2Inject under the condition of (FIG. 56). Next, after removing the resist 62, an oxide film of 800 ° is deposited by a CVD method (not shown), and etched back to form a sidewall oxide film 20, a gate oxide film 47a ′ and a gate oxide film 48a #. (FIG. 57). Next, the PMOS transistor formation region is covered with a resist 63, and N+Arsenic ions in the -type source / drain regions at 50 keV, 4 × 10Fifteen/ Cm2Inject under the conditions of (FIG. 58). Next, after removing the resist 63, the NMOS transistor formation region is covered with a resist 64, and nitrogen ions are applied to the source / drain region on the N well 13 at 10 keV, 2 × 10 4Fifteen/ Cm2After implanting under the condition of, boron ions are 10 keV, 4 × 10Fifteen/ Cm2(FIG. 59).
[0122]
Next, after removing the resist 64, the implanted impurities are activated by applying a heat treatment at 850 ° C. for about 20 minutes, and the source / drain regions 21 and P shown in FIG.+Type polysilicon film 50, NType source / drain region 52, N+Type source / drain region 53, N+A -type gate electrode 51 and a nitrogen doping region 30 are formed. At the time of this heat treatment, nitrogen doped on the polysilicon film 50a # and the polysilicon film 51a # is thermally diffused. However, nitrogen is segregated in the gate oxide film 47a # and the gate oxide film 48a #, and the nitrogen concentration peaks. An existing gate oxide film 47 and gate oxide film 48 are formed (not shown). Next, titanium of about 500 ° is deposited by a sputtering method, and heat treatment is performed at 700 ° C. for about 30 seconds to form P.+Type polysilicon films 50, 51, P+Type source / drain regions 21 and N+The titanium silicide film 23 is formed on the -type source / drain regions 53, and unreacted titanium on the oxide film is removed (not shown), thereby forming the dual gate CMOS transistor shown in FIG.
[0123]
Next, another manufacturing process of the dual gate CMOS transistor shown in FIG. 50 will be described. First, it is formed up to FIG. 51 by the above-described manufacturing process. Next, the PMOS transistor formation region is covered with a resist 60, and nitrogen ions are applied at 25 keV and 1 × 10 5 so that the range center is located above the polysilicon film 55.16/ Cm2(FIG. 60). Next, arsenic ions are applied to the polysilicon film 55 at 30 keV, 4 × 10Fifteen/ Cm2The injection is performed under the condition of (FIG. 61). Next, after removing the resist 60, the NMOS transistor formation region is covered with the resist 61, and nitrogen ions are applied at 15 keV and 4 × 10 4 so that the range center is located above the polysilicon film 55.Fifteen/ Cm2The injection is performed under the condition of (FIG. 62). Next, leaving the resist 61 as it is, boron ions are applied to the polysilicon film 55 at 20 keV, 4 × 10 4Fifteen/ Cm2The injection is performed under the condition of (FIG. 63). Next, after removing the resist 61, the polysilicon film 55 is patterned into the shapes of the gate electrodes of the PMOS transistor and the NMOS transistor by using photolithography and anisotropic etching, and the polysilicon film 50a # and the polysilicon film 51a # are respectively formed. (FIG. 64). The following steps are the same as the above-described manufacturing steps (FIGS. 56 to 59 correspond to the drawings), and a description thereof will be omitted.
[0124]
In the above two manufacturing steps, the step of doping the polysilicon film 50a # with boron and the step of doping the source / drain region with boron are performed in separate steps. However, the doping of the polysilicon film 50a # is performed in the source / drain region. May be performed also in the doping step to the semiconductor. Also, the step of doping the polysilicon film with arsenic is NType source / drain region or N+The step may be performed also in the step of doping arsenic into the -type source / drain regions.
[0125]
Next, effects of the present embodiment will be described. In the PMOS transistor region, P+Since the n-type polysilicon film 50 and the P-type source / drain regions 21 are doped with nitrogen, the effects described in detail in the first and second embodiments can be obtained. In the transistor region, N+Since the -type polysilicon film 51 is doped with nitrogen, the effects described in detail in the fourth embodiment can be obtained. A step of implanting nitrogen ions into the polysilicon film 50a # and a step of+In the manufacturing method in which the step of implanting into the polysilicon film 51a # and the step of implanting into the polysilicon film 51a # are performed in separate steps, the respective nitrogen profiles may be optimized according to the properties of the ions implanted into the polysilicon film 50a # and the polysilicon film 51a #. And P in the PMOS transistor region+The penetration of boron from the -type polysilicon film 50 and the generation of the interface state between the gate oxide film and the silicon substrate in the NMOS transistor region are more effectively suppressed.
[0126]
(Embodiment 7)
Next, another embodiment of the present invention will be described. FIG. 65 is a sectional view showing the structure of a dual gate CMOS transistor according to the seventh embodiment of the present invention. 65, reference numerals 10 to 14, 20, 21, and 50 to 53 are the same as or correspond to those of the embodiment shown in FIG. 70 is a tungsten silicide film, P+It is formed on the -type polysilicon film 50. Tungsten silicide film 70 and P+The gate electrode of the PMOS transistor is constituted by the two-layer structure of the -type polysilicon film 50, and the nitrogen-doped region 30 indicated by oblique lines exists in the gate electrode and the gate oxide film 47. On the tungsten silicide film 70, an oxide film 19 is formed. 71 is a tungsten silicide film, and N+It is formed on the -type polysilicon film 51. Tungsten silicide film 71 and N+The gate electrode of the NMOS transistor is constituted by the two-layer structure of the -type polysilicon film 51, and the nitrogen-doped region 30 indicated by oblique lines exists in the gate electrode and the gate oxide film 48. On the tungsten silicide film 71, an oxide film 19 is formed. FIG. 66 is a diagram showing the profile of the gate electrode of the PMOS transistor and the oxide film 47 in the depth direction, and FIG. 67 is a diagram showing the profile of the gate electrode of the NMOS transistor and the gate oxide film 48 in the depth direction. . According to FIG. 66, at the gate electrode of the PMOS transistor, P+It can be seen that a nitrogen concentration peak exists at the interface between the -type polysilicon film 50 and the tungsten silicide film 70, and that nitrogen is precipitated in the gate oxide film 47. Also, according to FIG. 67, N+It can be seen that a nitrogen concentration peak exists at the interface between the -type polysilicon film 51 and the tungsten silicide film 71, and that nitrogen is deposited in the gate oxide film 48.
[0127]
Next, a manufacturing process of the dual gate CMOS transistor shown in FIG. 65 will be described. First, after an N well 13 and a P well 14 are formed on a P-type silicon substrate 11, an element isolation oxide film 12 is formed on the P-type silicon substrate 11 by a normal element isolation process (not shown). Next, an oxide film 49 of about 100 ° is formed by thermal oxidation, and a polysilicon film 55 of about 2000 ° is deposited by CVD (FIG. 68). Next, a tungsten silicide film 72 of about 1000 ° is deposited by a sputtering method (FIG. 69). Next, nitrogen ions are applied at 40 keV and 1 × 10 4 so that the range center comes near the interface between the polysilicon film 55 and the tungsten silicide film 72.16/ Cm2(FIG. 70). Next, the PMOS transistor forming region is covered with a resist 60, and arsenic ions are applied to the polysilicon film 55 in the NMOS transistor forming region at 120 keV, 4 × 10 4Fifteen/ Cm2The injection is performed under the condition of (FIG. 71). Next, after removing the resist 60, the NMOS transistor formation region is covered with a resist 61, and boron ions are applied to the polysilicon film 55 in the PMOS transistor formation region at 30 keV, 4 × 10 4Fifteen/ Cm2(FIG. 72). Next, after removing the resist 61, an oxide film of about 2000 ° is deposited by a CVD method (not shown), and an oxide film, a tungsten silicide film 72 and a polysilicon film 55 are formed by photolithography and anisotropic etching. By patterning into a shape, an oxide film 19, a tungsten silicide film 70a #, a tungsten silicide film 71a #, a polysilicon film 50a #, and a polysilicon film 51a # are formed (FIG. 73). Next, the PMOS transistor formation region is covered with a resist 62,Arsenic ions are introduced into the ソ ー ス -type source / drain regions at 50 keV while rotating the P-type silicon substrate 11 at an incident angle of 45 °, 4 × 10 413/ Cm2(FIG. 74).
[0128]
Next, after removing the resist 62, an oxide film of 800 ° is deposited by the CVD method and etched back to form the sidewall oxide film 20, the gate oxide film 47a ′, and the gate oxide film 48a ′ (not shown). , The PMOS transistor formation region is covered with a resist 63,+Arsenic ions in the -type source / drain regions at 50 keV, 4 × 1013/ Cm2(FIG. 75). Next, after removing the resist 63, the NMOS transistor formation region is covered with the resist 64, and nitrogen is applied to the source / drain region of the PMOS transistor at 10 keV, 2 × 10Fifteen/ Cm2After implanting under the condition of, boron ions are 10 keV, 4 × 10Fifteen/ Cm2Inject under the conditions of (FIG. 76). Next, after removing the resist 64, the implanted impurities are activated by applying a heat treatment at 850 ° C. for about 20 minutes, and the tungsten silicide films 70, 71, P shown in FIG.+Type polysilicon film 50, N+Type polysilicon film 51, source / drain region 21, NType source / drain region 52, N+A ソ ー ス -type source / drain region 53 and a nitrogen doping region 30 are formed. During this heat treatment, nitrogen doped at the interface between the polysilicon film 50a # and the tungsten silicide film 70a # and the interface between the polysilicon film 51a # and the tungsten silicide film 71a # is thermally diffused, but the gate oxide film 47a # and the gate oxide film 48a In the inside, nitrogen segregates, and as shown in FIGS. 66 and 67, a gate oxide film 47 and a gate oxide film 48 having a nitrogen concentration peak are formed.
