JPH023934A - 耐放射線特性が強化された半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は半導体装置に関し、特にホット・キャリアに対
する耐放射性特性が強化された半導体装置に関する。

〔従来の技術〕

近年、半導体集積回路装置を宇宙空間または原子炉周辺
などで使用する機会が増加しつつある。

そのような厳しい環境内におかれた場合、半導体集積回
路装置は種々の放射線損傷を受け、回路の誤動作および
破壊を生じ、システムを機能低下させやすい。したがっ
て放射線に強い半導体集積回路装置の開発が望まれてい
る。

しかしなから、ＭＯ３型半導体装置は一方で構造の微細
化が進み、他方では、トランジスタの動作電圧そのもの
は変わらないという状況下にあるため、最近の半導体集
積回路装置では１〜ランジスタ内部の空乏層領域の電界
強度は増大しつづける傾向にある。従って、シリコン基
板／ゲート酸化膜界面の横方向電界が充分大きくなる特
別な場合では、ここで加速されたキャリアがドレイン近
傍の高電界領域で基板の結晶格子と電離衝突し、電子−
正孔対を発生させる。通常、高電界領域で加速された荷
電粒子系の温度（電子温度、正孔温度）が格子温度を越
えるとき、この電荷は特別にポットキャリアと呼ばれる
が、この場合、このホットキャリアの一部は基板シリコ
ン／ゲート酸化膜間の障壁を越えてゲート酸化膜に注入
されるようになる。すなわち、Ｎチャネル・トランジス
タでは電子の注入か、また、Ｐチャネル・トランジスタ
では正孔の注入現象がそれぞれ起こる。この注入キャリ
アはシリコン／酸化膜界面に界面準位を形成するか、あ
るいは酸化膜内の１〜ラツプに捕獲されて固定電荷蓄積
を引き起し、その結果トランジスタの閾値電圧を変動せ
しめるなど半導体装置の信頼性を低下させる。従来、こ
のような、素子の微細化に伴う信頼性の低下を防ぐため
ＭＯ８型半導体装置をＬ　Ｄ　Ｄ　（Ｌｉｇｈｔｌｙ−
Ｄｏｐｅｄ−Ｄｒａｉｎ）構造にすることが行われて来
た。

第５図は従来のＬＤＤ構造のＮＭＯ３）−ランジスタの
断面図を示すものて、ドレイン領域７近傍のチャンネル
領域に不純物濃度が低い１１−型領域６を形成し、ここ
て横方向電界の集中を緩和させたものである。通常、こ
のｎ−型領域６はソース、トレインの各［ｌ＋型領領域
７形成するに先立って形成されるが、ｎ＋型領領域７形
成する後工程の注入不純物が既に形成されているこのｎ
−型領域６内に打ち込まれるのを防ぐため、ｎ＋型領領
域７形成する際は、サイド・ウォールと呼ばれる絶縁層
５がケート電極３の側面酸化膜４に沿って予かしめ形成
される。この場合、サイド・ウォールの形成には、従来
化学気相成長法（ＣＶＤ法）によるシリコン酸化膜を用
いるのが通常である。この１−７ＤＤ構造のＭＯ３型半
導体装置は耐ホット・キャリア性に優れた構造ではある
が、人工衛星搭載用半導体装置の如く強い放射線に曝さ
れる使用環境では充分でなく、さらに放射線耐性を強化
する・必要が生じている。

〔発明が解決しようとする課題〕

すなわち、第６図（ａ）及び（Ｌ））は従来のＬ　Ｄ　
Ｄ構造のＮ　Ｍ　ＯＳ　）ランジスタの耐放射線特性の
試験データ図てあって、放射線照射の有無によってドレ
インの電圧電流特性の変化を調へなものである。ここで
、第６図（ａ）は放射線を照射しない場合の、また、第
６図（ｂ）は放射線（Ｃｏ６０ガンマ線）を１０５ｒａ
ｄ照射した場合のデータ図をそれぞれ示しており、何れ
も通常の状態であればホット・キャリアが発生する条件
のバイアス・ストレス（例えばター１〜電圧５■、ドレ
イン電圧５■、ストレス時間３０００時間）を加えた場
合と加えない場合とについて調べられている。すなわち
、ケート酸化膜を温度９５０℃の乾燥酸素中で厚さ２０
０人に形成したゲート長１．５μｍの試料を用いた場合
の放射線の照射前と照射後のドレイン電圧、電流特性が
それぞれストレス印加前（実線）およびストレス印加ｆ
＆　（破線）に−）いて示されている。この試験結果か
ら明らかなように、Ｌ　Ｄ　Ｄ構造は高い耐ボットキャ
リア性を有しており、ポット・キャリア・ストレスの印
加前？糸でトランジスタの特性変動は放射線の照射前で
は第６図（ａ）が示すように殆んど生じないが、−旦放
射線が照射されると？ｆＪ６図（ｂ）が示すように、ポ
ット・キャリア・ストレス印加後のトレイン電流（破線
）が印加前（実線）に較べ大きく減少する。このドレイ
ン電流の変動の原図としては、（１）ゲート酸化膜中に
発生する損傷と、（２）サイド・つオールに発生する損
傷とが考えられる。しかしなから、補充実験として行っ
た放射線に強いゲート酸化膜を用いたＭＯＳトランジス
タでも依然として変動が大きいので〔第６図（ｂ）の−
点鎖線参照〕、特性変動の原図は＜２）のサイド・ウォ
ールに発生する損傷が大きく寄与しているものと考えら
れる。このように、従来のＬＤＤ構造を有するＭＯ３１
〜ランジスタは、放射線を照射し、ポット・キャリア・
ストレスの印加を行うと、トレイン電流が減少し、相互
コンダクタンスが低下するという欠点を有している。

