JPH1092957A - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents

Method for manufacturing semiconductor device

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JPH1092957A
JPH1092957A JP8247417A JP24741796A JPH1092957A JP H1092957 A JPH1092957 A JP H1092957A JP 8247417 A JP8247417 A JP 8247417A JP 24741796 A JP24741796 A JP 24741796A JP H1092957 A JPH1092957 A JP H1092957A
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JP
Japan
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layer
oxygen
insulating film
oxide film
gate
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JP8247417A
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Japanese (ja)
Inventor
Yasumasa Minazu
康正 水津
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 同一基板上に厚さの異なるゲート絶縁膜を有
する少なくとも2種類以上のMOS型素子を含む半導体
装置の形成にあたって、ゲート絶縁膜の形成を有機物等
による汚染の影響を受けることなく行い、素子間バラツ
キ等のない優れた特性の半導体装置を製造すること。 【解決手段】 半導体基板1の少なくとも2つ以上の領
域に、酸素原子をイオン注入法によって互いに異なる条
件で選択的に導入して、それぞれの領域に酸素導入層1
a、1bを形成する工程と、酸素導入層1a、1bを酸
化膜3a、3bに変換する工程と、酸素導入層1a、1
bから変換した酸化膜3a、3bをゲート絶縁膜とし
て、ゲート絶縁膜の膜厚が異なる少なくとも2種類以上
のMOS型電界効果トランジスタを形成する工程とを有
することを特徴とする。
(57) Abstract: In forming a semiconductor device including at least two or more types of MOS devices having gate insulating films having different thicknesses on the same substrate, the formation of the gate insulating film is affected by contamination by an organic substance or the like. To manufacture a semiconductor device having excellent characteristics without variations between elements. SOLUTION: Oxygen atoms are selectively introduced into at least two or more regions of a semiconductor substrate 1 under different conditions by an ion implantation method, and an oxygen introduction layer 1 is introduced into each region.
a, forming oxygen introducing layers 1a, 1b into oxide films 3a, 3b;
forming at least two or more types of MOS field effect transistors having different thicknesses of the gate insulating films by using the oxide films 3a and 3b converted from b as gate insulating films.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置の製造方
法に係わり、特に電気的にデータ消去可能な不揮発性メ
モリ素子等をはじめとするMOS型半導体素子の製造方
法に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly to a method for manufacturing a MOS type semiconductor element such as an electrically erasable nonvolatile memory element.

【0002】[0002]

【従来の技術】現在、最も一般的に用いられる不揮発性
メモリのメモリ・セルは図7の構造を有している。これ
は、制御電極105に加える電圧によって絶縁膜で囲ま
れた浮遊電極103に蓄積される電荷量を制御するもの
である。図7に示すように、このメモリ・セルは、浮遊
電極の上下に二層のゲート絶縁膜102、104を有す
ることが大きな特徴になっている。
2. Description of the Related Art At present, a memory cell of a most commonly used nonvolatile memory has a structure shown in FIG. This is to control the amount of charge stored in the floating electrode 103 surrounded by the insulating film by the voltage applied to the control electrode 105. As shown in FIG. 7, this memory cell is characterized by having two layers of gate insulating films 102 and 104 above and below a floating electrode.

【0003】この種の構造のメモリ・セルを有する不揮
発性メモリ素子を製造する上での大きな問題点として、
上記二層のゲート絶縁膜を有するメモリ・セル部分と通
常の一層のゲート絶縁膜を有する周辺回路部分とを同一
基板上に形成しなければならないことが挙げられる。特
に、メモリ・セル領域と周辺回路領域とでは回路素子と
しての動作が違い、絶縁膜の機能も全く異なることか
ら、互いの絶縁膜の厚さも異なる必要が生ずる。
A major problem in manufacturing a nonvolatile memory device having a memory cell of this type is as follows.
The memory cell portion having the two-layered gate insulating film and the peripheral circuit portion having the ordinary one-layered gate insulating film must be formed on the same substrate. In particular, since the operation as a circuit element differs between the memory cell region and the peripheral circuit region, and the function of the insulating film is completely different, the thickness of the insulating film also needs to be different.

【0004】即ち、メモリ・セル領域では、データ書き
替えのためにトンネル絶縁膜と呼ばれる薄い絶縁膜が必
要なのに対して、周辺回路領域では同じデータ書き替え
に当たって高い電圧を制御する必要からゲート絶縁膜は
比較的厚いことが求められる。そのような異なる厚さの
絶縁膜を同一基板上に形成するために、通常は例えば以
下のような方法が用いられる。
That is, in the memory cell region, a thin insulating film called a tunnel insulating film is required for data rewriting, whereas in the peripheral circuit region, a high voltage is required to control the same data rewriting. Is required to be relatively thick. In order to form such insulating films having different thicknesses on the same substrate, for example, the following method is usually used.

【0005】まず、図8(a)に示すように半導体基板
101を酸化して第1の絶縁膜102を形成し、引き続
き第1の半導体薄膜103を形成する。この半導体薄膜
103には、必要に応じて電気的に活性な不純物を添加
するものとする。
First, as shown in FIG. 8A, a semiconductor substrate 101 is oxidized to form a first insulating film 102, and then a first semiconductor thin film 103 is formed. An electrically active impurity is added to the semiconductor thin film 103 as necessary.

【0006】次に,図8(b)に示すように半導体薄膜
101上に第2の絶縁膜104を形成し、更に引き続き
第2の半導体薄膜105を形成する。必要に応じて電気
的に活性な不純物の添加を行うことは第1の半導体薄膜
103の場合と同様である。さらに図8(c)に示すよ
うに、第2の半導体薄膜105、第2の絶縁膜104、
第1の半導体薄膜103、及び第1の絶縁膜102から
なる積層膜を順次選択的に除去することにより、浮遊電
極(第1の半導体薄膜103)及び制御電極(第2の半
導体薄膜105)を形成する。さらに、この積層膜をマ
スクとして電気的に活性な不純物を半導体基板101に
導入することによりソース・ドレイン領域106を形成
して、メモリ・セル部分に二層ゲート絶縁膜構造のMO
SFETを形成する。
Next, as shown in FIG. 8B, a second insulating film 104 is formed on the semiconductor thin film 101, and further a second semiconductor thin film 105 is formed. The addition of electrically active impurities as necessary is the same as in the case of the first semiconductor thin film 103. Further, as shown in FIG. 8C, a second semiconductor thin film 105, a second insulating film 104,
By sequentially and selectively removing the stacked film including the first semiconductor thin film 103 and the first insulating film 102, the floating electrode (the first semiconductor thin film 103) and the control electrode (the second semiconductor thin film 105) are removed. Form. Further, using the laminated film as a mask, an electrically active impurity is introduced into the semiconductor substrate 101 to form a source / drain region 106, and an MO with a two-layer gate insulating film structure is formed in the memory cell portion.
Form an SFET.