[0129]
Next, effects of the invention in the present embodiment will be described. P+Near the interface between the -type polysilicon film 50 and the tungsten silicide film 70 and N+Since nitrogen is doped near the interface between the -type polysilicon film 51 and the tungsten silicide film 71, diffusion of boron into the tungsten silicide film 70 and diffusion of arsenic into the tungsten silicide film 71 are suppressed. That is, since the diffusion coefficient of nitrogen is larger than that of boron or arsenic, nitrogen occupies the diffusion path first, so that diffusion of boron into the tungsten silicide film 70 and diffusion of arsenic into the tungsten silicide film 71 are prevented. This suppresses the fluctuation of the threshold voltage due to the change of the work function due to the interdiffusion of boron and arsenic, thereby effectively suppressing the fluctuation of the threshold voltage. In this embodiment, the nitrogen doping region 30 is formed inside the source / drain region 21. However, the source / drain region 21 is formed by applying boron fluoride ions at, for example, 20 keV, 4 × 10Fifteen/ Cm2In the case of implanting under the condition of, the nitrogen doping region 30 inside the source / drain region 21 may not be formed.
[0130]
(Embodiment 8)
FIG. 77 is a sectional view showing the structure of a PMOS-TFT according to an eighth embodiment of the present invention. In the figure, reference numerals 101 # to 105 # denote the same or corresponding portions as those of the TFT shown in FIG. A hatched portion 110 # indicates a nitrogen-doped region which is a region doped with nitrogen. FIG. 78 shows an impurity profile in the depth direction on the a-a 'section in FIG. 77, and FIG. 79 shows an impurity profile in the depth direction on the b-b' section in FIG. From FIGS. 78 and 79, it can be seen that the nitrogen doping region 110 # is formed up to the channel region outside the source end face and the drain end face.
[0131]
Next, a manufacturing process of the TFT shown in FIG. 77 will be described. First, after forming an insulating film 102 # on a semiconductor substrate 101 #, a non-doped polysilicon layer is deposited to a thickness of about 2000 # by a CVD method. Next, boron is ion-implanted into the non-doped polysilicon layer to form a P-type doped polysilicon layer, and then the polysilicon layer is patterned into a gate electrode shape by a photolithography process and anisotropic etching. Then, a gate electrode 103 # is formed (not shown). Next, after forming a gate insulating film 104 of 100 ° by thermal oxidation, a non-doped polycrystalline silicon layer is deposited by about 2000 ° by a CVD method. Next, in order to control the threshold voltage, arsenic was added to the non-doped polysilicon layer at 50 keV, 1 × 10 412~ 1 × 1013/ Cm2Ion implantation is performed under the condition of to form an N-type doped polysilicon layer. Next, the polycrystalline silicon layer is patterned using a photolithography process and anisotropic etching so as to leave regions serving as a channel region, a source region and a drain region, thereby forming a polycrystalline polysilicon layer 105 # having a desired shape. (FIG. 80). Next, a resist 107 is provided in the channel region using a photolithography process, and nitrogen is applied at 10 keV while rotating the semiconductor substrate 101 at an incident angle of 15 ° to 60 °.Fifteen/ Cm2Ion implantation is performed under the condition of (FIG. 81). Next, 10 keV, 4 × 10Fifteen/ Cm2Then, boron fluoride is ion-implanted under the conditions (FIG. 82), and a heat treatment at 850 ° C. for about 20 minutes is applied to activate the implanted impurities. As shown in FIG. 77, a P-type source region 105b and a drain region are formed. At the same time as the formation of 105c, a nitrogen doping region 110 # is formed.
[0132]
Here, the relationship between the nitrogen implantation conditions and the source / drain implantation conditions will be described. The nitrogen injection energy is set so that its range RP # is smaller than the range RP # of boron fluoride. If nitrogen doping region 110 # is formed deeper than the source / drain junction surface, crystal defects formed at the time of nitrogen implantation are included in the depletion layer formed at the source / drain junction surface, and the junction leakage current is reduced. This is because it is a factor that causes it to occur.
[0133]
In the above description, boron fluoride was ion-implanted into the gate electrode, but there is no problem if boron is used. There is no problem even if an N-type gate electrode is used instead of the P-type gate electrode. Although boron fluoride ions are used for the P-type source / drain regions, boron ions may be used. In the above embodiment, the case of the P-channel MOS thin film transistor is described. However, there is no problem if the P-channel MOS thin film transistor is added to a part of the CMOS thin film transistor or the above-described process is added to a part of the CMOS process.
[0134]
Next, effects of the invention in the present embodiment will be described. Since the source region 105b and the drain region 105c are doped with nitrogen, diffusion of boron is suppressed. In other words, since nitrogen has the same vacancy diffusion mechanism as boron and has a larger diffusion coefficient than boron, by interdiffusing nitrogen with boron, nitrogen occupies vacancies that are diffusion paths first. As a result, the diffusion of boron can be suppressed. Therefore, the lateral diffusion of boron into the channel region is suppressed by the action of nitrogen, the effective gate length can be increased, and the occurrence of punch-through due to the short channel effect can be prevented. Further, by injecting nitrogen obliquely, the lateral diffusion of boron is further suppressed.
[0135]
(Embodiment 9)
In the eighth embodiment, the case where the present invention is applied to a PMOS-TFT has been described. In the ninth embodiment, the present invention is applied to an N-channel MOS-TFT (hereinafter referred to as an NMOS-TFT). Will be described. In the case of forming an NMOS-TFT, the conductivity type of the impurity to be implanted in FIG. 77 may be reversed from that in the case of forming a PMOS-TFT. That is, gate electrode 103 #, source region 105b and drain region 105c are doped N-type, and channel region 105a is doped P-type. FIG. 83 shows an impurity profile in the depth direction in the a-a 'section when the TFT shown in FIG. 77 is formed in an N-channel type, and FIG. 84 shows an impurity profile in the depth direction in the b-b' section. 83 and 84 that the nitrogen doping region 110 # is formed up to the channel region outside the source end surface and the drain end surface.
[0136]
Next, the manufacturing process of the NMOS-TFT according to the present invention will be described. Since the manufacturing steps are basically the same as those of the PMOS-TFT described in the eighth embodiment, FIGS. 80 to 82 are used as drawings. However, since the impurity implantation conditions are different, if the impurity here differs from that in Embodiment 7, the one described in parentheses in the drawing is adopted. First, after forming an insulating film 102 # on a semiconductor substrate 101 #, a non-doped polysilicon layer is deposited to a thickness of about 2000 # by a CVD method. Next, arsenic is ion-implanted into the non-doped polysilicon layer to form an N-type doped polysilicon layer, and then the polysilicon layer is patterned into a shape of a gate electrode by a photolithography process and anisotropic etching. Then, a gate electrode 103 # is formed (not shown). Next, after forming a gate insulating film 104 of 100 ° by thermal oxidation, a non-doped polysilicon layer of about 2000 ° is deposited by a CVD method. Next, in order to control the threshold voltage, boron fluoride was added to the non-doped polysilicon layer at 20 keV, 1 × 1012~ 1 × 1013/ Cm2Ion implantation is performed under the condition of to form a P-type doped polysilicon layer. Next, the polysilicon layer is patterned using a photolithography process and anisotropic etching so as to leave regions serving as a channel region, a source region, and a drain region, thereby forming a polysilicon layer 105 # having a desired shape (FIG. 80). Next, a resist 107 is provided in the channel region using a photolithography process, and nitrogen is applied at 10 keV while rotating the semiconductor substrate 101 at an incident angle of 15 ° to 60 °.Fifteen/ Cm2(FIG. 81). Next, 30 keV, 4 × 10Fifteen/ Cm2Arsenic is ion-implanted under the conditions described above (FIG. 82), and a heat treatment is performed at 850 ° C. for about 20 minutes to activate the implanted impurities, thereby simultaneously forming the N-type source region 105b and the drain region 105c. A nitrogen doping region 110 # is formed (FIG. 82).
[0137]
Also in the present embodiment, the relationship between the nitrogen implantation conditions and the source / drain implantation conditions is the same as in the eighth embodiment. That is, the injection energy of nitrogen is set such that its range RP # is smaller than the range RP # of arsenic.
[0138]
In the above description, arsenic implantation is used for the gate electrode, but there is no problem if phosphorus is used. Further, there is no problem even if a P-type gate electrode is used instead of the N-type gate electrode. Although arsenic is used for the N-type source / drain regions, phosphorus ion implantation may be used. Further, in the above embodiment, the case of the N-channel MOS thin film transistor is described. However, there is no problem even if the above process is added to a part of the CMOS thin film transistor or to a part of the CMOS process.
[0139]
Next, effects of the invention in the present embodiment will be described. Also in the present embodiment, as in Embodiment 8, since the N-type source / drain regions are doped with nitrogen, diffusion of arsenic or phosphorus is suppressed. That is, since the relationship between boron and nitrogen is described in detail in Embodiment 8, the relationship between arsenic and nitrogen or between phosphorus and nitrogen can be said. Therefore, the diffusion of arsenic is suppressed by mutually diffusing nitrogen and arsenic. it can. Therefore, the lateral diffusion of arsenic or phosphorus into the channel region is suppressed by the action of nitrogen, the effective gate length can be increased, and punch-through due to the short channel effect can be prevented. Further, by injecting nitrogen obliquely, the lateral diffusion of phosphorus or arsenic is further suppressed.
[0140]
(Embodiment 10)
FIG. 85 is a sectional view showing the structure of a PMOS-TFT according to the tenth embodiment of the present invention. In the figure, 101 -103, 105, and 110 indicate the same or corresponding portions as the TFT shown in FIG. However, in this embodiment, the nitrogen-doped region 110 indicated by the hatched portion is formed not only in the source region 105b and the drain region 105c but also in the polysilicon layer 105 and the gate insulating film 111 #. FIG. 86 shows an impurity profile in the depth direction in the a-a ′ section of FIG. 85. The impurity profile in the depth direction in the section taken along line b-b 'of FIG. 85 is the same as that of FIG. FIG. 86 shows that nitrogen is deposited on the gate insulating film 111 #.
