JPH0578193B2 - - Google Patents

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JPH0578193B2
JPH0578193B2 JP57052770A JP5277082A JPH0578193B2 JP H0578193 B2 JPH0578193 B2 JP H0578193B2 JP 57052770 A JP57052770 A JP 57052770A JP 5277082 A JP5277082 A JP 5277082A JP H0578193 B2 JPH0578193 B2 JP H0578193B2
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JP
Japan
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film
substrate
sio
silicon
gate electrode
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JP57052770A
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Takashi Ito
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Fujitsu Ltd
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Fujitsu Ltd
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D30/00—Field-effect transistors [FET]
    • H10D30/60—Insulated-gate field-effect transistors [IGFET]

Landscapes

  • Element Separation (AREA)
  • Formation Of Insulating Films (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 (a) 発明の技術分野 本発明は半導体装置の製造方法の改良に関す
る。
(b) 技術の背景 MOSトランジシタを含むMOS型IC、MOS型
LSI等の半導体装置は、構造が比較的単純であり
製造工程も比較的短いので大容量メモリや大規模
ロジツク回路として用いられている。
(c) 従来技術と問題点 第1図〜第3図及び第5図により従来の半導体
装置の製造方法を工程順に説明する。
まずP型シリコン基板(以下、Si基板と略称す
る)1に所定パターンの素子間分離用二酸化シリ
コン膜(以下、素子間分離用SiO2膜と略称する)
2を形成する。
この方法としては第5図に示すように、Si基板
11に薄い二酸化シリコン膜(以下、SiO2膜と
略称する)12を熱酸化法で、窒化シリコン膜
(以下、Si3N4膜と略称する)13をCVD法によ
り順次積層して形成後、ホトリソグラフイ技術を
用いて素子間分離用SiO2膜14の形成予定領域
の薄いSiO2膜12とSi3N4膜13とをエツチング
により除去し、この薄いSiO2膜12とSi3N4膜1
3との積層された二層構造をマスクとしてシリコ
ン基板11の熱酸化により、素子間分離用SiO2
膜14を形成する。
その後二層構造のSiO2膜12及びSi3N4膜13
をエツチングして除去してから、第1図のように
基板上にゲート用のSiO2膜3を基板の熱酸化に
より形成する。更にSiO2膜3上にポリシリコン
膜を形成後、ホトリソグラフイ法及びプラズマエ
ツチング法を用いて所定のパターンのゲート電極
を形成する。第1図の4はこのようにして形成さ
れたゲート電極である。
その後第2図に示すようにゲート電極4の表面
を酸化した後、ゲート電極をマスクとしてAS原
子等を矢印のようにイオン注入してソース領域5
及びドレイン領域6を形成する。
更に第3図に示すように基板上にりん硅酸ガラ
ス(PSG)膜7を形成後、ホトリソグラフイ法
及びプラズマエツチング法を用いて所定パターン
に窓開きする。
図で8及び9はこの様にして形成したソース領
域5とドレイン領域6との接続用孔である。その
後ソース領域及びドレイ領域と接続を取るための
アルミニウム(Al)による配線膜10を蒸着に