【0007】このとき、セル特性を向上させる目的で、
特開平3−173120に開示される方法などを用いて
第1の半導体薄膜103を単結晶膜にすることも可能で
ある。第1の半導体薄膜103は以後の工程によってゲ
ート電極(浮遊電極)となる膜であり、これを単結晶と
することによって、同じ膜を多結晶とした場合に生じる
問題点、即ち、結晶粒界からのリン等の不純物の混入に
よるゲート絶縁膜の劣化や結晶粒の存在による加工時の
形状バラツキなど、最終的な素子特性の劣化の原因のい
くつかを除き得ることがわかっている。
At this time, in order to improve the cell characteristics,
The first semiconductor thin film 103 can be made into a single crystal film by using a method disclosed in JP-A-3-173120. The first semiconductor thin film 103 is a film that will become a gate electrode (floating electrode) in a subsequent step, and by using this as a single crystal, a problem that occurs when the same film is polycrystalline, that is, a crystal grain boundary It has been found that some of the causes of the final deterioration of the device characteristics, such as the deterioration of the gate insulating film due to the mixing of impurities such as phosphorus from the substrate and the variation in the shape at the time of processing due to the presence of crystal grains, can be eliminated.

【0008】次に、図9(a)に示すように上記メモリ
・セル部分を耐酸化性薄膜107で覆った後,この耐酸
化性薄膜107を選択的に除去して、半導体基板101
の周辺回路を形成する領域を露出した後、同領域を酸化
して第3の絶縁膜108を形成し、更に第3の絶縁膜1
08上に第3の半導体薄膜109を形成する。前述した
工程と同様に必要に応じて電気的に活性な不純物の添加
を行うものとする。
Next, as shown in FIG. 9A, after covering the memory cell portion with an oxidation-resistant thin film 107, the oxidation-resistant thin film 107 is selectively removed and the semiconductor substrate 101 is removed.
After exposing a region where a peripheral circuit is formed, the region is oxidized to form a third insulating film 108, and a third insulating film 1 is formed.
08, a third semiconductor thin film 109 is formed. As in the above-described steps, electrically active impurities are added as necessary.

【0009】次に、図9(b)に示すように第3の半導
体薄膜109及び第3の絶縁膜108からなる積層膜を
選択的に除去することにより、ゲート電極(第3の半導
体薄膜109)を形成する。さらに、このゲート電極
(第3の半導体薄膜109)をマスクとして電気的に活
性な不純物を半導体基板101に導入することにより、
ソース・ドレイン領域110を形成して、周辺回路部分
にMOSFETを形成する。
Next, as shown in FIG. 9B, the laminated film composed of the third semiconductor thin film 109 and the third insulating film 108 is selectively removed to form the gate electrode (the third semiconductor thin film 109). ) Is formed. Further, an electrically active impurity is introduced into the semiconductor substrate 101 using the gate electrode (third semiconductor thin film 109) as a mask,
A source / drain region 110 is formed, and a MOSFET is formed in a peripheral circuit portion.

【0010】その後、図9(c)に示すように上記構造
上に第4の絶縁膜111を堆積した後、これを選択的に
除去し、接続孔を制御電極(第2の半導体薄膜105)
及びゲート電極(第3の半導体薄膜109)上に形成す
る。さらに、金属膜112を全面に形成した後、これを
選択的に除去して図7に示すような所要の電気回路を形
成する。
After that, as shown in FIG. 9C, a fourth insulating film 111 is deposited on the above structure, and is selectively removed to form a connection hole for a control electrode (second semiconductor thin film 105).
And a gate electrode (third semiconductor thin film 109). Further, after forming the metal film 112 on the entire surface, the metal film 112 is selectively removed to form a required electric circuit as shown in FIG.

【0011】以上によって、絶縁膜厚並びに層構造の異
なるMOSFETが同一基板上のそれぞれメモリ・セル
部分上及び周辺回路部分上に形成される。なお、以上で
はメモリ・セル部分を先に形成した後に周辺回路部分の
形成を行った場合を述べたが、逆に周辺回路部分を先に
形成することも可能なことは明らかである。さらに、上
記した第3の絶縁膜108を第1の絶縁膜102又は第
2の絶縁膜104と、或いは第3の半導体薄膜109を
第1の半導体薄膜103又は第2の半導体薄膜105と
それぞれ兼ねるようにすることも可能である。
As described above, MOSFETs having different insulating film thicknesses and layer structures are formed on the memory cell portion and the peripheral circuit portion on the same substrate. In the above description, the case where the peripheral circuit portion is formed after the memory cell portion is formed first has been described. However, it is apparent that the peripheral circuit portion can be formed first. Further, the third insulating film 108 serves as the first insulating film 102 or the second insulating film 104, and the third semiconductor thin film 109 serves as the first semiconductor thin film 103 or the second semiconductor thin film 105, respectively. It is also possible to do so.