[0141]
Next, a manufacturing process of the PMOS-TFT according to the present embodiment will be described. In the process described in Embodiment 8, up to the gate electrode 103 # is formed. Next, after a gate insulating film 111a of 100 ° is formed by thermal oxidation, a non-doped polycrystalline silicon layer 106 # is deposited by about 2000 ° by a CVD method (not shown). Next, nitrogen is applied to the non-doped polycrystalline silicon layer 106 at an angle of incidence of 15 ° to 60 ° while rotating the semiconductor substrate 101 ° at 10 keV, 2 × 10Fifteen/ Cm2(FIG. 87). Further, in order to control the threshold voltage, arsenic is applied to the polysilicon layer 106 # at 50 keV, 1 × 1012~ 1 × 1013/ Cm2(Not shown), and the polysilicon layer 106 # is patterned by using a photolithography process and anisotropic etching so as to leave regions to become a channel region, a source region, and a drain region. A polysilicon layer 105 # is formed (FIG. 88). Next, a resist 107 is provided in the channel region by using a photolithography process, and 30 keV, 4 × 10 4Fifteen/ Cm2By implanting boron fluoride under the conditions (FIG. 89) and performing a heat treatment at 850 ° C. for about 20 minutes to activate the implanted impurities, the P-type source region 105b and the drain region shown in FIG. 105c and a nitrogen doping region 110 # are formed. At the time of this heat treatment, nitrogen injected into polysilicon film 105 # is thermally diffused, and nitrogen is segregated in gate insulating film 111a to form gate insulating film 111 # having nitrogen-doped region 110 #.
[0142]
Here, the relationship between the nitrogen implantation conditions and the source / drain implantation conditions is the same as in the first embodiment. That is, the injection energy of nitrogen is set such that its range RP # is smaller than the range RP # of boron fluoride.
[0143]
In the above manufacturing process, the rotation oblique injection method of nitrogen is used. However, vertical injection may be performed, and nitrogen may be diffused into the channel portion on the side wall of the gate electrode 3 by a later heat treatment.
[0144]
Next, effects of the invention according to the present embodiment will be described. Since nitrogen is segregated in the gate insulating film 111 #, the interface level of the polysilicon layer / silicon oxide film (gate insulating film) is reduced, and the reliability of the gate insulating film 111 # is improved. That is, it is possible to suppress the hot carriers generated at the drain end due to the decrease in the interface state from being trapped in the gate insulating film 111 #, and to effectively improve the hot carrier resistance. Further, since the source / drain regions are also doped with nitrogen, it is possible to prevent the effect described in detail in the eighth embodiment, that is, the occurrence of punch-through due to the diffusion of impurities constituting the source / drain regions.
[0145]
(Embodiment 11)
In the tenth embodiment, the case where the present invention is applied to a PMOS-TFT has been described. In the eleventh embodiment, a case where the present invention is applied to an NMOS-TFT will be described. In the case of forming an NMOS-TFT, the conductivity type of the impurity to be implanted in FIG. 85 may be reversed from that in the case of forming a PMOS-TFT. That is, gate electrode 103 #, source region 105b and drain region 105c are doped N-type, and channel region 105a is doped P-type. FIG. 90 shows an impurity profile in the depth direction in the a-a 'cross section when the TFT shown in FIG. 85 is formed in an N-channel type. The impurity profile in the depth direction in the b-b 'section is the same as that in FIG. From FIG. 90, it can be seen that nitrogen is deposited on the gate insulating film 111 #.
[0146]
Next, a manufacturing process of the NMOS-TFT according to the present embodiment will be described. Since the manufacturing process is basically the same as that of the PMOS-TFT described in the tenth embodiment, FIGS. 87 to 89 are used as drawings. However, since the impurity implantation conditions are different, if the impurity here is different from that of Embodiment 10, the one described in parentheses in the drawing is adopted. In the process described in Embodiment 8, up to the gate electrode 103 # is formed. Next, after forming a gate insulating film 111a of 100 ° by thermal oxidation, a non-doped polysilicon layer is deposited by about 2000 ° by a CVD method. Next, nitrogen was applied to the non-doped polysilicon layer at an incident angle of 15 ° to 60 ° while rotating the semiconductor substrate 101 ° at 10 keV, 2 × 10Fifteen/ Cm2Ion implantation is performed under the conditions of (FIG. 87). Further, in order to control the threshold voltage, boron fluoride is applied to the polysilicon layer at 30 keV, 1 × 1012~ 1 × 1013/ Cm2Ion implantation is performed under the conditions of (not shown). Next, the polysilicon layer is patterned using a photolithography process and anisotropic etching so as to leave regions serving as a channel region, a source region, and a drain region, thereby forming a polycrystalline polysilicon layer 105 # having a desired shape ( (FIG. 88). Next, a resist 107 is provided in the channel region by using a photolithography process, and 30 keV, 4 × 10 4Fifteen/ Cm2Arsenic is ion-implanted under the conditions (FIG. 89), and a heat treatment at 850 ° C. for about 20 minutes is applied to activate the implanted impurities, so that the N-type source region 105b, drain region 105c and nitrogen doping region 110 To form In addition, nitrogen injected into polysilicon film 105 # during this heat treatment is thermally diffused, and nitrogen is segregated in gate insulating film 111a to form gate insulating film 111 # having a nitrogen-doped region (FIG. 89). Through the above steps, the TFT shown in FIG. 85 is completed.
[0147]
Next, effects of the invention according to the present embodiment will be described. Since nitrogen is segregated in the gate insulating film 111a below the channel region, the interface state of the polysilicon layer / silicon oxide film (gate insulating film) is reduced, and the reliability of the gate insulating film 111 # is improved. That is, it is possible to suppress the hot carriers generated at the drain end due to the decrease in the interface state from being trapped in the gate insulating film 111 #, and to effectively improve the hot carrier resistance. Further, since the source / drain regions are also doped with nitrogen, it is possible to prevent the effect described in detail in the eighth embodiment, that is, the occurrence of punch-through due to the diffusion of impurities constituting the source / drain regions.
[0148]
(Embodiment 12)
FIG. 91 is a sectional structural view of a PMOS-TFT showing a twelfth embodiment of the present invention. In the figure, 101 #, 102 #, 105 #, 110 #, and 111 # indicate the same or corresponding portions as the TFT shown in FIG. However, in the present embodiment, nitrogen doping region 110 # is present in gate insulating film 111 # below gate electrode 120 # and channel region 105a. FIG. 92 shows an impurity profile in the a-a ′ cross section of FIG. 91. FIG. 92 shows that nitrogen is deposited in the channel region of the gate insulating film 111 #.
[0149]
Next, a method for manufacturing the TFT shown in FIG. 91 will be described. First, after forming an insulating film 102 # on a semiconductor substrate 101 #, a polysilicon layer 120a is deposited to a thickness of about 2000 # by a CVD method. Next, 10 keV, 2 × 10Fifteen/ Cm2Nitrogen is ion-implanted under the condition of (FIG. 93). Next, boron fluoride is ion-implanted into the polysilicon layer 120a (FIG. 94). Next, the polysilicon layer is patterned into a shape of a gate electrode by a photolithography process and anisotropic etching to form a gate electrode 120b. Next, after a gate insulating film 111a of 100 ° is formed by thermal oxidation, a polysilicon layer is deposited by about 2000 ° by a CVD method, and arsenic is applied to the polysilicon layer at 30 keV, 1 × 1012~ 1 × 1013/ Cm2Ion implantation is performed under the conditions of (not shown). Next, the polysilicon layer is patterned by using a photolithography process and anisotropic etching so as to leave regions serving as a channel region, a source region, and a drain region, thereby forming a polysilicon layer 105 # having a desired shape (FIG. 95). . Next, a resist 107 is provided in the channel region by using a photolithography process, and 30 keV, 4 × 10 4Fifteen/ Cm2By implanting boron fluoride under the conditions (FIG. 96) and applying a heat treatment at 850 ° C. for about 20 minutes to activate the implanted impurities, a P-type source region 105b and a drain region 105c are formed. . In addition, during this heat treatment, nitrogen injected into gate electrode 120 # is thermally diffused, and nitrogen is segregated in gate insulating film 111a to form gate insulating film 111 # having a nitrogen-doped region (FIG. 96).
[0150]
Next, effects of the invention according to the present embodiment will be described. Since nitrogen is doped in gate electrode 120 #, boron can be prevented from diffusing during heat treatment for activating impurities and penetrating through gate insulating film 111 # and entering channel region 105a. That is, as described in detail in the seventh embodiment, this is due to the effect of preventing diffusion of nitrogen. By doping nitrogen into gate electrode 120 # and then performing heat treatment, nitrogen is deposited in the gate insulating film. As a result, the effect described in the tenth embodiment, that is, the generation of interface states in the gate insulating film due to hot carrier injection is suppressed, and the reliability of gate insulating film 120 # is improved.
[0151]
(Embodiment 13)
In the twelfth embodiment, the case where the present invention is applied to a PMOS-TFT has been described. In the thirteenth embodiment, a case where the present invention is applied to an NMOS-TFT will be described. In the case of forming an NMOS-TFT, the conductivity type of the impurity to be implanted in FIG. 91 may be reversed from that in the case of forming a PMOS-TFT. In other words, gate electrode 120 #, source region 105b and drain region 105c are doped N-type, and channel region 105a is doped P-type. FIG. 97 shows an impurity profile in the depth direction in an a-a ′ cross section when the TFT shown in FIG. 91 is formed in an N-channel type. From FIG. 91, it can be seen that nitrogen is deposited in the gate insulating film 111 # below the channel region 105a.
[0152]
The manufacturing process of the NMOS-TFT according to the present embodiment is basically the same as the manufacturing process of the PMOS-TFT described in detail in the twelfth embodiment. May be used. The ion implantation conditions for forming the NMOS-TFT are described in the above embodiment mode, and the description of this embodiment mode is omitted here.
[0153]
Also in this embodiment, as in the twelfth embodiment, since nitrogen is doped in gate electrode 120 #, arsenic doped in the gate electrode diffuses during the heat treatment for activating the impurity, and the gate insulation It can be prevented from being injected into the film 111 #. Further, since nitrogen is precipitated in the gate insulating film 111 # during this heat treatment, generation of interface states in the gate insulating film 111 # due to hot carrier injection can be prevented, that is, the reliability of the gate insulating film can be improved. Can be.