この理由は以下のように説明することができる。すなわ
ち、従来のサイド・ウォール材にはＣＶＤ法によるシリ
コン酸化膜が用いられる。この酸化膜はガンマ線、Ｘ線
等の電離放射線が照射されると、良く知られているよう
にｊ模内に電子正孔対を生成する。従って、この時ゲー
ト電極が正電位ならば発生した正孔は基板方向に移動し
、サイド・ウォール下方のシリコン／酸化膜界面に界面
準位を形成することとなる。この界面準位はキャリア・
トラップとして振舞うため、ホット・キャリア・ス１〜
レスが印加されていると電子を捕獲し、サイ１〜・ウオ
ール下方のシリコン／酸化膜界面のｎ−型領域を空乏化
するのて、この領域の抵抗を増加させ、結果としてドレ
イン電流を減少させ、相互コンタクタンスを低下させる
こととなる。ところで、酸化膜に放射線を照射すると、
このように界面準位が発生ずると同時に、酸化膜内の正
孔トラップによる正孔の捕獲が起こり固定正電荷の蓄積
も起こる。若しも固定正電荷の影響が界面準位の影４！
−Ｃよりも大きい場合には、ホット・キャリアの発生が
より一層促進される。

これはつぎに説明する理由によるものである。

すなわち、固定正電荷の蓄積が起こるとサイドウオール
が正に帯電するため、その下部のロー型領域かｎ゛型領
領域化る。その結果、実質的にチャネル長が減少し、そ
れに伴い、チャネルの横方向電界が増大してホット・キ
ャリアの発生が促進されるというものである。ここまで
は、Ｎチャネル・トランジスタについての放射線の影響
を述べたが、Ｐチャオ・ル・トランジスタにおいても同
様の影響が現われる。

すでに述べたように、界面準位の発生はｎ−型領域の空
乏化を生じ、また、固定正電荷の蓄積はｎ−型領域のｎ
＋型化を招き、何れもこれらを通してｌヘランジスタ特
性を変動させる。従って、界面準位発生量と固定正電荷
蓄積量をそれぞれ制御し、両者の影響を相殺できればｎ
−型領域を安定に存在させることができる。しかしなか
ら、このような制御は事実ト不可能であるばかりでなく
、界面準位の存在それ自体がチャネルにおける電子の移
動度を低下させトランジスタ特性を損う。以１−１の理
由からＭＯ８型半導体装置の被放射線環境下における信
頼性を高めるためには、Ｉ−ランジスタ持性の変動要因
となる界面準位の発生量および固定正電荷の蓄積量を共
に減少せしめることが必要である。従って、従来のＬ　
Ｄ　Ｄ構造のＭＯＳトランジスタの如く放射線の照射を
受けると、（ａ）サイド・ウォール下方のシリコン／ｉ
’ｉｕ化膜界面に界面準位を発生し、また（ｂ）サイド
・ウォール内部において同定正電荷の蓄積が起り、前者
の影響が大きいとドレイン電流の減少および相互コンダ
クタンスの低下を引き起こし、また、後者の影響が大き
いとホット・キャリアの発生がより一層促進される素子
の場合には、サイド・ウォールによる界面準位の発生お
よび固定正電荷の蓄積の両者についてそれぞれ有効な消
滅対策をとらない限り、放射線の照射環境下で正常な動
作を営ませることができない。

本発明の目的は、上記の情況に鑑み、放射線環境下にお
いて充分動作し得るＬＤＤ構造のＭＯＳトランジスタを
有する耐放射線特性が強化された半導体装置を提供する
ことである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明によれば、耐放射線特性が強化された半導体装置
は、ゲート電極の周囲にサイド・ウォールを形成するＬ
ＤＤ構造の絶縁ゲート電界効果半導体装置において、前
記サイド・ウォールが化学気相成長法によって形成され
るシリコン窒化膜とボロンおよび或いはリンを含むシリ
コン酸化膜の２　Ｘり構造から成ることを含んで＋７４
成される。