【0012】しかしながら、以上述べたいずれの方法に
おいても、以下に述べる問題点がある。即ち、メモリ・
セル部分と周辺回路部分のいずれを先に形成した場合で
も、2番目の基板酸化の前には必ず最初の基板酸化等に
よって形成した膜構造を選択的に除去する工程が必要と
なる。この工程は、通常、有機物からなるフォト・レジ
ストを用いて行われる。このフォト・レジストは2番目
の基板酸化時には除去されているものの、その酸化の直
前の段階では、必ず基板上にフォト・レジストが存在す
る状態で基板の他の部分がゲート酸化前の状態で露出す
るので、同基板が露出した状態でフォト・レジストの除
去工程を行うことになってしまう。ゲート絶縁膜の形成
工程が種々の汚染に極めて敏感なことは周知であり、一
方、フォト・レジストを用いた工程、並びにフォト・レ
ジストの除去工程がそれらの汚染の比較的多い工程であ
ることも良く知られているから、この状況は甚だ好まし
くない。即ち、2番目の基板酸化によって形成されるゲ
ート絶縁膜は、これらの汚染の影響を強く受けて絶縁耐
圧の劣化や特性バラツキを生じてしまうという問題点が
ある。
However, any of the above-described methods has the following problems. That is, the memory
Regardless of whether the cell portion or the peripheral circuit portion is formed first, a step of selectively removing the film structure formed by the first substrate oxidation or the like is required before the second substrate oxidation. This step is usually performed using a photoresist made of an organic material. Although this photoresist has been removed during the second oxidation of the substrate, immediately before the oxidation, the photoresist is always present on the substrate and other portions of the substrate are exposed before the gate oxidation. Therefore, the photoresist is removed while the substrate is exposed. It is well known that the process of forming a gate insulating film is extremely sensitive to various types of contamination, while the process of using a photoresist and the process of removing the photoresist are relatively contaminating processes. As is well known, this situation is highly undesirable. That is, there is a problem that the gate insulating film formed by the second oxidation of the substrate is strongly affected by the contamination and causes a deterioration of the withstand voltage and a variation in characteristics.

【0013】[0013]

【発明が解決しようとする課題】以上述べたように、半
導体基板上にメモリ・セル部分と周辺回路部分を形成す
る場合、いずれを先に形成した場合でも、2番目の基板
酸化の前には必ず最初の基板酸化等によって形成した膜
構造を選択的に除去する工程が必要であり、この際通
常、有機物からなるフォト・レジストを用いる。このフ
ォト・レジストは2番目の基板酸化の直前の段階では必
ず基板上に存在する一方、基板の他の部分はゲート酸化
前の状態で露出するので、同基板が露出した状態でフォ
ト・レジストの除去工程を行うことになってしまう。フ
ォト・レジストを用いた工程、並びにフォト・レジスト
の除去工程が汚染の多い工程であるため、2番目の基板
酸化によって形成されるゲート絶縁膜は、この汚染の影
響を強く受けて絶縁耐圧の劣化や特性バラツキを生じて
しまうという問題点がある。
As described above, when a memory cell portion and a peripheral circuit portion are formed on a semiconductor substrate, whichever is formed first, before the second substrate oxidation, A step of selectively removing the film structure formed by the first oxidation of the substrate or the like is always necessary. At this time, a photoresist made of an organic substance is usually used. This photoresist is always present on the substrate immediately before the second oxidation of the substrate, while the other parts of the substrate are exposed before the gate oxidation, so that the photoresist is exposed when the substrate is exposed. The removal step will be performed. Since the process using a photo resist and the process of removing the photo resist are processes with much contamination, the gate insulating film formed by the second oxidation of the substrate is strongly affected by the contamination and deteriorates in withstand voltage. And characteristic variations occur.

【0014】本発明は、上記実情に鑑みてなされたもの
であり、同一基板上に厚さが互いに異なるゲート絶縁膜
を有する2種類以上のMOS型半導体素子を有する半導
体装置を製造するにあたって、これらのMOS型半導体
素子を有機物等の汚染の影響を受けることなく形成し得
る半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-mentioned circumstances, and is intended for manufacturing a semiconductor device having two or more types of MOS semiconductor elements having gate insulating films having different thicknesses on the same substrate. It is an object of the present invention to provide a method of manufacturing a semiconductor device in which the MOS type semiconductor element can be formed without being affected by contamination of organic substances or the like.

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段】[Means for Solving the Problems]

(概要)上述した課題を解決するため、本発明は、半導
体基板の少なくとも2つ以上の領域に、酸素原子をイオ
ン注入法によって互いに異なる条件で選択的に導入し
て、それぞれの領域に酸素導入層を形成する工程と、前
記酸素導入層を酸化膜に変換する工程と、前記酸素導入
層から変換した前記酸化膜をゲート絶縁膜として、ゲー
ト絶縁膜の膜厚が異なる少なくとも2種類以上のMOS
型電界効果トランジスタを形成する工程とを有すること
を特徴とする半導体装置の製造方法を提供する。
(Summary) In order to solve the above-described problems, the present invention selectively introduces oxygen atoms into at least two or more regions of a semiconductor substrate by ion implantation under different conditions, and introduces oxygen into each region. Forming a layer, converting the oxygen-introducing layer to an oxide film, and using the oxide film converted from the oxygen-introducing layer as a gate insulating film, wherein at least two or more types of MOS transistors having different gate insulating film thicknesses are used.
Forming a type field effect transistor.

【0016】かかる本発明において以下の態様が好まし
い。 (1)前記酸素導入層上の前記半導体基板の部分をエピ
タキシャル成長させて、当該部分にエピタキシャル層を
形成する工程を有すること。
In the present invention, the following embodiments are preferable. (1) A step of epitaxially growing a portion of the semiconductor substrate on the oxygen introducing layer to form an epitaxial layer on the portion.

【0017】(2)前記酸素導入層を酸化膜に変換する
工程は、前記エピタキシャル層を形成する工程の全部又
は一部を兼ねていること。 (3)前記少なくとも2種類以上のMOS型電界効果ト
ランジスタのうち少なくとも1種類は二層ゲート型MO
S型電界効果トランジスタであり、この二層ゲート型M
OS型電界効果トランジスタから不揮発性メモリ装置を
形成すること。
(2) The step of converting the oxygen-introducing layer into an oxide film also serves as all or a part of the step of forming the epitaxial layer. (3) At least one of the at least two or more types of MOS field effect transistors is a two-layer gate type MO.
S-type field effect transistor, and this double-layer gate type M
Forming a non-volatile memory device from OS type field effect transistors.

【0018】(4)前記酸素導入層が形成される領域よ
りも浅い前記半導体基板の領域に酸素原子をイオン注入
法によって選択的に導入して、さらに酸素導入層を形成
する工程と、この酸素導入層を酸化膜に変換する工程
と、この酸化膜をゲート電極間絶縁膜として前記二層ゲ
ート型MOS型電界効果トランジスタを形成する工程を
有すること。
(4) a step of selectively introducing oxygen atoms by ion implantation into a region of the semiconductor substrate which is shallower than a region where the oxygen introduction layer is formed, and further forming an oxygen introduction layer; A step of converting the introduction layer into an oxide film; and a step of forming the double-layer gate MOS field effect transistor using the oxide film as an insulating film between gate electrodes.