[0154]
(Embodiment 14)
FIG. 98 is a bird's-eye view of a dual-gate CMOS-TFT according to a fourteenth embodiment of the present invention. FIG. 99 shows the A-A 'section of FIG. 98, that is, the sectional structure of the PMOS-TFT. FIG. 100' shows the B-B 'section of FIG. 98, that is, the sectional structure of the NMOS-TFT. 98 to 100 #, 101 # indicates a semiconductor substrate, and 102 # indicates an insulating film. A hatched portion 110 # is a nitrogen-doped region, 125 # is a non-doped polysilicon layer, 126 # is a tungsten silicide (WSi2 #) layer, 127 # is a P-type polysilicon layer, and a non-doped polysilicon layer 125 #, a tungsten silicide layer 126 #, and a P-type polysilicon layer. The gate electrode of the PMOS-TFT is formed in a three-layer structure of 127. 128 # is a gate insulating film, 129 # is a polysilicon layer having a channel region 129a, a P-type source region 129b and a drain region 129c. Reference numeral 130 denotes an N-type polysilicon layer, which has a three-layer structure of a non-doped polysilicon layer 125 #, a tungsten silicide layer 126 #, and an N-type polysilicon layer 130 #, and forms a gate electrode of the NMOS-TFT. 131 # is a gate insulating film, and 132 # is a polysilicon layer having a channel region 132a, an N-type source region 132b and a drain region 132c. Note that nitrogen doping region 110 # is present in tungsten silicide layer 126 #, P-type polysilicon layer 127 #, gate insulating film 128 #, N-type polysilicon layer 130 #, and gate insulating film 131 #. FIG. 101A shows an impurity profile in the a-a 'cross section of FIG. 99, and FIG. 102A shows an impurity profile in a b-b' cross section of FIG. As shown in FIG. 101, in the gate electrode of the PMOS-TFT, the peak of the nitrogen concentration distribution exists at the interface between the P-type polysilicon layer 127 # and the tungsten silicide layer 126 # and in the gate insulating film 128 #. In addition, as shown in FIG. 102, in the gate electrode of the NMOS-TFT, the peak of the nitrogen concentration distribution exists at the interface between the N-type polysilicon layer 130 and the tungsten silicide layer 126 # and in the gate insulating film 128 #.
[0155]
Next, a manufacturing process of the TFT shown in FIG. 98 will be described. First, after forming an insulating film 102 # on a semiconductor substrate 101 #, a polysilicon layer 125a is deposited to a thickness of about 500 # by a CVD method. Next, a 500 ° tungsten silicide layer 126a is deposited on the polysilicon layer 125a by sputtering, and a polysilicon layer 135 # is deposited about 1000 ° on the tungsten silicide layer 126a (FIG. 103). Next, nitrogen ions are implanted near the interface between the polysilicon layer 135 # and the tungsten silicide layer 126a. In the present embodiment, the nitrogen ion implantation conditions are 40 keV, 2 × 10Fifteen/ Cm2It may be set to about (FIG. 104). Next, a region to be a PMOS-TFT is covered with a resist, and arsenic is ion-implanted into a region to be an NMOS-TFT. Conversely, a region to be an NMOS-TFT is covered with a resist, and boron fluoride is ion-implanted into a region to be a PMOS-TFT. FIG. 105 # is a sectional structural view of the TFT after the implantation. Next, after patterning the polysilicon film 135, the tungsten silicide layer 126a, and the non-doped polysilicon layer 125a into a shape of a gate electrode, a gate oxide film of 100 ° is formed by thermal oxidation, and a polysilicon layer is deposited by about 2000 ° by a CVD method. . Next, after ion implantation for threshold voltage control is performed for each region of the PMOS-TFT and the NMOS-TFT, the polysilicon layer is patterned to form a polysilicon layer 129 # and a polysilicon layer 132 # (FIG. 106 #). .
[0156]
Next, a resist 140 # other than the source region 132b and the drain region 132c of the NMOS-TFT is provided, and 30 keV, 4 × 10 4Fifteen/ Cm2Arsenic is ion-implanted under the conditions described above. A top view of the TFT at this stage is shown in FIG. Further, a heat treatment at 850 ° C. for about 20 minutes is applied to activate arsenic ions, thereby forming the source region 132b and the drain region 132c of the NMOS-TFT. Next, the resist 140 # is removed, and a resist 141 # is provided in a region other than the source region 129b and the drain region 129c of the PMOS-TFT.Fifteen/ Cm2Ion implantation of boron fluoride is performed under the condition of. A top view of the TFT at this stage is shown in FIG. Further, heat treatment is performed at 850 ° C. for about 20 minutes to activate boron ions, thereby forming a source region 129b of the PMOS-TFT and a drain region 129c of the NMOS-TFT.
[0157]
Incidentally, in the heat treatment step for activating the source / drain regions, impurities contained in the gate electrode are also diffused. However, due to the effect of nitrogen doped near the interface between tungsten silicide layer 126 # and polysilicon layer 127 # and near the interface between tungsten silicide layer 126 # and polycrystalline silicon layer 130 #, boron and arsenic are introduced into tungsten silicide layer 126 #. The diffusion is suppressed, and the fluctuation of the threshold voltage due to the change of the work function of the gate electrode is effectively suppressed.
[0158]
(Embodiment 15)
FIG. 109 # is a sectional structural view showing a stacked gate type flash EEPROM according to a fifteenth embodiment of the present invention. In FIG. 109 #, 201 #, 205 #, 208 #, 209 #, 212 #, 215 # indicate the same or corresponding parts as in FIG. 206 # is a sidewall oxide film provided on the side wall of the control gate electrode 205 # and the floating gate electrode 221 #, 212a is provided on the smooth coat film 212 #, and a contact hole for connecting to the drain region 208 #, 213 # is on the smooth coat film 212 # A titanium alloy film such as titanium nitride (TiN) provided on the wall surface of the contact hole 212a; 214 # is an aluminum alloy wiring layer provided on the titanium alloy film 213 #; and a hatched portion 219 # is a nitrogen doping region. 220 ° is an oxide film having a thickness of about 100 °. Reference numeral 221 denotes a floating gate electrode made of a polysilicon film and has a thickness of about 1000 °. 222 ° is an interlayer insulating film composed of a composite film of a nitride film and an oxide film, and has a thickness of about 200 °. The nitrogen doping region 219 # exists in the oxide film 220 #, the polysilicon film 221 #, and the interlayer insulating film 222 #. FIG. 110 # shows a nitrogen profile in the depth direction of control gate electrode 205 #, interlayer insulating film 222 #, floating gate electrode 221 #, and oxide film 220 # of the flash EEPROM shown in FIG. 109 #.
[0159]
Next, a manufacturing process of the flash EEPROM shown in FIG. 109 # will be described. First, after a well region and an element isolation oxide film are formed in a predetermined region of a P-type silicon substrate 201 # (not shown), an oxide film 220a of about 100% is formed on the entire surface, and 1000 Å is formed on the oxide film 220a. Polysilicon film 221a is formed to the extent of FIG. Next, nitrogen is applied to the polysilicon film 221a at 10 keV,Fifteen/ Cm2(FIG. 112 条件). At this time, assuming that the standard deviation is {RP}, the projected range RP of nitrogen comes into the polysilicon film 221a at a position higher than the position of 5 × {RP} from the interface between the polysilicon film 221a and the oxide film 220a. (FIG. 113 #). If it is set at a position lower than this condition, the oxide film 220a may be damaged by nitrogen implantation.
[0160]
Next, boron is applied to the polysilicon film 221a at 20 keV and 4 × 10Fifteen/ Cm2(FIG. 114 条件). Next, an interlayer insulating film 222a made of a composite film of an oxide film and a nitride film is formed on the polysilicon film 221a to a thickness of about 200 °. Thereafter, a polysilicon film 205a is formed on the interlayer insulating film 222a to a thickness of about 2500 ° (FIG. 115). Next, a resist 225 # is formed in a predetermined region on the polysilicon film 205a, and anisotropic etching is performed using the resist 225 # as a mask to form the polysilicon film 205a, the interlayer insulating film 222a, the polysilicon film 221a, and the oxide film 220a. Is patterned (FIG. 116). Thereby, control gate electrode 205 #, interlayer insulating film 222b, floating gate electrode 221b, and oxide film 220b are formed (FIG. 117 #). Next, after removing resist 225 #, a resist 226 # is formed so as to cover a portion to be a source region of the memory cell, and arsenic (As) is applied to the main surface of silicon substrate 201 # using resist 226 # and control gate electrode 205 # as a mask. 35 keV, 5 × 10Fifteen/ Cm2(FIG. 118 条件). Thereafter, resist 226 # is removed.
[0161]
Then, a resist 227 # is formed so as to cover a portion to be a drain region of the memory cell, and arsenic is applied to the main surface of silicon substrate 201 # at 35 keV, 1 × 1016/ Cm2Ion implantation is performed under the condition of (FIG. 119). Thereafter, resist 227 # is removed. Next, an oxide film 206a is formed on the entire surface at about 2000 ° (FIG. 120 °), and a sidewall oxide film 206 # is formed by performing anisotropic reactive ion etching. The width of the sidewall oxide film 206a thus formed in the channel direction is 2000 °, which is almost the same as the thickness of the oxide film 206a shown in FIG. Therefore, by adjusting the thickness of oxide film 206a, the width of sidewall oxide film 206 # in the channel direction can be easily controlled. After the side wall oxide film 206 # is formed, the implanted impurities are activated by performing a heat treatment at 850 ° C for about 60 seconds to form the source region 209 # and the drain region 208. By this heat treatment, boron and nitrogen implanted into the floating gate electrode 221b are diffused, but nitrogen is diffused faster than boron, and only nitrogen is deposited in the oxide film 220b and the interlayer insulating film 222b. A nitrogen doping region 219 # is formed in floating gate electrode 221 # and interlayer insulating film 222 # (FIG. 121 #).
