JPH06302814A - Ic製造のためのオキシナイトライド誘電体プロセス - Google Patents

Ic製造のためのオキシナイトライド誘電体プロセス

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JPH06302814A
JPH06302814A JP6052372A JP5237294A JPH06302814A JP H06302814 A JPH06302814 A JP H06302814A JP 6052372 A JP6052372 A JP 6052372A JP 5237294 A JP5237294 A JP 5237294A JP H06302814 A JPH06302814 A JP H06302814A
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silicon
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oxynitride
gate electrode
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Young O Kim
オック キム ヤング
Lalita Manchanda
マンチャンダ ラリタ
Gary R Weber
ロバート ウィーバー ガリー
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明はMOS集積回路の作成方法を提供す
る。 【構成】 MOSデバイス用ゲート誘電体の作製方法
は、最初にシリコン・オキシナイトライド層を形成する
工程、次にオキシナイトライド層の下に二酸化シリコン
層を形成する工程を含む。オキシナイトライド層は、シ
リコン基板の酸化領域への酸素の拡散を制御する薄膜の
役割をする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はMOS集積回路の作製方
法に係る。より具体的には、本発明はシリコンのオキシ
ナイトライドを含むゲート誘電体層の形成方法に係る。
【0002】
【技術的背景】要素デバイスが0.25μm又はそれよ
り更に小さいゲート寸法を有するMOS集積回路は関心
がもたれている。そのように小さな寸法を有するデバイ
スでは、ゲート寸法が1μm又はそれ以上である時は重
大な関心をもたないある種の問題が生じる。たとえば、
これらの小さなデバイスに適用されるスケーリング則
は、典型的な場合、二酸化シリコンの30Å−70Åと
等価な、非常に薄いゲート酸化物層を要求する。熱的に
成長させた二酸化シリコンから成る従来のゲート酸化物
層は、それらがこの薄さに作られた時、いくつかの点で
不適切である。
【0003】たとえば、そのように薄い酸化物層は、高
密度のピンホールを生じる傾向がある。その結果、p+
−ドープポリシリコンゲート電極からのホウ素は、容易
に薄い酸化物層を通りぬけ、その後の高温プロセス中、
下のチャネルを汚染する可能性がある。
【0004】これらの薄い二酸化シリコン層の作製に
も、困難が生じる。すなわち、これらの層は従来、90
0℃より高温、典型的な場合1000℃又はそれ以上で
成長させる。これらの層の厚さを制御できる度合は、成
長速度に依存する。一般に、これらの温度における酸化
は、非常に速いため、得られる層が一様な厚さを確実に
持つようにすることは、困難である。もちろん、酸化速
度は、温度をたとえば900℃又はそれ以下まで下るこ
とにより、低下させることはできる。しかし、得られる
薄膜は大きな圧縮応力をもつ傾向があり、それは半導体
界面に電荷を蓄積させ、漏れ電流を増大させる。
【0005】シリコン・オキシナイトライド薄膜は二酸
化シリコン薄膜より、ホウ素原子の拡散を許容しないこ
とが知られている。事実、シリコン・オキシナイトライ
ド薄膜はゲート誘電体として、用いられてきた。しか
し、得られるデバイスチャネル中の低キャリヤ移動度で
明らかなように、これらの薄膜と下の半導体との間の界
面は、一般に質が劣る。更に、これらの薄膜は、一般に
比較的高反応温度で作らなければならず、上述のよう
に、膜厚の制御が悪くなる。
【0006】これらの問題の少くともいくつかを解くた
めに、何人かの研究者は、シリコン・オキシナイトライ
ドと同様、二酸化シリコンの層を含む合成誘電体薄膜を
使用することを、提案してきた。これらの合成薄膜は、
二酸化シリコンの薄い層を熱的に成長させ、次に化学気
相堆積(CVD)により、シリコン・オキシナイトライ
ド又はシリコン窒化物の層を形成することによって作製
された。しかし、これらの方式は二酸化シリコン薄膜の
厚さを制御する上での問題を、解決しない。更に、それ
らは半導体−誘電体界面に、比較的高い固定電荷を生
じ、それらは低品質の界面を生じる可能性がある。
【0007】1986年11月4日、ティー・イトー
(T.Ito)らに承認された米国特許第4,621,
277号は、三段階で作られるシリコン窒化物又はオキ
シナイトライドゲート誘電体について、述べている。第
1に、シリコン表面は直接熱窒化を行う。次に、得られ
た窒化物薄膜は、少くとも部分的に酸化される。この酸