〔実施例〕

以下図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１［４は本発明の一実施例を示すＬＤＤ構造ＮＭＯＳ
トランジスタの断面図である。本実施例によれば、本発
明の半導体装置は、Ｐ型シリコン基板］０と、素子領域
を形成するフィールド酸化膜１１と、チャネル・ストッ
パー１２と、この素子領域内にそれぞれ形成されたゲー
ト酸化膜８と、全面に側面酸化膜を設けたゲート電極３
と、Ｃ■［）シリコン窒化膜１とリンを含むＣＶ　Ｄシ
リコン酸化膜２ａとから成る２層構造のサイド・ウォー
ルと、ゲート電極３および２層のサイド・ウォールをそ
れぞれマスクに自己整合的に形成されたｒｌ−型領域６
およびｎ＋型領領域７から成るＬＤＤ構造のＭＯＳトラ
ンジスタとを含む。本実施例の如く、サイド・ウォール
をＣＶＤシリコン窒化膜１−とリンを含むＣＶＤシリコ
ン酸化膜２ａとを用いた２ｊＩＭ造とすると、ＣＶＤ法
を用いて形成したリンを含むシリコン酸化膜２ａの内部
には多数の再結合中心が存在するため、放射線の照射に
よって、仮令、多数の正孔が膜内に発生したとしても高
い確率で再結合させ消失せしめることができる。その結
果、界面準位の発生量および固定正電荷の蓄積量が著し
く減少する。更に、ＣＶＤシリコン窒化膜１とこのシリ
コン酸化ｊ摸２ａとの界面にも電子および正孔トラップ
が多数存在するなめ、放射線の照射により発生したシリ
コン酸化膜２ａ内の正孔はこのトラップに捕獲される。

従って、サイド・ウォール下方のシリコン／酸化膜界面
に到達する確率が大幅に減少するので、界面準位の発生
量が著しく減少する。

ずなわぢ、本実施例によれば、放射線照射時にサイド・
ウォール内に発生した正孔はサイド・ウォール内部に多
数存在する再結合中心で再結合し消滅するなめ、サイド
・つオール内部における固定電荷の蓄積￥およびサイド
・ウォール下方のシリコン／酸化膜界面における界面準
位の発生量が減少するほか、内部に発生した正孔も２つ
の絶縁膜の界面に多数存在するトラップに捕獲されてサ
イド・つオール下方のシリコン／酸化膜界面に到達する
確率か大幅に減少するので界面準位の発生量も減少する
。従って、サイド・つオール下方のシリコン／酸化膜界
面における界面準位発生量およびサイド・ウォール内部
での固定正電荷の蓄積量を何れも減少せしめ得る。すな
わち、本発明によれば、界面準位発生量および固定正電
荷蓄積量を何れも大幅に減少せしめ、界面準位の発生に
起因するドレイン電流の減少、相互コンダクタンスの低
下および固定正電荷の蓄積に起因するホット・キャリア
の発生などの好ましからざる現象を大きく抑制すること
ができるので、ＬＤＤ半導体装置の放射線に対する信頼
性を格段に向上せしめることができる。

第２図は本発明の詳細な説明する上記実施例の耐放射線
特性の試験データ図て、放射線を照射した状態における
ドレイン電流−トレイン電圧特性を既に説明した第６図
（ｂ）と同一条件で測定したものである。この試験デー
タから明らかなように、ストレス印加前（実線）と印加
後（破線）との間にはドレイン電流の変動は殆んど認め
られず、耐放射特性が大幅に改善されていることが理解
される。