【0019】(5)前記浅い酸素導入層上の前記半導体
基板の部分をエピタキシャル成長させて、当該部分にエ
ピタキシャル層を形成する工程を有すること。 (6)前記半導体基板の前記酸素原子が導入される領域
のうち少なくとも1つ以上の領域において、前記酸素導
入層の形成領域に対して窒素原子をイオン注入法によっ
て導入する工程を有し、前記酸素導入層を酸化膜に変換
する工程において窒素含有酸化膜を形成し、当該窒素含
有酸化膜をゲート絶縁膜としてMOS型電界効果トラン
ジスタを形成すること。
(5) A step of epitaxially growing a portion of the semiconductor substrate on the shallow oxygen introduction layer to form an epitaxial layer in the portion. (6) introducing at least one or more of the regions of the semiconductor substrate into which the oxygen atoms are introduced, by introducing nitrogen atoms into a region where the oxygen introduction layer is formed by an ion implantation method; Forming a nitrogen-containing oxide film in a step of converting the oxygen-introducing layer into an oxide film, and forming a MOS field-effect transistor using the nitrogen-containing oxide film as a gate insulating film;

【0020】(7)前記窒素含有酸化膜を前記二層ゲー
ト型MOS型電界効果トランジスタの下層ゲート絶縁膜
として不揮発性メモリ装置を形成すること。 (8)前記窒素含有酸化膜を前記二層ゲート型MOS型
電界効果トランジスタのゲート電極間絶縁膜として不揮
発性メモリ装置を形成すること。
(7) A non-volatile memory device is formed by using the nitrogen-containing oxide film as a lower gate insulating film of the two-layer gate type MOS field effect transistor. (8) A non-volatile memory device is formed by using the nitrogen-containing oxide film as an insulating film between gate electrodes of the double-gate MOS field-effect transistor.

【0021】(作用)本発明によれば、半導体基板の少
なくとも2つ以上の領域それぞれに、イオン注入法によ
って導入した酸素原子を用いて酸化膜を形成し、この酸
化膜をゲート絶縁膜とするので、ゲート絶縁膜の形成に
あたって大気及びフォトレジスト等による有機物からの
汚染の影響を受けることがなくなり、それらの汚染に伴
うゲート絶縁膜の不良を防止しつつ、同一基板上に膜厚
の異なるゲート絶縁膜を形成することが可能になる。
(Operation) According to the present invention, an oxide film is formed in each of at least two or more regions of a semiconductor substrate by using oxygen atoms introduced by an ion implantation method, and this oxide film is used as a gate insulating film. Therefore, the formation of the gate insulating film is not affected by the contamination from the organic matter due to the atmosphere and the photoresist, and the gate insulating film having different thicknesses is formed on the same substrate while preventing the defect of the gate insulating film due to the contamination. An insulating film can be formed.

【0022】さらに、これらのゲート絶縁膜から2種類
以上のMOS型電界効果トランジスタを形成した場合、
これら各MOS型電界効果トランジスタの電極を自動的
に単結晶半導体膜とすることもできるので、電極が多結
晶半導体膜であることに起因する特性バラツキを解消す
るのに特別な工程を必要としない。
Further, when two or more types of MOS field effect transistors are formed from these gate insulating films,
Since the electrodes of these MOS type field effect transistors can be automatically formed into a single crystal semiconductor film, no special process is required to eliminate the characteristic variation caused by the electrodes being polycrystalline semiconductor films. .

【0023】以上のことから、本発明による方法を用い
て2種類以上のMOS型電界効果トランジスタを含む半
導体装置、特に二層ゲート型MOS型電界効果トランジ
スタを有する不揮発性メモリ装置を製造すれば、汚染に
よるゲート絶縁膜の不良やゲート電極に多結晶材料を使
用することによる特性バラツキ等の不良要因を除去した
半導体装置の製造が可能となる。
From the above, if the method according to the present invention is used to manufacture a semiconductor device including two or more types of MOS field effect transistors, in particular, a nonvolatile memory device having a two-layer gate type MOS field effect transistor, It is possible to manufacture a semiconductor device in which a cause of a defect such as a defect of a gate insulating film due to contamination and a characteristic variation caused by using a polycrystalline material for a gate electrode is eliminated.

【0024】さらに、不揮発性メモリ装置では、通常、
二層ゲートの下層ゲート絶縁膜として窒素含有酸化膜を
用いることによって性能向上が図られるが、本発明の方
法によれば上記した本発明の作用効果を損なうことなく
下層ゲート絶縁膜として窒素含有酸化膜を形成すること
が可能である。
Further, in a nonvolatile memory device, usually,
The performance can be improved by using a nitrogen-containing oxide film as the lower gate insulating film of the two-layer gate. However, according to the method of the present invention, the nitrogen-containing oxide film can be used as the lower gate insulating film without impairing the above-described effects of the present invention. It is possible to form a film.

【0025】[0025]

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施形態を図面
を用いて説明する。 (第1の実施形態)図1及び図2は、本発明の第1の実
施形態に係る方法を示す工程断面図である。本実施形態
においては、二層ゲート型MOS型電界効果トランジス
タを有する不揮発性メモリを製造する方法を説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. (First Embodiment) FIGS. 1 and 2 are process sectional views showing a method according to a first embodiment of the present invention. In the present embodiment, a method for manufacturing a nonvolatile memory having a two-layer gate type MOS field effect transistor will be described.

【0026】まず、図1(a)に示すようにp型シリコ
ン基板1の周辺回路を形成する領域の表面をフォトレジ
スト(以下、レジストと略。)2aで被覆し、同基板1
のメモリ・セルを形成する領域に酸素を第1のイオン注
入によって導入することにより第1の酸素導入層1aを
形成する。イオン注入条件は、基本的には対応する領域
に形成しようとするゲート酸化膜の厚さに対応した酸素
の打ち込み量(以下、ドーズと略。)によって決まる。
First, as shown in FIG. 1A, the surface of a region for forming a peripheral circuit of a p-type silicon substrate 1 is covered with a photoresist (hereinafter abbreviated as "resist") 2a.
The first oxygen-introducing layer 1a is formed by introducing oxygen into the region where the memory cell is formed by the first ion implantation. The ion implantation conditions are basically determined by the amount of implanted oxygen (hereinafter abbreviated as dose) corresponding to the thickness of the gate oxide film to be formed in the corresponding region.