化工程中、更に薄膜の成長が起る。最後の段階で、酸化
された薄膜は直接熱窒化される。この工程中、窒素原子
が酸化薄膜中に浸透することにより、シリコン表面の窒
化が更に進む。
【0008】イトーのプロセスは、報告のとうり、高品
質の誘電体を生じるが、それは窒化物又はオキシナイト
ライド領域を生じ、半導体界面には二酸化シリコン領域
を生じない。更に、この方法により、半導体−誘電体界
面の移動度が、減少する可能性がある。
【0009】従って、これまで高品質及び膜厚の厳しい
制限を維持したまま、二酸化シリコンの望ましい界面特
性とシリコン・オキシナイトライドの利点を組み合せる
ことには、成功していない。
【0010】
【本発明の要約】二酸化シリコンを含む層が下にあるシ
リコン・オキシナイトライドの層を含むゲート誘電体層
の形成方法を、開発した。これらの二重層は良好な完全
性をもち、下の基板とともに、良質な界面を形成する。
オキシナイトライド成分層は酸化物成長の領域への酸素
の拡散を妨げるから、成分の二酸化シリコン層は、比較
的高温においてすら、比較的ゆっくり成長できる。その
結果、均一な厚さを有するこの層を、成長させることが
可能である。オキシナイトライド層はまた、たとえば上
のポリシリコンゲート電極からのホウ素の拡散も防止す
る効果がある。
【0011】従って、本発明は広義には、シリコン基板
上に少くとも1個のMOSデバイスを作製する方法であ
る。この方法は、基板の表面に隣接したゲート誘電体層
を形成する工程及び誘電体層上にゲート電極層を堆積さ
せる工程を含む。従来技術の方法とは異なり、誘電体層
は最初にシリコン・オキシナイトライドの層を形成し、
次に、二酸化シリコンを含む層が下のオキシナイトライ
ド層に隣接し、下になるように、基板の表面層を酸化す
ることにより形成される二重層である。
【0012】
【詳細な説明】図1を参照しながら、たとえばCMOS
集積回路作製のプロセスの例を、述べる。第1に、主表
面に隣接したn形壁20のパターンを有するp形〔10
0〕シリコンウエハ10が、用意される。(これらの特
性は例を示すもので、制限するものではない。たとえ
ば、本発明はn形ウエハ及び〔111〕ウエハで、容易
に実施できる。)フィールド酸化物層30は従来どうり
表面上に堆積させ、トランジスタを形成すべき所に、1
ないし複数の窓40を規定するためのパターンが形成さ
れる。各窓の中に、以下で詳細に述べる方法に従って、
二重ゲート誘電体50が形成される。次に、ポリシリコ
ン層60を従来どうり堆積させ、ゲート接触を形成し、
同時にソース及びドレイン領域65を形成するために、
パターン形成する。次に、ゲート接触及びソース、ドレ
イン領域が、従来の方法により、ドープされる。そのよ
うな方法の1つに従い、酸化物側壁がゲート領域に隣接
して形成され、シリサイド層がソース、ドレイン及びポ
リシリコン・ゲート表面に形成され、シリサイド層は
(たとえばホウ素又はリンの)イオン注入によりドープ
され、ソース及びドレイン領域65は適切なシリサイド
層からの、ドーパントの熱拡散により、活性化される。
【0013】本発明の方法は約0.1−0.25μmの
範囲のゲート寸法を有するトランジスタ(又はMOS容
量のような他のMOSデバイス)を作製するのに、特に
有用である。この種のデバイスの場合、シリコン・オキ
シナイトライド層70の厚さは、約30Å−70Åの範
囲が望ましく(用途によっては、100Å又はそれ以上
の厚さも許容しうる)、二酸化シリコンゲート層80の
厚さは、約5Å−15Åの範囲が望ましい(用途によっ
ては、約30Åもの厚さも許容しうる)。
【0014】シリコン・オキシナイトライドの組成は、
形成される条件に依存して、変化しうることが、よく知
られている。本発明の方法により作製されるMOSデバ
イスの場合、オキシナイトライド層の形成直後の窒素の
原子濃度〔N〕と酸素の原子濃度〔O〕が、N/Oで表
わされる比が、少くとも約0.1で約0.4を越えない
ことが望ましい。約0.2の比が現在好ましい。なぜな
ら、それによって、酸素の拡散が最もよく制御されるか
らである。シリコン・オキシナイトライド層は、適当な
気体の化学形をとった窒素及び酸素と、少くとも1種類
のシリコンの気体化合物を含んだ雰囲気から、化学気相
堆積により、容易に成長される。そのような雰囲気の例
には、アンモニア、亜酸化窒素及び気体シリコン化合物
が含まれる。
【0015】別のプロセスにおいて、オキシナイトライ
ド層はシリコン基板の表面層を、適当な雰囲気と、“そ
の場”で反応させることによって、形成される。そのよ
うな雰囲気の例には、亜酸化窒素又は酸化窒素が含まれ
る。
【0016】この点に関して、N/Oは酸化工程中、一
般に減少し、それによって二酸化シリコン層が形成され
やすいことを、認識すべきである。典型的な場合、N/
Oは約10%ないし約4−5%変化する。
【0017】現在好ましいプロセスに従うと、オキシナ
イトライド層はジクロロシラン(SiH2Cl2)、アンモニア
及び亜酸化窒素(N2O)を含む雰囲気から、CVDにより
堆積させる。適切なCVD技術については、1971年
1月26日にエム・ジェイ・ランド(M.J.Ran
d)に承認された米国特許第3,558,348号及び
1973年10月16日にエム・ジェイ・ランド(M.