つぎに本発明半導体装置の作り方を簡単に説明する。

第３図（ａ）〜（ｃ）は上記実施例の製造方法の一つを
示す工程順序図であって、まず第３図（ａ）に示すよう
に、公知の技術を用いてＰ型シリコン基板１０上にフィ
ールド酸化膜１１およびストッパ領域１２をそれぞれ形
成し、ついで素子領域内のＰ型基板１０上にゲート酸化
膜８を形成した後、リン等を含む多結晶シリコンまたは
高融点金属から成るゲート電極３を公知のエツチング技
術により形成し、その表面に熱酸化法を用いて側面酸化
膜を形成する。次に第３図（ｂ）が示すように、ゲート
電［３をマスクとして自己整合的に低濃度のヒ素あるい
はリン等のｎ型不純物をイオン注入した後、素子全面に
シリコン窒化膜１′をＣＶＤ法を用いて堆積する９つい
で、このシリコン窒化Ｍｌ’上に同じ＜ＣＶＤ法を用い
てリンを含むシリコン酸化膜２ａ′を素子全面に堆積す
る。ついで、第３図（ｃ）が示すように、異方性を有す
る化学イオン・エツチング法を用いてシリコン酸化膜２
ａ′をエツチングしゲート電極３の側面にのみ残した後
、熱リン酸液を用いて表面に露出するシリコン窒化膜１
′をエツチング除去することにより、ＣＶＤシリコン窒
化膜１とリンを含むＣＶＤシリコン酸化膜２ａの２層構
造をもつサイド・ウォールを形成し、更にゲート電極３
およびサイド・ウォールをマスクとして、自己整合的に
高濃度のヒ素あるいはリンのイオン注入を行い、最後に
高温の窒素雰囲気中で加熱することによりイオン注入層
を活性化してｎ−型領域６およびｎ＋を領ｔ４７を形成
すれば、第１図に示す構造の半導体装置を得る。

以上はサイド・ウォール材の一層にリンを含むＣＶＤシ
リコン酸化膜を用いた場合を説明したが、これによる効
果はリンに代えてボロンまたはリンとボロンの双方を含
ませたシリコン酸化膜を用いてもほぼ同等である。

第４図は本発明の他の実施例を示すＬＤＤ構造のＮＭＯ
Ｓトランジスタの断面図であって、サイド・ウォールを
ＣＶＤ法で形成されたシリコン窒化膜１と同じ＜ＣＶＤ
法て形成されたボロンとリンを含むシリコン酸化膜（Ｂ
ＰＳＧ）２ｂとから成る２層構造で形成した場合を示し
たものである。

〔発明の効果〕

以上詳細に説明したように、本発明によれば、サイド・
ウォールをＣＶＤ法で形成されたシリコン窒化膜と、Ｃ
ＶＤ法で形成されたボロンあるいはリンまたはその双方
を含むシリコン酸化膜の２層構造とすることにより、放
射線照射の環境下でサイド・ウォール内部に発生した正
孔をシリコン酸化膜の内部に多数存在する再結合中心で
消滅させ、サイド・つオール内部における固定圧′亀荷
の蓄積量およびサイド・ウォール下方のシリコン／酸化
膜界面における界面準位の発生量を減少せしめると共に
、更にこのシリコン酸化膜内で発生しサイド・ウォール
下方へ移動する正孔を、シリコン窒化膜と酸化膜の２つ
の絶縁層の界面に多数混在するトラップで捕獲し、サイ
ド・ウォール下方のシリコン／酸化膜界面における界面
準位発生量を著しく減少せしめる２つの作用を同時に行
わせることができる。従って、界面準位の発生に起因す
るドレイン電流の減少および相互コンダクタンスの低下
、更に固定正電荷の蓄積に起因するホラ１へ・キャリア
の発生を有効に抑制することができるので、ＬＤＤ構造
ＭＯＳトランジスタの信頼性を大幅に向上せしめる顕著
なる効果を奏しぬることがてきる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すＬＤＤ構造ＮＭＯＳト
ランジスタの断面図、第２図は本発明の詳細な説明する
上記実施例の耐放射線特性の試験データ図、第３図（ａ
）〜（ｃ）は上記実施例の製造方法の一つを示す工程順
序図、第４図は本発明の他の実施例を示すＬ　Ｄ　Ｄ構
造ＮＭＯ８）ランジスタの断面図、第５図は従来のＬＤ
Ｄ構造のＮＭＯ３）ランジスタの断面図、第６図（ａ）
および（ｂ）は従来のＬＤＤ構造のＮＭＯＳトランジス
タの耐放射線特性の試験データ図である。 １・・・ＣＶＤシリコン窒化膜、２ａ・・・リンを含む
ＣＶＤシリコン酸化膜、２ｂ・・・リンとボロンを含む
ＣＶＤシリコン酸化膜、３・・・ゲート酸化膜、４・・
・側面酸化膜、６・・・ｎ−型領域、７・・・ｎ＋型領
領域８・・・ゲート酸化膜、・・・１０・・・Ｐ型シリ
コン基板、１１・・・フィールド酸化膜、１２・・・チ
ャネル・ストッパー 蔦　４−　閃 ドレイン電工 ドレイン電工 （Ｏ） Ｆｌ、１ン電匠 （ｂ） 第　６　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ゲート電極の周囲にサイド・ウォールを形成するＬＤＤ
   構造の絶縁ゲート電界効果半導体装置において、前記サ
   イド・ウォールが化学気相成長法によって形成されるシ
   リコン窒化膜とボロンおよび或いはリンを含むシリコン
   酸化膜の２層構造から成ることを特徴とする耐放射線特
   性が強化された半導体装置。