【0027】このイオン注入の条件については以下の考
慮が必要である。即ち、酸化膜を形成するために基板中
酸素のピーク濃度は少なくとも1022cm-3程度必要であ
る。これはイオン注入によって導入する原子濃度として
はかなりの高濃度である。従って、これを実現するため
にイオン注入時の加速エネルギーを、高いイオン電流が
安定に得られる10〜100 keVの範囲内とすることが
実用上の理由から求められる。このようなエネルギー範
囲では、基板中に打ち込まれたイオンのピーク濃度位置
の深さにほぼ対応するイオンの平均飛程(Rp )と同飛
程の統計的なバラツキ(ΔRp )はほぼ同程度となる。
他方、最終的に形成される酸化膜の膜厚はΔRp と同程
度になるから、結局、薄い酸化膜を形成するためには、
それと同程度のΔRp となるように浅いRp を有する条
件でイオン注入を行うことが必要となる。
The following conditions must be considered for the conditions of this ion implantation. That is, in order to form an oxide film, the peak concentration of oxygen in the substrate needs to be at least about 10 22 cm −3 . This is a considerably high concentration of atoms introduced by ion implantation. Therefore, in order to realize this, it is required for practical reasons that the acceleration energy at the time of ion implantation be within a range of 10 to 100 keV at which a high ion current can be stably obtained. In such an energy range, the average range (R p ) of the ions substantially corresponding to the depth of the peak concentration position of the ions implanted into the substrate and the statistical variation (ΔR p ) of the ranges are almost the same. About.
On the other hand, the thickness of the finally formed oxide film is substantially equal to ΔR p , so that in order to form a thin oxide film,
At the same it is necessary to perform ion implantation under the condition with a shallow R p such that the same degree of [Delta] R p.

【0028】次に、図1(b)に示すように一旦レジス
ト2aを除去した後、同じく基板1のメモリ・セルを形
成する領域の表面をレジスト2bで被覆して、基板1の
周辺回路を形成する領域に酸素を第2のイオン注入によ
って導入することにより第2の酸素導入層1bを形成す
る。上述した通り、イオン注入のドーズは形成しようと
するゲート酸化膜の厚さに対応して決定される。また、
形成しようとする酸化膜の膜厚とRp の関係についても
第1のイオン注入のところで述べた通りである。従っ
て、イオン注入の条件は、一般に、形成する酸化膜の膜
厚に応じて上記第1のイオン注入と異なる。
Next, as shown in FIG. 1B, after the resist 2a is once removed, the surface of the region for forming the memory cell of the substrate 1 is covered with the resist 2b to form a peripheral circuit of the substrate 1. The second oxygen introduction layer 1b is formed by introducing oxygen into the region to be formed by the second ion implantation. As described above, the dose of the ion implantation is determined according to the thickness of the gate oxide film to be formed. Also,
It is as also mentioned at the first ion implantation the relationship between film thickness and R p of the oxide film to be formed. Therefore, the conditions of the ion implantation generally differ from those of the first ion implantation depending on the thickness of the oxide film to be formed.

【0029】次に、図1(c)に示すように再びレジス
ト2bを除去し、基板1の表面にシリコンからなる単結
晶半導体層(メモリ・セルの浮遊ゲート電極及び周辺回
路のゲート電極となる。)4をエピタキシャル成長させ
る。このエピタキシャル成長によって、単結晶の状態を
保ったままで電極層として必要な電導度を有する厚さま
で、単結晶半導体層4を厚くなるようにする。このエピ
タキシャル成長は、気相成長でも、或いはアモルファス
堆積層からの固相成長でも良い。
Next, as shown in FIG. 1C, the resist 2b is removed again, and a single crystal semiconductor layer made of silicon (which becomes a floating gate electrode of a memory cell and a gate electrode of a peripheral circuit) is formed on the surface of the substrate 1. .) 4 is epitaxially grown. By this epitaxial growth, the single crystal semiconductor layer 4 is made thick to a thickness having a necessary conductivity as an electrode layer while maintaining a single crystal state. This epitaxial growth may be vapor phase growth or solid phase growth from an amorphous deposited layer.

【0030】メモリ・セルを形成する領域と周辺回路を
形成する領域とでは、第1及び第2の酸素導入層(酸素
打ち込み層)1a、1b上の単結晶半導体層(電極層)
4の厚さがいくらか異なることになる。しかしながら、
上記単結晶半導体層4の厚さはゲート酸化膜となるSi
2 膜の厚さと同程度の10〜50nmであって、電極
層の典型的な厚さ100〜500nmに比べて一桁程小
さいので、その差は僅かであって、実用上無視できる。
In a region where a memory cell is formed and a region where a peripheral circuit is formed, a single crystal semiconductor layer (electrode layer) on the first and second oxygen introduction layers (oxygen implanted layers) 1a and 1b
4 will be somewhat different. However,
The thickness of the single-crystal semiconductor layer 4 is equal to the thickness of Si serving as a gate oxide film.
Since the thickness is about 10 to 50 nm, which is about the same as the thickness of the O 2 film, and is about an order of magnitude smaller than the typical thickness of the electrode layer, which is 100 to 500 nm, the difference is small and can be ignored in practical use.

【0031】また上記したエピタキシャル成長のための
熱処理によって、上記第1及び第2の酸素導入層(酸素
イオン注入層)1a、1bはSiO2 膜に変化し、それ
ぞれ第1の絶縁膜層3a、第2の絶縁膜層3bが形成さ
れる。なお、このSiO2 膜の形成のための熱処理と上
記したエピタキシャル成長のための熱処理を所望により
別々に行うことも可能である。熱処理の順番は問わな
い。
The first and second oxygen introducing layers (oxygen ion implanted layers) 1a and 1b are changed into SiO 2 films by the heat treatment for the epitaxial growth, and the first and second oxygen introducing layers (oxygen ion implanted layers) 1a and 1b are respectively converted into the first insulating film layer 3a and the Two insulating film layers 3b are formed. The heat treatment for forming the SiO 2 film and the heat treatment for the epitaxial growth described above can be separately performed as desired. The order of heat treatment does not matter.