より形成して半導体装置を形成していた。
しかしかかる方法では、このような素子間分離
用SiO2膜2を、薄いSiO2とSi3N4膜との二層構造
をマスクとしてSi基板の上に形成する場合、第4
図に示すようにそのSiO2膜2が基板下に形成さ
れる厚さとほぼ同程度の寸法だけSiO2膜2の端
部Aより基板の横方向へ広がる傾向がある。この
現象は一般にバーズビークと称され、このバーズ
ビークの形成されるとSiO2膜2で画定された素
子形成領域の寸法が狭くなり、従つてこの領域に
形成される素子の数も限定され、形成される半導
体装置の集積度が低下する欠点がある。
そこでこのような欠点を防ぐためSi基板に
SiO2膜を介さず直接Si3N4膜を形成して、この
Si3N4膜をマスクとして基板を熱酸化して素子間
分離用SiO2膜を形成する方法がとられている。
このように形成されたSi3N4膜は基板Siと窒素原
子との反応でSi基板と窒素原子とは化学結合で結
合された結果であるので、密着力は強固であり、
従つて横方向に素子間分離用SiO2膜が広がるこ
とは少なくなる。
しかしこのようにして結合したSi3N4膜は除去
の際、例えば熱りん酸(H3PO4)により除去す
るとSi基板表面が荒れたり、またH3PO4中の不
純物が基板上に残留する欠点がある。また四弗化
炭素を反応ガスとして用い、リアクテイブイオン
スパツタエツチによりエツチングしてもエツチン
グされた基板に凹凸が生じたりする欠点を生じ、
これによつてSi基板上のSi3N4膜には上記の如き
利点と欠点がある。
しかしてMOSFETの特にゲート用絶縁膜につ
いて検討すると、第1図に示すように従来の方法
ではゲート用SiO2膜3はSi基板の熱酸化法で形
成され、Si基板と酸素の直接反応によつて得られ
ているので、その界面における欠陥は少なく電気
的に活性なトラツプやイオン汚染の少ない安定の
薄膜である。しかしその後の工程において、ゲー
ト電極を所定のパターンに形成したり、プラズマ
エツチングやリアクテイブイオンエツチング等の
プロセスを経ると、SiO2膜は劣化したり絶縁性
が低下したりする問題点が生じる。
一方大規模集積回路の性能及び集積度を向上さ
せるためにパターン形状の微細化、微少化の努力
が払われ、特にMOSLSIでは構造が比較的単純
であり、製造工程も比較的短いため大容量メモリ
や大規模ロジツク回路として発展し、従つてその
中で用いられる基本素子であるMOSFETではチ
ヤンネル長及び幅を短くし、ソース及びドレイン
の接合深さを浅くし、薄いゲート絶縁膜を用いる
必要がある。そこでゲート用SiO2膜の代わりに
化学的に安定で物理的にも構造緻密なゲート用
Si3N4を用いれば、特性の向上が期待できる。そ
して良質のSi3N4の薄膜を生成するためには、例
えばSi基板を純化したNH3中で加熱すればよい。
またSi基板を反応管中に導入し、反応管に純化し
たアンモニア(NH3)ガスを導入し、反応管の
外部の高周波誘導コイルに高周波電圧を印加して
NH3ガスをプラズマ化して形成してもよい。
かかる方法は反応の低温化及び混入不純物の低
減化に効果がある。しかし、かかる直接窒化反応
で生成したSi3N4膜は、生成できる膜厚が100Å
程度の厚さ以上に分厚く形成するのは困難で、電
界の集中する特にゲート電極の周囲の領域の膜厚
を大きくとることが困難で、印加する電圧の大き
さが制限される等不都合を生じていた。
(d) 発明の目的 本発明はゲート絶縁膜としてプラズマエツチン
グとか、リアクテイブイオンエツチング等のプロ
セスを経てもSiO2の如く劣化せず、絶縁性も十
分に保持され化学的に安定で構造緻密な薄い
Si3N4膜を使用し、しかもゲート電極の周辺での
膜厚を大として大きな電圧にも耐えうるようにな
し、かつ電極窓の窓明けのエツチングでもSi基板
表面を平滑に保ちうるようにすることを目的とす
る。
(e) 発明の構成 かかる目的は本発明によつて、シリコン基板1
1に所定パターンの素子間分離用二酸化シリコン
膜14を形成後、素子間分離用二酸化シリコン膜
14で画定されたシリコン基板11上に直接窒化
反応により窒化シリコン膜15を形成する工程
と、シリコン基板11上の窒化シリコン膜15の
表面にポリシリコン膜を形成後、ポリシリコン膜
をパターニングして窒化シリコン膜15の表面に
ゲート電極16を形成し、かかるシリコン基板1
1を酸素プラズマ中に曝してゲート電極以外の窒
化シリコン膜15を酸化する工程と、ゲート電極