[0162]
Next, after a smooth coat film 212 # is formed in a thickness of about 5000-15000 ° using a CVD method, the surface of the smooth coat film 212 # is flattened by performing a heat treatment at a temperature of 800 ° -1000 ° C. by a reflow method. . The smooth coat film 212 # is formed of, for example, a PSG film, a BPSG film, a nitride film, a non-doped oxide film, or a laminated film of these (FIG. 122). Next, a contact hole 212a having a diameter of about 0.6 μm to 1.5 μm is provided in a portion of the smooth coat film 212 # located in the drain region (FIG. 123 #). Next, a titanium alloy film 213 # made of titanium nitride for electrically connecting to the drain region is formed on the side surface of the contact hole 212a and on the smooth coat film 212 # (FIG. 124 #). Finally, an aluminum alloy wiring layer 214 of about 10,000 is formed on the titanium alloy film 213 by using the sputtering method, and the titanium alloy film 213 and the aluminum alloy wiring layer 214 are patterned by using photolithography and dry etching. . Thereby, a bit line composed of titanium alloy film 213 # and aluminum alloy wiring layer 214 # and electrically connected to drain region 208 # is formed. Thus, the flash EEPROM shown in FIG. 109 is completed. Note that the source / drain implantation may be performed simultaneously with the resist 225 # as a mask in the step shown in FIG. 117 #.
[0163]
Next, the effect of the invention of the flash EEPROM according to the present embodiment will be described. In the present embodiment, nitrogen is ion-implanted into the floating gate electrode 221 #, and nitrogen is deposited in the oxide film 220 # and the interlayer insulating film 222 # by the subsequent thermal diffusion. Therefore, there is no doping of hydrogen as in the RTN process. . Therefore, when an operation such as writing or erasing is performed using FN tunneling due to a nitrogen effect in the oxide film 220 #, traps or interface states due to hot carrier injection and holes generated due to interband tunneling are generated. Occurrence of traps and interface states due to the above can be suppressed, and furthermore, the deterioration of the oxide film due to hydrogen doping does not occur, so that the reliability of the oxide film 220 # is improved and the probability of initial failure of the flash EEPROM is reduced. . At the same time, the reliability of interlayer insulating film 222 # is improved by the nitrogen effect in interlayer insulating film 222 #. Further, when the reliability of the interlayer insulating film 222 # is improved, the thickness of the interlayer insulating film 222 # can be reduced, so that the capacitance (C) between the control gate electrode 205 # and the floating gate electrode 221 can be reduced.FC) Can be increased. That is, even if the same potential is applied to the control gate electrode 205 #, an element having a higher coupling ratio applies a larger electric field to the channel and improves the current driving capability. Can be reduced, and a low power supply voltage can be achieved.
[0164]
Further, since the floating gate electrode 221 # is doped with nitrogen, diffusion of boron is suppressed. In other words, since nitrogen has the same vacancy diffusion mechanism as boron and has a larger diffusion coefficient than boron, nitrogen occupies the vacancy that is the diffusion path first by interdiffusing nitrogen and boron. As a result, diffusion of boron can be suppressed. Therefore, penetration of boron into channel region 215 # and injection into oxide film 220 # can be suppressed, and variation in threshold voltage can be effectively suppressed.
[0165]
Further, in the manufacturing process of the flash EEPROM of the present embodiment, since nitrogen is doped by the ion implantation method, unlike the RTN process, the silicon substrate 201 # is not exposed to a rapid temperature change. For this reason, the occurrence of stripe-like defects can also be suppressed.
[0166]
Further, in the RTN process, it is necessary to apply heat at the time of nitrogen doping, so that nitrogen may diffuse over a wide area of the silicon substrate 201 #. However, in the manufacturing process of the present embodiment, nitrogen is doped by ion implantation so that nitrogen is doped. There is no need to perform a heat treatment step at the time of implantation. Therefore, heat treatment can be performed after patterning of the gate electrode, which is effective when it is not desired to diffuse nitrogen into the source region 209 # and the drain region 208 #.
[0167]
(Embodiment 16)
FIG. 125 # is a sectional structural view showing the memory cell portion of the stacked gate type flash EEPROM according to the sixteenth embodiment of the present invention. In FIG. 125, reference numerals 201 to 203, 206, 208, 209, and 215 indicate the same or corresponding parts as in FIG. In addition, the configuration of a portion not described other than the memory cell portion is the same as that shown in FIG. A hatched portion 219 # indicates a nitrogen doping region. 222 ° is an interlayer insulating film composed of a composite film of a nitride film and an oxide film, and has a thickness of about 200 °. 223 ° is a control gate electrode made of a polysilicon film and has a thickness of about 2500 °. The nitrogen doping region exists in the interlayer insulating film 222 # and the control gate electrode 223 #.
[0168]
Next, a manufacturing process of the flash EEPROM shown in FIG. First, after a well region and an element isolation oxide film are formed in a predetermined region of a P-type silicon substrate 201 (not shown), an oxide film 202a of about 100 °, a polysilicon film 203a of about 1000 °, an oxide film Then, an interlayer insulating film 222a of about 200 ° made of a composite film of a nitride film and a polysilicon film 223a of about 2500 ° are formed in this order (FIG. 126). Next, nitrogen is applied to the polysilicon film 223a at 10 keV,Fifteen/ Cm2(FIG. 127). At this time, as described with reference to FIG. 113 in the fifteenth embodiment, the projected range RP of nitrogen is 5 × {RP} from the interface between the polysilicon film 223a and the interlayer insulating film 222a, assuming that the standard deviation is {RP}. The position is set so as to be in the polysilicon film 223a at a position higher than the predetermined position.
[0169]
Next, boron is applied to the polysilicon film 223a at 20 keV and 4 × 10Fifteen/ Cm2Ions are implanted under the conditions of (FIG. 128). Thereafter, the flash EEPROM shown in FIG. 125 is completed through the manufacturing steps after FIG. 116 in the fifteenth embodiment. However, in the heat treatment step for activating impurities in the present embodiment, nitrogen doped in control gate electrode 223 # is deposited on interlayer insulating film 222 #.
[0170]
Next, the effect of the invention of the flash EEPROM according to the present embodiment will be described. Also in the present embodiment, the effect shown in the fifteenth embodiment, that is, the improvement of the reliability of the interlayer insulating film 222 # and the reduction of the power supply voltage of the element accompanying the effect can be realized. Further, by implanting nitrogen into control gate electrode 223 #, diffusion of boron doped into the control gate electrode during heat treatment can be prevented, and boron can be prevented from being injected into interlayer insulating film 222 #.
[0171]
(Embodiment 17)
FIG. 129 # is a sectional structural view showing the memory cell portion of the stack gate type flash EEPROM according to the seventeenth embodiment of the present invention. In FIG. 129, 201, 206, 208, 209, 215, and 219 to 223 indicate the same or corresponding parts as in FIG. 109 or FIG. 125 of the embodiment. In addition, the configuration of a portion not described other than the memory cell portion is the same as that shown in FIG. This embodiment is an invention in which Embodiment 15 and Embodiment 16 are combined.
[0172]
Next, a manufacturing process of the flash EEPROM shown in FIG. After performing the manufacturing process shown in FIG. 115 # of the fifteenth embodiment, nitrogen is applied to the polysilicon film 223a at 10 keV, up to 4 × 10Fifteen/ Cm2Ion implantation is performed under the condition of (FIG. 130). Next, boron is applied to the polysilicon film 223a at 20 keV, 4 × 10Fifteen/ Cm2(FIG. 131 条件). Thereafter, the flash EEPROM shown in FIG. 129 is completed through the manufacturing steps shown in FIG. 116 # of the fifteenth embodiment. However, in the heat treatment step for activating impurities in the present embodiment, nitrogen doped in floating gate electrode 221b is deposited on oxide film 220b and interlayer insulating film 222b, and simultaneously doped on control gate electrode 223b. Nitrogen is also deposited on the interlayer insulating film 222b.
[0173]
The effects of the present invention according to the present embodiment are as described in detail in the fifteenth and sixteenth embodiments, and a description thereof will not be repeated.
[0174]
(Embodiment 18)
FIG. 132 # is a sectional view showing a memory cell portion of a buried channel type flash EEPROM according to the eighteenth embodiment of the present invention. In FIG. 132, 201 to 205, 208, 209, 215, 217, and 218 indicate the same or corresponding parts as in FIG. Reference numeral 206 # denotes a sidewall oxide film provided on the side wall of the control gate electrode 205 # and the floating gate electrode 203 #. A hatched portion 219 # is a nitrogen doping region and is formed inside the N-type impurity layer 217 #.
[0175]
Next, the manufacturing process of the embedded channel type flash EEPROM shown in FIG. First, a well region and an element isolation oxide film are formed in a predetermined region of a P-type silicon substrate 201 # (not shown). Next, nitrogen ions are implanted into the silicon substrate 201 # at a range such that the depth from the main surface of the silicon substrate 201 # becomes smaller than 500 [deg.] (FIG. 133 #). Next, an N-type impurity such as arsenic or phosphorus is implanted at a range such that the depth from the main surface becomes 500 ° or less (FIG. 134 °). Next, a P-type impurity such as boron is injected from the main surface. Is implanted in a range such that the depth becomes 500 ° or more (FIG. 135 °). That is, the nitrogen implantation condition is that the nitrogen is implanted at an energy such that the range of nitrogen is smaller than the range of arsenic. Next, an oxide film 202a of about 100 °, a polysilicon film 203a of about 1000 °, an interlayer insulating film 204a of about 200 ° made of a composite film of an oxide film and a nitride film, and a polysilicon film 205a of about 2500 ° are formed in this order. (FIG. 136). Subsequent manufacturing steps are the same as those shown in FIG. 116 # of the fifteenth embodiment and the description thereof is omitted here. However, in the present embodiment, the impurities implanted into N-type impurity layer 217 # and P-type impurity layer 218 # are activated by the heat treatment step in Embodiment 15, and nitrogen doping region 219 # is also formed at the same time. . The N-type impurity layer 217 # is formed so as to cover the nitrogen doping region 219 # according to the above-described impurity ion implantation conditions. Therefore, defects generated at the time of nitrogen ion implantation are caused by the N-type impurity layer 217 # and the P-type impurity layer 218 #. Since there is no occurrence at the junction surface and no increase in junction leakage current, there is no need to worry about the adverse effects of nitrogen implantation.