【0032】次に、図1(d)に示すように上記単結晶
半導体層4上に第3の絶縁膜層5、例えばSiO2 膜、
シリコンオキシナイトライド膜等を形成し、さらにその
上にメモリ・セルの制御ゲート電極となる半導体層6、
例えばシリコン層を形成する。
Next, as shown in FIG. 1D, a third insulating film layer 5, for example, an SiO 2 film is formed on the single crystal semiconductor layer 4.
Forming a silicon oxynitride film and the like, and further forming a semiconductor layer 6 serving as a control gate electrode of the memory cell;
For example, a silicon layer is formed.

【0033】次に、図2(a)に示すように、図示しな
いマスクを形成し、このマスクを用いて半導体層6、第
3の絶縁膜層5、単結晶半導体層4、及び第1の絶縁膜
層3aをパターン加工することにより、メモリ・セルの
二層ゲート型MOS型電界効果トランジスタの制御ゲー
ト電極6a、ゲート電極間絶縁膜5a、浮遊ゲート電極
4aからなる第1の積層膜を形成する。ここで、メモリ
・セルを形成する領域上には半導体層6b、第3の絶縁
膜層5b、単結晶半導体層4b、及び第1の絶縁膜層3
bからなる第2の積層膜が形成される。さらに、第1及
び第2の積層膜をマスクとしてイオン注入法によりn型
不純物、例えばP、Asをp型シリコン基板1に導入す
ることにより、二層ゲート型MOS型電界効果トランジ
スタのソース・ドレイン領域7aを形成する。
Next, as shown in FIG. 2A, a mask (not shown) is formed, and the semiconductor layer 6, the third insulating film layer 5, the single crystal semiconductor layer 4, and the first By patterning the insulating film layer 3a, a first laminated film including the control gate electrode 6a, the inter-gate electrode insulating film 5a, and the floating gate electrode 4a of the double-gate MOS field effect transistor of the memory cell is formed. I do. Here, the semiconductor layer 6b, the third insulating film layer 5b, the single crystal semiconductor layer 4b, and the first insulating film layer 3 are formed on the region where the memory cell is formed.
A second laminated film made of b is formed. Further, an n-type impurity, for example, P or As, is introduced into the p-type silicon substrate 1 by an ion implantation method using the first and second stacked films as a mask, so that the source / drain of the two-layer gate type MOS field effect transistor is formed. The region 7a is formed.

【0034】次に、図2(b)に示すように、上記マス
クを除去した後、メモリ・セルを形成する領域を覆って
図示しないマスクを形成し、このマスクを用いて半導体
層6b、第3の絶縁膜層5b、単結晶半導体層4b、及
び第1の絶縁膜層3bからなる第2の積層膜をパターン
加工することにより、周辺回路のMOS型電界効果トラ
ンジスタのゲート電極4bを形成する。このゲート電極
4b上の半導体層6b、第3の絶縁膜層5bは選択的に
除去する。さらにゲート電極4bをマスクとしてイオン
注入法によりn型不純物、例えばP、Asをp型シリコ
ン基板1に導入することにより、MOS型電界効果トラ
ンジスタのソース・ドレイン領域7bを形成する。
Next, as shown in FIG. 2B, after removing the above-mentioned mask, a mask (not shown) is formed so as to cover a region where a memory cell is to be formed. The gate electrode 4b of the MOS field effect transistor in the peripheral circuit is formed by patterning a second laminated film including the third insulating film layer 5b, the single crystal semiconductor layer 4b, and the first insulating film layer 3b. . The semiconductor layer 6b and the third insulating film layer 5b on the gate electrode 4b are selectively removed. Further, an n-type impurity, for example, P or As, is introduced into the p-type silicon substrate 1 by ion implantation using the gate electrode 4b as a mask, thereby forming the source / drain regions 7b of the MOS field-effect transistor.

【0035】さらに、図2(c)に示すように、上記マ
スクを除去した後、上記構造の上に層間絶縁膜8、例え
ばSiO2 膜、BPSG膜等を堆積する。この後、制御
ゲート電極6a及びゲート電極4b上の層間絶縁膜8に
コンタクト孔を形成し、このコンタクト孔を埋め込むよ
うに制御ゲート電極6a及びゲート電極4b上にそれぞ
れ金属膜9a、9bを形成して所要の電気回路を形成す
る。
Further, as shown in FIG. 2C, after removing the mask, an interlayer insulating film 8, for example, an SiO 2 film, a BPSG film or the like is deposited on the structure. Thereafter, a contact hole is formed in the interlayer insulating film 8 on the control gate electrode 6a and the gate electrode 4b, and metal films 9a and 9b are formed on the control gate electrode 6a and the gate electrode 4b so as to fill the contact hole. To form the required electrical circuit.

【0036】尚、発明に於いて酸素のイオン注入の順番
は本質的ではないので、上記した実施形態の形成方法に
おいて、メモリ・セルを形成する領域と周辺回路を形成
する領域への酸素のイオン注入の順序は入れ替えても構
わない。
Since the order of ion implantation of oxygen is not essential in the present invention, the ion implantation of oxygen into the region where the memory cell is formed and the region where the peripheral circuit is formed in the above-described method of forming the embodiment. The order of injection may be changed.

【0037】図3は、本発明の第1の実施形態に係る方
法により形成したゲート絶縁膜の絶縁破壊特性を示す特
性図である。本発明の方法によって厚さ8nmのゲート
酸化膜を形成し、このゲート酸化膜の絶縁破壊耐圧の分
布を従来方法で形成したゲート酸化膜と比較した。従来
方法の場合に見られた6 MV/cm以下の比較的低電界での
破壊が、本発明の方法によってなくなっていることがわ
かる。
FIG. 3 is a characteristic diagram showing the dielectric breakdown characteristics of the gate insulating film formed by the method according to the first embodiment of the present invention. A gate oxide film having a thickness of 8 nm was formed by the method of the present invention, and the distribution of the dielectric breakdown voltage of the gate oxide film was compared with the gate oxide film formed by the conventional method. It can be seen that the destruction at a relatively low electric field of 6 MV / cm or less observed in the case of the conventional method is eliminated by the method of the present invention.