16をマスクとして酸化膜に変換された膜を通し
てシリコン基板11に不純物を導入してソース1
9及びドレイン20領域を形成する工程とを含む
ことを特徴とする半導体装置の製造方法によつて
達成される。
また本発明によれば、上記においてゲート電極
16を形成した後、このゲート電極をマスクとし
窒化シリコン膜を通してシリコン基板に不純物を
導入してソース19及びドレイン20領域を形成
し、続いてかかるシリコン基板を酸素プラズマ中
に曝してソース、ドレイン領域上の窒化シリコン
膜を酸化するようにしてもよい。
(f) 発明の実施例 本発明はSi3N4が酸素プラズマ雰囲気中で、Si
基板と同程度の速度で酸化されるという知見にも
とずいている。
以下図面を用いて本発明の一実施例につき詳細
に説明する。
第5図までは従来通りであり、第6図より第1
0図までが本発明の半導体装置の製造方法の工程
の手順を示す断面図で、第11図は本発明の半導
体装置の製造方法に用いる装置の概略図である。
まず従来通り第5図に示すようにP型のSi基板
11上に所定パターンのSiO2膜12及びSi3N4膜
13の二層構造のパターニングされた保護膜を形
成する。
次に二層構造の保護膜をマスクとして基板を熱
酸化して素子間分離用のSiO2膜14を厚さ1μm
に形成する。その後二層構造のSiO2膜12及び
Si3N4膜13をエツチングして除去してから、基
板を第11図に示す石英の反応管101中の炭化
珪素(SiC)をコーテイングしたカーボン台10
2上に設置し、反応管内を約100Torrの真空
度に排気してから、基板の周囲の高周波誘導加熱
コイル103に200KHzの周波数で出力7KWの高
周波電力を印加して基板を約1100℃の温度に加熱
し、ガス導入管104よりアンモニア(NH3)
ガスを導入して管内にNH3ガスの分解した窒素
ガスプラズマを形成する。そしてこの窒素ガスプ
ラズマとSi基板との反応で素子間分離領域の
SiO2膜14で画定された領域内に、第6図に示
すように膜厚100ÅのSi3N4膜15を形成する。
このとき素子間分離用SiO2膜14の一部もSi3N4
膜にて覆われるようになる。
その後基板上にモノシラン(SiN4)ガスの熱
分解によつてポリSi膜を約4000Åの厚さに形成し
て、これをホトリソグラフイ法及びプラズマエツ
チング法により所定のパターンのゲート電極とす
る。第6図の16はこのようにして形成したゲー
ト電極である。
この状態において、基板を再び前述した第11
図の反応管101の中の炭化珪素よりなる支持台
102上に設置してから、反応管内を100Torrの
真空度になるまで排気したのち、ガス導入管10
4より酸素ガスを導入し、反応管内を高周波誘導
加熱コイル103を用いて該コイルに周波数
200KHz出力7KWの高周波電力を印加し加熱し、
酸素ガスプラズマを発生させ、かかる酸素プラズ
マ中で約800℃に加熱する。
かかる工程において、第7図に示すように素子
間分離用SiO2膜14で画定された領域のSi3N4膜
15が酸化され、ソース、ドレイン領域上の
Si3N4膜が全部SiO2膜17に変換されたら酸化を
停止する。またゲート電極16の表面にもわずか
にSiO2膜18が形成される。
ここで上記Si3N4膜のSiO2膜への変換速度は約
50Å/分である。ここで2分間、酸素プラズマ処
理すると、Si3N4膜はSi基板と同程度の速度で酸
化されるので、SiO2膜に変換されると膜厚が略
2倍以上になる。
その後ソース形成予定領域及びドレイン形成予
定領域にゲート電極16をマスクとして砒素
(AS)原子を矢印のようにイオン注入してソース
領域19及びドレイン領域20を形成する。
その後第8図に示すように表面保護用として
PSG膜21を形成した後、PSG膜21と下部の
Si3N4膜が酸化されたSiO2膜17をプラズマエツ
チング法により選択的にエツチングして、第9図
のようにソース領域との接続用孔22及びドレイ
ン領域との接続用孔23を窓開きする。
このようにすればSi基板上の素子形成領域上の
Si3N4膜は酸化されているので、容易にプラズマ
エツチング出来るのでエツチングに要する時間が
少なく、またエツチングされたSi基板の表面も平
滑になり、SiO2膜によつてPSG膜中の燐Pが工
程の途中でソース、ドレイン領域に拡散するのも
防止される。
また素子間分離用SiO2膜で画定された素子形
成領域はゲート電極の周囲を含め、その端部にお
いてSi3N4膜が厚さの大なるSiO2膜となつている