[0176]
Next, effects of the present invention according to the present embodiment will be described. Since the region shallower than N-type impurity layer 217 # is doped with nitrogen, arsenic diffusion is suppressed. That is, nitrogen has the same vacancy diffusion as arsenic in its diffusion mechanism and has a larger diffusion coefficient than arsenic, so that arsenic diffusion during the heat treatment step can be suppressed. Further, diffusion of boron in P-type impurity layer 218 # can be suppressed by the same mechanism. Therefore, since a thin N-type impurity layer 217 # can be formed, punch-through in a buried channel type flash EEPROM can be suppressed. Further, the thickness of N-type impurity layer 217 # can be controlled to a desired value by nitrogen implantation conditions.
[0177]
(Embodiment 19)
FIG. 137 # is a sectional view showing a stacked gate type flash EEPROM according to a nineteenth embodiment of the present invention. In FIG. 137, reference numerals 201 to 205, 208, 209, and 215 indicate parts that are the same as or correspond to those in FIG. Reference numeral 206 # denotes a sidewall oxide film provided on the side wall of the control gate electrode 205 # and the floating gate electrode 203 #. The shaded portion 230 # is a nitrogen doping region formed inside the drain region 208 #. FIG. 138 is a diagram showing a depth profile of a drain region 208 # of the flash EEPROM shown in FIG. 137 #. FIG. 138 # shows that nitrogen is not doped into the junction surface of the drain region 208 #, and that a nitrogen doping region 230 # exists inside the drain region 208 formed by doping with arsenic.
[0178]
Next, a manufacturing process of the stack gate type flash EEPROM shown in FIG. First, after a well region and an element isolation oxide film are formed in a predetermined region of a P-type silicon substrate 201 (not shown), an oxide film 202a of about 100 °, a polysilicon film 203a of about 1000 °, an oxide film Then, an interlayer insulating film 204a of about 200 ° made of a composite film of a nitride film and a polysilicon film 205a of about 2500 ° and an oxide film 207a of about 1000 ° are formed in this order (FIG. 139). Next, the oxide film 202a, the polysilicon film 203a, the interlayer insulating film 204a, the polysilicon film 205a, and the oxide film 207a are patterned into a gate electrode shape, and the oxide film 202 #, the floating gate electrode 203 #, the interlayer insulating film 204 #, the control gate An electrode 205 # and an oxide film 207 # are formed. Next, the source formation region is covered with a resist 225 #, and using the resist 225 # and the oxide film 207 # as a mask, nitrogen is applied to the drain formation region at 10 keV and 、 8 × 10Fifteen/ Cm2(FIG. 140 条件). Next, arsenic was changed to 35 keV, 5 × 10Fifteen/ Cm2Ion implantation is performed under the condition (1) (FIG. 141). That is, the nitrogen implantation condition is that the nitrogen is implanted at an energy such that the range of nitrogen is smaller than the range of arsenic. Thereafter, resist 225 # is removed. Subsequent manufacturing steps are the same as those shown in FIG. 119 # of the fifteenth embodiment and the description thereof is omitted here. However, in the present embodiment, the impurities implanted into source region 209 # and drain region 208 # are activated by the heat treatment process in Embodiment 15, and nitrogen doping region 230 # is also formed at the same time. Since the drain region 208 # is formed so as to cover the nitrogen doping region 230 # according to the above-described impurity ion implantation conditions, defects generated at the time of nitrogen ion implantation do not occur at the junction surface between the drain region 208 # and the silicon substrate 201 #. Also, since the junction leakage current does not increase, there is no need to worry about the adverse effects of nitrogen implantation.
[0179]
Next, effects of the present invention according to the present embodiment will be described. Since the drain region 208 # is doped with nitrogen, diffusion of arsenic implanted into the drain region 208 # during the heat treatment step can be prevented. Therefore, it becomes possible to form a shallow PN junction surface with silicon substrate 201 # in drain region 208 #, and it is possible to suppress short channel effects such as punch-through. Further, since the short channel effect can be suppressed, the element can be miniaturized.
[0180]
In addition, since the diffusion of arsenic implanted into drain region 208 # is suppressed by nitrogen doped into the drain region, the overlap region between oxide film 202 # and drain region 208 # due to arsenic diffusion in the lateral direction is reduced, The capacitance between the control gate electrode 205 # and the drain region 208 # (CFS) Becomes smaller. Therefore, the coupling ratio (CFC/ CTOTAL) Can be increased, and the potential (VCG) And the potential of floating gate electrode 203 # (VFG) Becomes smaller. That is, even when the same potential is applied to control gate electrode 205 #, a device having a higher coupling ratio applies a larger electric field to channel region 215 #, and the current driving capability is improved. Therefore, to obtain the same effect, the larger the coupling ratio, the higher the applied voltage (VCG) Can be small, and the power supply voltage can be reduced.
[0181]
(Embodiment 20)
FIG. 142 is a sectional view showing a stacked gate type flash EEPROM according to the twentieth embodiment of the present invention. In FIG. 142 #, 201 # to 205 #, 208 #, 209 #, 215 # indicate the same or corresponding parts as in FIG. Reference numeral 206 # denotes a sidewall oxide film provided on the side wall of the control gate electrode 205 # and the floating gate electrode 203 #. 231 # is a nitrogen doping region formed inside source region 209 #.
[0182]
In the method of manufacturing the stack gate type flash EEPROM described in this embodiment, the nitrogen doping step described in Embodiment 19 may be performed before the source implantation step. Also in this embodiment, nitrogen is implanted at such energy that the range of nitrogen is smaller than that of arsenic, as in the case of the nineteenth embodiment.
[0183]
Also in this embodiment, the same effect as the effect of the invention shown in the nineteenth embodiment can be obtained.
[0184]
(Embodiment 21)
FIG. 143 # is a sectional structural view of the stack gate type flash EEPROM shown in the twenty-first embodiment of the present invention. In FIG. 35, 201 -205, 206, 208, 209, 230, and 231 show the same or corresponding parts as those in the embodiment shown in FIG. 137 or 142. This embodiment is an invention in which the nineteenth embodiment and the twentieth embodiment are combined. That is, a nitrogen doping region 230 # is formed inside the drain region 208, and a nitrogen doping region 231 # is formed inside the source region 209 #.
[0185]
In the manufacturing process of the stack gate type flash EEPROM shown in this embodiment, the nitrogen doping process shown in the nineteenth embodiment may be performed after the process of patterning the gate electrode (FIG. 144 #).
[0186]
In this embodiment, since the nitrogen doping region 230 # and the nitrogen doping region 231 # are provided inside the drain region 208 # and the source region 209 #, respectively, the effect shown in the nineteenth or twentieth embodiment is more remarkable. appear. Further, in this embodiment, nitrogen may be implanted without providing oxide film 207 #, and control gate electrode 205 # may be doped with nitrogen.
[0187]
Note that a region to be doped with nitrogen may be selected in combination with the above embodiment depending on a desired effect.
[0188]
【The invention's effect】
Since the present invention is configured as described above, the following effects can be obtained.
[0189]
In the semiconductor device according to the present invention, since the gate electrode is doped with nitrogen, the diffusion of the impurity introduced into the gate electrode can be suppressed, and the contamination of the impurity into the gate insulating film and the penetration of the impurity from the gate insulating film can be suppressed. it can. Further, since the gate insulating film is doped with nitrogen, the reliability and hot carrier resistance of the gate insulating film are improved.
[0190]
Since the semiconductor device according to the present invention includes the nitrogen doping region inside the source / drain region, diffusion of impurities introduced into the source / drain region can be suppressed, and the junction surface of the source / drain region is formed shallow. It is possible to do.
[0191]
In addition, the nitrogen doping region of the source / drain region can prevent diffusion of impurities in the lateral direction, so that the area where the first insulating film overlaps with the source / drain region can be reduced, so that the second gate The capacitance between the electrode and the source / drain region can be reduced. Therefore, the coupling ratio can be increased, and the voltage applied to the second gate electrode can be reduced.
[0192]
Further, in the semiconductor device according to the present invention, nitrogen is doped into the gate electrode having a stacked structure of the metal silicide film and the polysilicon film, and the nitrogen concentration peak exists at the interface between the polysilicon film and the metal silicide film. The diffusion of the impurity doped in the polysilicon film into the metal silicide film can be suppressed. Therefore, a change in the work function of the gate electrode in the positive or negative direction can be suppressed, and a change in the threshold voltage due to a change in the work function can be suppressed.
[0193]
Further, by implanting nitrogen ions into the semiconductor substrate main surface at an angle smaller than 90 °, the diffusion of impurities in the channel direction can be further controlled.
[0194]
In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, nitrogen ions are implanted, and impurity ions having a range larger than the range of the nitrogen ions are implanted to form the source / drain regions. A nitrogen doping region can be formed.
[0195]
Furthermore, in the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, after nitrogen is ion-implanted into the gate insulating film, heat treatment is performed, and nitrogen is deposited in the gate insulating film. Therefore, without damaging the gate insulating film, A gate insulating film not doped with hydrogen can be formed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional structural view of a PMOS transistor according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating a profile of a source / drain region in a depth direction.
FIG. 3 is a manufacturing process diagram of the PMOS transistor according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a manufacturing process diagram of the PMOS transistor according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a manufacturing process diagram of the PMOS transistor according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a manufacturing process diagram of the PMOS transistor according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a manufacturing process diagram of the PMOS transistor according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a manufacturing process diagram of the PMOS transistor according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a manufacturing process diagram of the PMOS transistor according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a sectional structural view of a PMOS transistor of the present invention.
FIG. 11 is a diagram showing a profile of a source / drain region in a depth direction.
FIG. 12 is a sectional structural view of a PMOS transistor according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a diagram showing a profile of a gate electrode and a gate oxide film in a depth direction.
FIG. 14 is a manufacturing process diagram of the PMOS transistor according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a manufacturing step diagram of the PMOS transistor according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 16 is a manufacturing process diagram of the PMOS transistor according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 17 is a manufacturing step diagram of the PMOS transistor according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 18 is a manufacturing step diagram of the PMOS transistor according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 19 is a diagram illustrating nitrogen implantation conditions.