【0038】また、図4は、本発明の第1の実施形態に
係る方法により形成した不揮発性メモリの閾値制御特性
のメモリ・セル間分布を示す特性図である。本発明の方
法及び従来方法によってそれぞれ形成したゲート酸化膜
を用いて不揮発性メモリを形成した時の特性バラツキ
を、データ書き込み時の閾値電圧の分布によって示し、
両者を比較した。本発明の方法は従来方法の場合に比べ
てかかる分布が揃っているのは、該当するゲート酸化膜
の特性が揃っていることを反映している。このように閾
値分布の良く揃った素子を形成することは、デバイス全
体の信頼性を高める上で欠かせない。
FIG. 4 is a characteristic diagram showing a memory-cell distribution of a threshold control characteristic of the nonvolatile memory formed by the method according to the first embodiment of the present invention. Characteristic variations when a non-volatile memory is formed using the gate oxide films formed by the method of the present invention and the conventional method are shown by a threshold voltage distribution at the time of data writing,
Both were compared. The fact that such a distribution is uniform in the method of the present invention as compared with the conventional method reflects that the characteristics of the corresponding gate oxide films are uniform. Forming an element having a well-distributed threshold distribution as described above is indispensable for improving the reliability of the entire device.

【0039】(第2の実施形態)図5及び図6は、本発
明の第2の実施形態に係る方法を示す工程断面図であ
る。本実施形態においては、複数の種類のMOS型電界
効果トランジスタを有する半導体装置を製造する方法を
説明する。
(Second Embodiment) FIGS. 5 and 6 are process sectional views showing a method according to a second embodiment of the present invention. In the present embodiment, a method for manufacturing a semiconductor device having a plurality of types of MOS field effect transistors will be described.

【0040】まず、図5(a)に示すようにp型シリコ
ン基板21の第2及び第3のMOS型電界効果トランジ
スタを形成する領域の表面をフォトレジスト22aで被
覆し、同基板21の第1のMOS型電界効果トランジス
タを形成する領域に酸素を第1のイオン注入によって導
入することにより第1の酸素導入層21aを形成する。
イオン注入条件は、第1の実施形態と同様に、対応する
領域に形成しようとするゲート酸化膜の厚さに対応した
酸素の打ち込み量(以下、ドーズと略。)によって決ま
る。
First, as shown in FIG. 5A, the surface of the region of the p-type silicon substrate 21 where the second and third MOS field effect transistors are to be formed is covered with a photoresist 22a. The first oxygen introduction layer 21a is formed by introducing oxygen into the region where one MOS field effect transistor is to be formed by the first ion implantation.
The ion implantation conditions are determined by the amount of implanted oxygen (hereinafter abbreviated as dose) corresponding to the thickness of the gate oxide film to be formed in the corresponding region, as in the first embodiment.

【0041】次に、図5(b)に示すように一旦レジス
ト22aを除去した後、同じく基板1の第1及び第3の
MOS型電界効果トランジスタを形成する領域の表面を
フォトレジスト22bで被覆し、同基板21の第2のM
OS型電界効果トランジスタを形成する領域に酸素を第
2のイオン注入によって導入することにより第2の酸素
導入層21bを形成する。
Next, as shown in FIG. 5B, after the resist 22a is once removed, the surface of the region of the substrate 1 where the first and third MOS field effect transistors are to be formed is covered with the photoresist 22b. And the second M of the substrate 21
The second oxygen introduction layer 21b is formed by introducing oxygen into the region where the OS type field effect transistor is to be formed by the second ion implantation.

【0042】次に、図5(c)に示すように一旦レジス
ト22bを除去した後、同じく基板1の第1及び第2の
MOS型電界効果トランジスタを形成する領域の表面を
フォトレジスト22cで被覆し、同基板21の第3のM
OS型電界効果トランジスタを形成する領域に酸素を第
3のイオン注入によって導入することにより第3の酸素
導入層21cを形成する。
Next, as shown in FIG. 5C, after the resist 22b is once removed, the surface of the region of the substrate 1 where the first and second MOS field effect transistors are to be formed is covered with the photoresist 22c. And the third M of the substrate 21
The third oxygen introduction layer 21c is formed by introducing oxygen into the region where the OS type field effect transistor is to be formed by third ion implantation.

【0043】ここで、第1の酸素導入層21a、第2の
酸素導入層21b、及び第3の酸素導入層21cの厚さ
は、第1の酸素導入層21aが一番薄く、第2の酸素導
入層21bが中程度の厚さ、第3の酸素導入層21cが
一番厚くなるようにした。上述したように、イオン注入
のドーズは形成しようとするゲート酸化膜の厚さに対応
して決定される。また、形成しようとする酸化膜の膜厚
とRp の関係は、第1の実施形態で述べた通りである。
従って、イオン注入の条件は、一般に、形成する酸化膜
の膜厚に応じて上記第1、第2、第3のイオン注入の間
で異なる。
Here, the thicknesses of the first oxygen introducing layer 21a, the second oxygen introducing layer 21b, and the third oxygen introducing layer 21c are as follows. The oxygen introduction layer 21b was made to have a medium thickness, and the third oxygen introduction layer 21c was made to be the thickest. As described above, the dose of the ion implantation is determined according to the thickness of the gate oxide film to be formed. The relationship between film thickness and R p of the oxide film to be formed is as described in the first embodiment.
Therefore, the conditions for ion implantation generally differ among the first, second, and third ion implantations according to the thickness of the oxide film to be formed.

【0044】次に、図5(d)に示すように再びレジス
ト22cを除去し、基板21の表面にシリコンからなる
単結晶半導体層(複数の種類のMOS型電界効果トラン
ジスタのゲート電極となる。)24をエピタキシャル成
長させる。このエピタキシャル成長によって、単結晶の
状態を保ったままで電極層として必要な電導度を有する
厚さまで、単結晶半導体層24を厚くなるようにする。
このエピタキシャル成長は、気相成長でも、或いはアモ
ルファス堆積層からの固相成長でも良い。
Next, as shown in FIG. 5D, the resist 22c is removed again, and a single crystal semiconductor layer made of silicon (which becomes a gate electrode of a plurality of types of MOS field effect transistors) is formed on the surface of the substrate 21. ) 24 is epitaxially grown. By this epitaxial growth, the single crystal semiconductor layer 24 is thickened to a thickness having a necessary conductivity as an electrode layer while maintaining a single crystal state.
This epitaxial growth may be vapor phase growth or solid phase growth from an amorphous deposited layer.