J.Rand)に承認された米国特許第3,765,9
35号に、一般的に述べられている。この技術に従う
と、反応気体は適当なキャリヤガス中で希釈され、CV
D反応容器を通して流す。薄膜の組成は、反応温度及び
反応容器中の各反応気体の相対濃度を制御することによ
って、制御される。具体的には、N/Oの値はアンモニ
アと亜酸化窒素濃度の比によって、決る。
【0018】たとえば、シリコン・オキシナイトライド
薄膜を、標準的なホットウォール水平LPCVD反応容
器中で、毎分約1Åの速度で、堆積させた。堆積は、8
00℃の温度、約13Paの圧力で行った。反応ガスの流
量は、アンモニア3SCCM,ジクロロシラン36SC
CM及び亜酸化窒素65SCCMであった。
【0019】オキシナイトライド層が形成された後、二
酸化シリコン層を成長させる。これは基板を、十分高温
で、酸化雰囲気に露出することにより行う。酸化雰囲気
の例としては、酸素又は亜酸化窒素(N2O) が含まれる。
得られる酸化物層中の圧縮応力を避けるために、少くと
も約900℃の温度が望ましく、少くとも約950℃の
温度が、現在は望ましい。
【0020】二酸化シリコン層は、急速熱酸化及び炉酸
化を含むいくつかの異なる方法により、成長できる。こ
の工程はオキシナイトライド形成に用いたのと同じ反応
容器中又は異なる反応容器中で行える。基板の取り扱い
を最小にするため、少くともいくつかの場合には、同じ
反応容器を用いることが有利である可能性がある。例と
して、純粋な酸化雰囲気中の急速熱酸化により、オキシ
ナイトライド層を形成した。
【0021】オキシナイトライド層は、露出されたある
いはオキシナイトライド層と同程度の二酸化シリコン層
で被覆されたシリコン基板に対し、本質的に酸化速度を
減少させる。このことは、図2に示されており、それは
50Åのシリコン・オキシナイトライド上部層(N/O
=0.2)及び52Åの二酸化シリコン上部層を通した
950℃における酸化の2つの場合について、酸化膜厚
と酸化時間の関係を示す。
【0022】
【実施例1】アルミニウム又はn+ ドープポリシリコン
ゲートを有するMOSキャパシタを作製した。比較のた
め、単一のシリコン・オキシナイトライド誘電体層及び
上述のような同程度の厚さの二重層誘電体を有する他の
容量を作製した。両方の場合に、オキシナイトライド層
はN/Oを0.2にして、950℃で成長させた。高分
解透過電子顕微により、界面の質は二重層誘電体の場合
より、優れていることが示された。単一層容量の場合の
固定電荷密度は3×1011cm-2で、二重層容量の場合、
5×1010cm-2ないし8×1010cm-2の範囲であった。
このことは、単一層はシリコンとの界面で引張り応力を
有し、一方二重層は界面において、圧縮応力を有するこ
とを示唆している。単一の60Å二酸化シリコン誘電体
層を有するMOS容量は、1.5×1011cm-2の固定電
荷密度を有し、圧縮応力であることを示唆している。
【0023】図3は4×10-4cm-2の表面積を有する4
6Åの単一層誘電体と63Åの二重層誘電体の漏れ電流
特性を示す。漏れ電流は、各印加電圧において、二重層
の方が小さいことは、明らかである。具体的には、3M
V/cmの印加電界において、単一層の場合の漏れ電流は
2×10-8Acm-2であるが、二重層の場合は、5×10
-10 Acm-2のみである。従って、この印加電界におい
て、1nA/cm2 以下の漏れ電流が、二重層を用いると
容易に得られることが、明らかである。同じ印加電界に
おいて、二酸化シリコンの単一60Å誘電体層は、5×
10-10 Acm-2の漏れ電流を示し、二重層とおおよそ同
じであった。
【0024】
【実施例2】p+ ドープポリシリコンゲートを有するP
MOSトランジスタを作製した。一つのグループのトラ
ンジスタは、上述のように、63Åの二重層ゲート誘電
体を有した。他方のグループは、60Åの二酸化シリコ
ン誘電体を有した。ポリシリコンゲート中のホウ素がゲ
ート誘電体層を通して拡散し、閾値電圧が増すか否かを
決るため、二重層トランジスタに熱サイクルを加えた。
1つのグループのトランジスタは800℃に60分保っ
た。第2のグループは800℃に60分間、次に850
℃に60分間保った。2つのグループの間に、閾値電圧
の違いは、観測されなかった。このことは、ゲート誘電
体層を貫き、基板中へのホウ素の明らかな浸透はないこ
とを、暗示している。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例に従って作製されるCMOS
集積回路の2個のトランジスタの概略断面図である。