FIG. 20 is a diagram showing the result of evaluating the reliability of an oxide film.
FIG. 21 is a diagram showing a nitrogen injection amount dependency of a threshold voltage change amount due to hot carrier injection of a PMOS transistor.
FIG. 22 is a sectional structural view of a PMOS transistor according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 23 is a manufacturing process diagram of the PMOS transistor according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 24 is a manufacturing process diagram of the PMOS transistor according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 25 is a manufacturing process diagram of the PMOS transistor according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 26 is a manufacturing step diagram of the PMOS transistor according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 27 is a manufacturing process diagram of the PMOS transistor according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 28 is a manufacturing process diagram of the PMOS transistor according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 29 is a manufacturing process diagram of the PMOS transistor according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 30 is a manufacturing step diagram of the PMOS transistor according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 31 is a manufacturing step diagram of the PMOS transistor according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 32 is a manufacturing step diagram of the PMOS transistor according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 33 is a sectional structural view of a PMOS transistor of the present invention.
FIG. 34 is a sectional structural view of an NMOS transistor according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 35 is a diagram showing a profile in a depth direction of a gate electrode and a gate oxide film.
FIG. 36 is a manufacturing step diagram of the NMOS transistor according to the fourth embodiment of the present invention.
FIG. 37 is a manufacturing step diagram of the NMOS transistor according to the fourth embodiment of the present invention.
FIG. 38 is a manufacturing step diagram of the NMOS transistor according to the fourth embodiment of the present invention.
FIG. 39 is a manufacturing step diagram of the NMOS transistor according to the fourth embodiment of the present invention.
FIG. 40 is a manufacturing step diagram of the NMOS transistor according to the fourth embodiment of the present invention;
FIG. 41 is a manufacturing step diagram of the NMOS transistor according to the fourth embodiment of the present invention;
FIG. 42 is a diagram showing the dependency of the amount of change in the threshold voltage due to hot carrier injection on the NMOS transistor on the amount of nitrogen injection.
FIG. 43 is a sectional structural view of an NMOS transistor according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 44 is a diagram showing a profile of a source / drain region in a depth direction.
FIG. 45 is a manufacturing step diagram of the NMOS transistor according to the fifth embodiment of the present invention.
FIG. 46 is a manufacturing step diagram of the NMOS transistor according to the fifth embodiment of the present invention;
FIG. 47 is a view showing the manufacturing process of the NMOS transistor according to the fifth embodiment of the present invention;
FIG. 48 is a view showing the manufacturing process of the NMOS transistor according to the fifth embodiment of the present invention;
FIG. 49 is a sectional structural view of an NMOS transistor of the present invention.
FIG. 50 is a sectional structural view of a dual gate CMOS transistor according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 51 is a manufacturing step diagram of the dual-gate CMOS transistor according to the sixth embodiment of the present invention;
FIG. 52 is a manufacturing step diagram of the dual-gate CMOS transistor according to the sixth embodiment of the present invention;
FIG. 53 is a manufacturing step diagram of the dual-gate CMOS transistor according to the sixth embodiment of the present invention;
FIG. 54 is a manufacturing step diagram of the dual-gate CMOS transistor according to the sixth embodiment of the present invention;
FIG. 55 is a manufacturing step diagram of the dual gate CMOS transistor according to the sixth embodiment of the present invention;
FIG. 56 is a manufacturing step diagram of the dual-gate CMOS transistor according to the sixth embodiment of the present invention;
FIG. 57 is a manufacturing step diagram of the dual-gate CMOS transistor according to the sixth embodiment of the present invention;
FIG. 58 is a manufacturing step diagram of the dual-gate CMOS transistor according to the sixth embodiment of the present invention;
FIG. 59 is a manufacturing step diagram of the dual-gate CMOS transistor according to the sixth embodiment of the present invention;
FIG. 60 is a view showing the manufacturing process of the dual-gate CMOS transistor according to the sixth embodiment of the present invention;
FIG. 61 is a manufacturing step diagram of the dual-gate CMOS transistor according to the sixth embodiment of the present invention;
FIG. 62 is a manufacturing step diagram of the dual-gate CMOS transistor according to the sixth embodiment of the present invention;
FIG. 63 is a manufacturing step diagram of the dual-gate CMOS transistor according to the sixth embodiment of the present invention;
FIG. 64 is a view showing the manufacturing process of the dual-gate CMOS transistor according to the sixth embodiment of the present invention;
FIG. 65 is a sectional structural view of a dual gate CMOS transistor according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 66 is a diagram showing profiles of a gate electrode and a gate oxide film in a depth direction.
FIG. 67 is a diagram showing a profile of a gate electrode and a gate oxide film in a depth direction.
FIG. 68 is a view showing the manufacturing process of the dual-gate CMOS transistor according to the seventh embodiment of the present invention;
FIG. 69 is a view showing the manufacturing process of the dual-gate CMOS transistor according to the seventh embodiment of the present invention;
FIG. 70 is a manufacturing step diagram of the dual-gate CMOS transistor according to the seventh embodiment of the present invention;
FIG. 71 is a manufacturing step diagram of the dual-gate CMOS transistor according to the seventh embodiment of the present invention;
FIG. 72 is a manufacturing step diagram of the dual-gate CMOS transistor according to the seventh embodiment of the present invention;
FIG. 73 is a manufacturing step diagram of the dual-gate CMOS transistor according to the seventh embodiment of the present invention;
FIG. 74 is a view showing the manufacturing process of the dual-gate CMOS transistor according to the seventh embodiment of the present invention;
FIG. 75 is a manufacturing step diagram of the dual-gate CMOS transistor according to the seventh embodiment of the present invention;
FIG. 76 is a view showing the manufacturing process of the dual-gate CMOS transistor according to the seventh embodiment of the present invention;
FIG. 77 is a sectional structural view of a TFT according to an eighth embodiment of the present invention.
FIG. 78 is a diagram showing an impurity profile in the a-a ′ cross section of the PMOS-TFT.
FIG. 79 is a diagram showing an impurity profile in a section taken along the line b-b ′ of the PMOS-TFT.
FIG. 80 is a manufacturing step diagram of the TFT according to the eighth embodiment of the present invention;
FIG. 81 is a view showing the manufacturing process of the TFT according to the eighth embodiment of the present invention;
FIG. 82 is a view showing the manufacturing process of the TFT according to the eighth embodiment of the present invention;
FIG. 83 is a diagram showing an impurity profile in an a-a ′ cross section of the NMOS-TFT.
FIG. 84 is a diagram showing an impurity profile in a section taken along the line b-b ′ of the NMOS-TFT.
FIG. 85 is a sectional structural view of a TFT according to the tenth embodiment of the present invention;
FIG. 86 is a diagram showing an impurity profile in the a-a ′ cross section of the PMOS-TFT.
FIG. 87 is a view showing the manufacturing step of the TFT according to the tenth embodiment of the present invention;
FIG. 88 is a manufacturing step diagram of the TFT according to the tenth embodiment of the present invention;
FIG. 89 is a view showing the manufacturing process of the TFT according to the tenth embodiment of the present invention;
FIG. 90 is a diagram showing an impurity profile in an a-a ′ cross section of the NMOS-TFT.
FIG. 91 is a sectional structural view of a TFT according to an eleventh embodiment of the present invention;
FIG. 92 is a diagram showing an impurity profile in an a-a ′ section of a PMOS-TFT.
FIG. 93 is a manufacturing step diagram of the TFT according to the eleventh embodiment of the present invention;
FIG. 94 is a view showing the manufacturing process of the TFT according to the eleventh embodiment of the present invention;
FIG. 95 is a view showing the manufacturing step of the TFT according to the eleventh embodiment of the present invention;
FIG. 96 is a view showing the manufacturing process of the TFT according to the eleventh embodiment of the present invention;
FIG. 97 is a diagram showing an impurity profile in an a-a ′ cross section of the NMOS-TFT.
FIG. 98 is a bird's-eye view of the TFT according to the twelfth embodiment of the present invention;
FIG. 99 is a sectional view of the TFT, taken along the line A-A ′.
FIG. 100 is a B-B ′ cross-sectional view of the TFT.
FIG. 101 is a diagram showing an impurity profile in an a-a ′ cross section of a TFT.
FIG. 102 is a diagram showing an impurity profile in a section taken along the line b-b ′ of the TFT.
FIG. 103 is a manufacturing step diagram of the TFT according to the twelfth embodiment of the present invention;
FIG. 104 is a manufacturing step diagram of the TFT according to the twelfth embodiment of the present invention.
FIG. 105 is a manufacturing step diagram of the TFT according to the twelfth embodiment of the present invention.
FIG. 106 is a manufacturing step diagram of the TFT according to the twelfth embodiment of the present invention.
FIG. 107 is a manufacturing step diagram of the TFT according to the twelfth embodiment of the present invention;
FIG. 108 is a manufacturing step diagram of the TFT according to the twelfth embodiment of the present invention;
FIG. 109 is a sectional structural view of a flash EEPROM according to a thirteenth embodiment of the present invention;
FIG. 110 is a diagram showing a profile of a gate electrode in a depth direction.