ので、その部分に電界が集中しても容易に素子が
劣化しない。
その後第10図に示すように、アルミニウム
(Al)よりなる金属膜を蒸着によつて形成した
後、所定のパターンにエツチングしてAlの配線
膜として素子間を結合する。第10図の24はこ
のようにして形成したAlの配線である。
また上記実施例では、Si3N4膜15を酸化した
後、ゲート電極をマスクとしてソース、ドレイン
領域を形成しているが、Si3N4膜を酸化する前
に、即ち第6図の状態でソース、ドレイン領域を
形成し、その後にSi3N4膜を酸化するようにして
もよい。
(g) 発明の効果 以上述べた如く本発明の半導体装置の製造方法
では、素子間分離用二酸化シリコン膜で画定され
たシリコン基板上には化学的に安定で、構造緻密
なSi3N4膜が直接窒化反応により形成されている
ので、ゲート電極形成の際のエツチング工程でも
このSi3N4膜は劣化することがなく、またこれら
のSi3N4膜はゲート電極形成後酸化されてSiO2と
なり、膜厚は倍となるのでゲート電極の周囲での
耐圧も大で、しかもソース、ドレイン電極形成の
際の窓明けでもSi基板表面は平滑に保たれる。
一方ゲート電極の下部のゲート絶縁膜は薄い構
造緻密なSi3N4膜となつているので、微細化の要
件を満足し、従つて半導体装置の特性が向上し、
高信頼度の半導体装置が得られることになる。
【図面の簡単な説明】
第1図より第3図まで及び第5図は従来の半導
体装置の製造方法の工程を示す断面図、第4図は
従来の半導体装置の不具合を示す図、第6図より
第10図までは本発明の半導体装置の製造方法の
工程を示す断面図、第11図は本発明の半導体装
置の製造方法に用いる装置の概略図である。 図において、1,11はSi基板、2,14は素
子間分離用SiO2膜、3はゲート酸化膜、4,1
6はポリシリコンゲート電極、5,19はソース
領域、6,20はドレイン領域、7,21は
PSG膜、8,9,22,23は接続用孔、12,
18はSiO2膜、13,15は窒化Si膜、17は
窒化Si膜を酸化したSiO2膜、10,24はAl配
線膜、101は反応管、102は基板設置台、1
03は高周波誘導コイル、104はガス導入管、
Aは端部を示す。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 シリコン基板11に所定パターンの素子間分
    離用二酸化シリコン膜14を形成後、素子間分離
    用二酸化シリコン膜14で画定されたシリコン基
    板11上に直接窒化反応により窒化シリコン膜1
    5を形成する工程と、シリコン基板11上の窒化
    シリコン膜15の表面にポリシリコン膜を形成
    後、ポリシリコン膜をパターニングして窒化シリ
    コン膜15の表面にゲート電極16を形成し、か
    かるシリコン基板11を酸素プラズマ中に曝して
    ゲート電極以外の窒化シリコン膜15を酸化する
    工程と、ゲート電極16をマスクとし酸化膜に変
    換された膜を通してシリコン基板11に不純物を
    導入してソース19及びドレイン20領域を形成
    する工程とを含むことを特徴とする半導体装置の
    製造方法。 2 シリコン基板11に所定パターンの素子間分
    離用二酸化シリコン膜14を形成後、素子間分離
    用二酸化シリコン膜14で画定されたシリコン基
    板11上に直接窒化反応により窒化シリコン膜1
    5を形成する工程と、シリコン基板11上の窒化
    シリコン膜15の表面にポリシリコン膜を形成
    後、ポリシリコン膜をパターニングして窒化シリ
    コン膜15の表面にゲート電極16を形成し、ゲ
    ート電極16をマスクとし窒化シリコン膜を通し
    てシリコン基板11に不純物を導入してソース1
    9及びドレイン20領域を形成した後、シリコン
    基板11を酸素プラズマ中に曝してソース・ドレ
    イン領域上の窒化シリコン膜15を酸化する工程
    とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方
    法。
JP57052770A 1982-03-30 1982-03-30 半導体装置の製造方法 Granted JPS58169976A (ja)

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