【図2】2つの場合について、酸化時間に対して、酸化
物の厚さを示したグラフで、1つの場合は本発明に従う
シリコン・オキシナイトライドの上部層を通した酸化
で、他方は二酸化シリコンの比較的厚い上部層を通した
酸化である図である。
【図3】2つの場合について、電圧に対して、ゲート誘
電体中の漏れ電流を示したグラフで、1つは本発明に従
う二重層誘電体で、他方は同程度の厚さの単一層オキシ
ナイトライド誘電体である図である。
【符号の説明】
10 シリコンウエハ 20 壁 30 フィールド酸化物層 40 窓 50 二重ゲート誘電体 60 ポリシリコン層 65 ソース及びドレイン領域 70 シリコン・オキシナイトライド層 80 二酸化シリコンゲート層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヤング オック キム アメリカ合衆国 07746 ニュージャーシ ィ,マールボロー,タンジェリン ドライ ヴ 102 (72)発明者 ラリタ マンチャンダ アメリカ合衆国 07747 ニュージャーシ ィ,アバーデーン,ウィンダム プレイ ス,エデンバーグ コート 176 (72)発明者 ガリー ロバート ウィーバー アメリカ合衆国 08889 ニュージャーシ ィ,ホワイトハウス ステーション,スプ リングタウン ロード 26

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 a)主表面に隣接して、誘電体層を形成
    する工程; b)誘電体層上にゲート電極層を堆積させる工程を含む
    主表面を有するシリコン基板上への少くとも1個のMO
    Sデバイスの作製方法において、 c)シリコン・オキシナイトライド層の形成及び d)(c)の後、酸素を含む化学種が、オキシナイトラ
    イド層を貫いて、基板の表面まで移動し、そこで反応
    し、シリコン・オキシナイトライド層に隣接して、その
    下に層を生じ、前記下部層は二酸化シリコンを含む方
    法。
  2. 【請求項2】 (c)はシリコンの気体化合物及び窒素
    及び酸素の少くとも1つの気体化合物を含む雰囲気か
    ら、化学気相堆積により行う請求項1記載の方法。
  3. 【請求項3】 雰囲気はアンモニア(NH3 )、亜酸化
    窒素(N2 O)及びジクロロシラン(SiH2 Cl2
    を含む請求項2記載の方法。
  4. 【請求項4】 (c)は亜酸化窒素(N2 O)又は酸化
    窒素(NO)を含む雰囲気中で、基板の表面層を反応さ
    せることにより行う請求項1記載の方法。
  5. 【請求項5】 (d)は少くとも約900℃の温度にお
    いて行われる請求項1記載の方法。
  6. 【請求項6】 得られる二酸化シリコン含有量が、少く
    とも約5Åの厚さをもつが、約30Åを越えないよう
    に、(d)は行われる請求項1記載の方法。
  7. 【請求項7】 (c)は少くとも約30Åの厚さを有す
    るが、約70Åの厚さを越えないオキシナイトライド層
    を形成することを含む請求項1記載の方法。
  8. 【請求項8】 (c)は得られるオキシナイトライド層
    の酸素原子濃度に対する窒素原子濃度の平均比率が、少
    くとも約10%で、約40%を越えないように、行われ
    る請求項1記載の方法。
  9. 【請求項9】 平均比率は約20%である請求項8記載
    の方法。
  10. 【請求項10】 (c)及び(d)は得られる誘電体層
    が、3MV/cmの印加電界において、1nA/cm2 より
    小さい漏れ電流を有するように行われる請求項1記載の
    方法。
  11. 【請求項11】 e)主表面のソース及びドレイン部分
    が規定されるように、少くともゲート電極層をパターン
    形成し、ソース及びドレイン領域はゲート電極層に隣接
    するが、ゲート電極層は上に重ならない工程; f)ゲート電極層中及び主表面のソース及びドレイン部
    分に隣接した基板の浅い部分中へ、ホウ素を含むドーパ
    ントを注入する工程;及び g)浅い部分中のホウ素原子の本質的な部分が、基板中
    により深く入るように、基板を加熱する工程を更に含む
    請求項1記載の方法において、 h)工程(c)及び(d)は(g)の間、著しい量のホ
    ウ素がゲート電極層から、誘電体層を貫いて、基板中に
    拡散しないように行われることを特徴とする方法。
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