FIG. 111 is a manufacturing step diagram of the flash EEPROM according to the thirteenth embodiment of the present invention;
FIG. 112 is a manufacturing step diagram of the flash EEPROM according to the thirteenth embodiment of the present invention;
FIG. 113 is a manufacturing step diagram of the flash EEPROM according to the thirteenth embodiment of the present invention;
FIG. 114 is a manufacturing step diagram of the flash EEPROM according to the thirteenth embodiment of the present invention;
FIG. 115 is a manufacturing step diagram of the flash EEPROM according to the thirteenth embodiment of the present invention;
FIG. 116 is a manufacturing step diagram of the flash EEPROM according to the thirteenth embodiment of the present invention;
FIG. 117 is a view showing the manufacturing process of the flash EEPROM according to the thirteenth embodiment of the present invention;
FIG. 118 is a manufacturing step diagram of the flash EEPROM according to the thirteenth embodiment of the present invention;
FIG. 119 is a manufacturing step diagram of the flash EEPROM according to the thirteenth embodiment of the present invention;
FIG. 120 is a manufacturing step diagram of the flash EEPROM according to the thirteenth embodiment of the present invention;
FIG. 121 is a manufacturing step diagram of the flash EEPROM according to the thirteenth embodiment of the present invention;
FIG. 122 is a manufacturing step diagram of the flash EEPROM according to the thirteenth embodiment of the present invention;
FIG. 123 is a manufacturing step diagram of the flash EEPROM according to the thirteenth embodiment of the present invention;
FIG. 124 is a manufacturing step diagram of the flash EEPROM according to the thirteenth embodiment of the present invention;
FIG. 125 is a sectional structural view of a flash EEPROM according to a fourteenth embodiment of the present invention;
FIG. 126 is a manufacturing step diagram of the flash EEPROM according to the fourteenth embodiment of the present invention;
FIG. 127 is a manufacturing step diagram of the flash EEPROM according to the fourteenth embodiment of the present invention;
FIG. 128 is a manufacturing step diagram of the flash EEPROM according to the fourteenth embodiment of the present invention;
FIG. 129 is a sectional structural view of a flash EEPROM according to a fifteenth embodiment of the present invention;
FIG. 130 is a manufacturing step diagram of the flash EEPROM according to the fifteenth embodiment of the present invention;
FIG. 131 is a manufacturing step diagram of the flash EEPROM according to the fifteenth embodiment of the present invention;
FIG. 132 is a sectional structural view of a flash EEPROM according to a sixteenth embodiment of the present invention;
FIG. 133 is a manufacturing step diagram of the flash EEPROM according to the sixteenth embodiment of the present invention;
FIG. 134 is a view showing the manufacturing process of the flash EEPROM according to the sixteenth embodiment of the present invention;
FIG. 135 is a manufacturing step diagram of the flash EEPROM according to the sixteenth embodiment of the present invention;
FIG. 136 is a manufacturing step diagram of the flash EEPROM according to the sixteenth embodiment of the present invention;
FIG. 137 is a sectional structural view of a flash EEPROM according to a seventeenth embodiment of the present invention;
FIG. 138 is a diagram showing a profile of a drain region in a depth direction.
FIG. 139 is a manufacturing step diagram of the flash EEPROM according to the seventeenth embodiment of the present invention;
FIG. 140 is a manufacturing step diagram of the flash EEPROM according to the seventeenth embodiment of the present invention;
FIG. 141 is a view showing the manufacturing process of the flash EEPROM according to the seventeenth embodiment of the present invention;
FIG. 142 is a sectional structural view of a flash EEPROM according to an eighteenth embodiment of the present invention;
FIG. 143 is a sectional structural view of a flash EEPROM according to a nineteenth embodiment of the present invention;
FIG. 144 is a sectional structural view of a flash EEPROM according to a nineteenth embodiment of the present invention;
FIG. 145 is a sectional structural view of a conventional PMOS transistor.
FIG. 146 is a sectional structural view of a conventional PMOS transistor.
FIG. 147 is a sectional structural view of a conventional PMOS transistor.
FIG. 148 is a sectional structural view of a conventional dual-gate CMOS transistor.
FIG. 149 is a view showing the manufacturing process of the conventional dual-gate CMOS transistor;
FIG. 150 is a view showing the manufacturing process of the conventional dual-gate CMOS transistor;
FIG. 151 is a view showing the manufacturing process of the conventional dual-gate CMOS transistor;
FIG. 152 is a view showing a manufacturing step of a conventional dual-gate CMOS transistor;
FIG. 153 is a manufacturing process diagram of a conventional dual-gate CMOS transistor.
FIG. 154 is a manufacturing process diagram of a conventional dual-gate CMOS transistor.
FIG. 155 is a view showing the manufacturing process of the conventional dual-gate CMOS transistor;
FIG. 156 is a manufacturing step diagram of the conventional dual-gate CMOS transistor;
FIG. 157 is a view showing the manufacturing step of the conventional dual-gate CMOS transistor;
FIG. 158 is a sectional structural view of a conventional dual-gate CMOS transistor.
FIG. 159 is a view showing the manufacturing step of the conventional dual-gate CMOS transistor;
FIG. 160 is a view showing the manufacturing process of the conventional dual-gate CMOS transistor;
FIG. 161 is a view showing the manufacturing process of the conventional dual-gate CMOS transistor;
FIG. 162 is a view showing the manufacturing process of the conventional dual-gate CMOS transistor;
FIG. 163 is a manufacturing step diagram of the conventional dual-gate CMOS transistor;
FIG. 164 is a sectional structural view of a conventional TFT.
FIG. 165 is a bird's-eye view of a conventional TFT.
FIG. 166 is a manufacturing process diagram of a conventional TFT.
FIG. 167 is a manufacturing process diagram of a conventional TFT.
FIG. 168 is a manufacturing process diagram of a conventional TFT.
FIG. 169 is a manufacturing process diagram of a conventional TFT.
FIG. 170 is a sectional structural view of a conventional flash EEPROM.
FIG. 171 is a sectional structural view for explaining the operation of the flash EEPROM.
FIG. 172 is a sectional structural view for explaining the operation of the flash EEPROM;
FIG. 173 is a sectional structural view for explaining the operation of the flash EEPROM;
FIG. 174 is a sectional structural view for explaining the coupling ratio of the flash EEPROM.
FIG. 175 is a cross-sectional structure diagram for describing band-to-band tunneling occurring in a flash EEPROM.
FIG. 176 is a sectional structural view of a conventional embedded channel type flash EEPROM.
FIG. 177 is a view illustrating the conventional method of manufacturing the semiconductor device;
[Explanation of symbols]
6 source / drain region, 8 titanium silicide film, 23 titanium silicide film, 30 nitrogen doping region, 35 gate electrode, 36 gate oxide film, 41 gate electrode, 42 gate oxide film, 44 N+-Type source / drain region, 43 NType source / drain regions, 47 gate oxide film, 48 gate oxide film, 50 polysilicon film, 51 polysilicon film, 52 N-Type source / drain region, 53 N+Source / drain regions, 105 polysilicon layer, 105a channel region, 105b source region, 105c drain region, 110 nitrogen doping region, 111 gate insulating film, 120 gate electrode, 126 tungsten silicide layer, 128 gate insulating film, 131 gate insulating Film, 208 drain region, 209 source region, 217 N-type impurity layer, 218 P-type impurity layer, 219 nitrogen doping region, 220 oxide film, 222 interlayer insulating film, 223 control gate electrode, 230 nitrogen doping region, 231 nitrogen doping region .

Claims (6)

半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された第1の絶縁膜と、
前記第1の絶縁膜上に形成された第1の電極と、
前記第1の電極を挟んで前記半導体基板に設けられたソース/ドレイン領域と、
前記ソース/ドレイン領域内部に窒素がドープされている領域とを備えたことを特徴とする半導体装置。
A semiconductor substrate;
A first insulating film formed on the semiconductor substrate;
A first electrode formed on the first insulating film;
Source / drain regions provided on the semiconductor substrate with the first electrode interposed therebetween;
A semiconductor device having a region doped with nitrogen inside the source / drain region.
前記第1の電極上に第2の絶縁膜と、
前記第2の絶縁膜上に第2の電極とをさらに備えたことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
A second insulating film on the first electrode;
The semiconductor device according to claim 1, further comprising a second electrode on the second insulating film.
前記ソース/ドレイン領域は、前記半導体基板の主表面から該半導体基板の内部に設けられ、前記窒素がドープされている領域は、該主面から前記ソース/ドレイン領域の内部に設けられていることを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。The source / drain region is provided from the main surface of the semiconductor substrate to the inside of the semiconductor substrate, and the region doped with nitrogen is provided from the main surface to the inside of the source / drain region. The semiconductor device according to claim 2, wherein: 半導体基板上にゲート電極を形成する工程と、
前記半導体基板に窒素イオンを注入し、前記ゲート電極を挟んで前記半導体基板に窒素ドーピング領域を形成する工程と、
前記窒素イオンの飛程よりも大きい飛程を持つ不純物イオンを前記半導体基板に注入し、前記窒素ドーピング領域を含むソース/ドレイン領域を形成する工程とを備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming a gate electrode on the semiconductor substrate;
Implanting nitrogen ions into the semiconductor substrate, forming a nitrogen doping region in the semiconductor substrate with the gate electrode in between,
Implanting impurity ions having a range greater than the range of the nitrogen ions into the semiconductor substrate to form source / drain regions including the nitrogen-doped region. Method.
前記窒素イオンを前記半導体基板の主表面に対し、90度よりも小さい角度から前記半導体基板に注入することを特徴とする請求項4に記載の半導体装置の製造方法。5. The method according to claim 4, wherein the nitrogen ions are implanted into the semiconductor substrate at an angle smaller than 90 degrees with respect to a main surface of the semiconductor substrate. 半導体基板上にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、
前記ゲート電極及び前記ゲート電極を挟んで前記半導体基板に窒素イオンを注入し、前記ゲート電極に窒素をドープするとともに、前記半導体基板内に窒素ドーピング領域を形成する工程と、
前記窒素イオンの飛程よりも大きい飛程をもつ不純物イオンを前記ゲート電極及び前記ゲート電極を挟んで前記半導体基板に注入し、前記ゲート電極に不純物をドープするとともに、前記窒素ドーピング領域を含むソース/ドレイン領域を形成する工程と、
前記ゲート電極及び前記半導体基板に不純物を注入する工程の後に熱処理を行い、前記ゲート絶縁膜中に窒素を析出させる工程とを備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming a gate insulating film on the semiconductor substrate;
Forming a gate electrode on the gate insulating film;
Implanting nitrogen ions into the semiconductor substrate with the gate electrode and the gate electrode interposed therebetween, and doping nitrogen into the gate electrode, and forming a nitrogen doping region in the semiconductor substrate;
Impurity ions having a range greater than the range of the nitrogen ions are implanted into the semiconductor substrate with the gate electrode and the gate electrode interposed therebetween, and the gate electrode is doped with impurities, and a source including the nitrogen-doped region is provided. / Forming a drain region;
Performing a heat treatment after the step of implanting impurities into the gate electrode and the semiconductor substrate to deposit nitrogen in the gate insulating film.
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