【0045】第1、第2、及び第3のMOS型電界効果
トランジスタを形成する領域の間では、第1、第2、及
び第3の酸素導入層(酸素打ち込み層)21a、21
b、21c上の単結晶半導体層(電極層)24の厚さが
いくらか異なることになる。しかしながら、上記単結晶
半導体層24の厚さはゲート酸化膜となるSiO2 膜の
厚さと同程度の10〜50nmであって、電極層の典型
的な厚さ100〜500nmに比べて一桁程小さいの
で、その差は僅かであって、実用上無視できる。
Between the regions where the first, second, and third MOS field effect transistors are formed, first, second, and third oxygen introduction layers (oxygen implanted layers) 21a, 21a
The thickness of the single crystal semiconductor layer (electrode layer) 24 on b and 21c will be somewhat different. However, the thickness of the single crystal semiconductor layer 24 is about 10 to 50 nm, which is about the same as the thickness of the SiO 2 film serving as the gate oxide film, and is about an order of magnitude compared to the typical thickness of the electrode layer of 100 to 500 nm. Since it is small, the difference is small and can be ignored in practical use.

【0046】また上記したエピタキシャル成長のための
熱処理によって、上記第1、第2、及び第3の酸素導入
層(酸素イオン注入層)21a、21b、21cはSi
2膜に変化し、それぞれ第1の絶縁膜層23a、第2
の絶縁膜層23b、及び第3の絶縁膜層23cが形成さ
れる。なお、このSiO2 膜の形成のための熱処理と上
記したエピタキシャル成長のための熱処理を所望により
別々に行うことも可能である。熱処理の順番は問わな
い。
The first, second, and third oxygen introduction layers (oxygen ion implanted layers) 21a, 21b, and 21c are formed by the heat treatment for the epitaxial growth.
O 2 film was changed, the first insulating layer 23a, respectively, the second
The insulating film layer 23b and the third insulating film layer 23c are formed. The heat treatment for forming the SiO 2 film and the heat treatment for the epitaxial growth described above can be separately performed as desired. The order of heat treatment does not matter.

【0047】次に、図6(a)に示すように図示しない
マスクを形成し、このマスクを用いて単結晶半導体層2
4、並びに第1の絶縁膜層23a、第2の絶縁膜層23
b、及び第3の絶縁膜層23cをパターン加工すること
により、複数の種類のMOS型電界効果トランジスタ
(それぞれ第1、第2、及び第3MOS型電界効果トラ
ンジスタ)のゲート電極として、それぞれゲート電極2
4a、24b、24cを形成する。
Next, as shown in FIG. 6A, a mask (not shown) is formed, and the single crystal semiconductor layer 2 is formed using this mask.
4, first insulating film layer 23a, second insulating film layer 23
b and the third insulating film layer 23c are patterned to form gate electrodes of a plurality of types of MOS field effect transistors (first, second, and third MOS field effect transistors, respectively). 2
4a, 24b and 24c are formed.

【0048】さらに、図6(b)に示すように上記ゲー
ト電極24a、24b、24cをマスクとして,イオン
注入法によりn型不純物、例えばP、Asをp型シリコ
ン基板21に導入することにより、それぞれ第1、第
2、及び第3MOS型電界効果トランジスタのソース・
ドレイン領域25a、25b、25cを形成する。
Further, as shown in FIG. 6B, n-type impurities, for example, P and As are introduced into the p-type silicon substrate 21 by ion implantation using the gate electrodes 24a, 24b and 24c as a mask. The sources of the first, second and third MOS field effect transistors are respectively
The drain regions 25a, 25b, 25c are formed.

【0049】次に、図6(c)に示すように、上記マス
クを除去した後、上記構造の上に層間絶縁膜26、例え
ばSiO2 膜、BPSG膜等を堆積した後、ゲート電極
24a、24b、24c上の層間絶縁膜26にコンタク
ト孔を形成し、このコンタクト孔を埋め込むようにゲー
ト電極24a、24b、24c上にそれぞれ金属膜27
a、27b、27cを形成して所要の電気回路を形成す
る。
Next, as shown in FIG. 6C, after the mask is removed, an interlayer insulating film 26, for example, an SiO 2 film, a BPSG film or the like is deposited on the structure, and then the gate electrode 24a, Contact holes are formed in the interlayer insulating film 26 on the gate electrodes 24a, 24b and 24c, and the metal films 27 are respectively formed on the gate electrodes 24a, 24b and 24c so as to fill the contact holes.
a, 27b and 27c are formed to form a required electric circuit.

【0050】尚、発明に於いて酸素のイオン注入の順番
は本質的ではないので、上記した実施形態の形成方法に
おいて、メモリ・セルを形成する領域と周辺回路を形成
する領域への酸素のイオン注入の順序は入れ替えても構
わない。
Since the order of ion implantation of oxygen is not essential in the present invention, the ion implantation of oxygen into the region where the memory cell is formed and the region where the peripheral circuit is formed is performed in the method of the above embodiment. The order of injection may be changed.

【0051】かかる本実施形態の方法によって、第1の
実施形態で述べた本発明の利点を損なうことなく、各領
域にそれぞれ所定のMOS型電界効果トランジスタ構造
を形成可能である。この方法は、例えば、周辺回路領域
内で2種類以上の厚さの異なるゲート絶縁膜が必要な場
合などに有効となる。
According to the method of the present embodiment, it is possible to form a predetermined MOS type field effect transistor structure in each region without impairing the advantages of the present invention described in the first embodiment. This method is effective, for example, when two or more gate insulating films having different thicknesses are required in the peripheral circuit region.

【0052】(第3の実施形態)第3の実施形態は、上
記第1又は第2の実施形態の方法において、ゲート酸化
膜を形成しようとする複数の領域のうちの少なくとも1
つ以上に対して、酸素のイオン注入の他、さらに窒素を
もイオン注入することによって、酸化膜の代わりに窒素
を含んだ酸化膜、即ちオキシナイトライド膜を形成する
方法である。酸素のイオン注入と窒素のイオン注入は、
どちらが先でも良く、また同時に行っても良い。
(Third Embodiment) In a third embodiment, at least one of a plurality of regions where a gate oxide film is to be formed in the method of the first or second embodiment is used.
In this method, an oxide film containing nitrogen, that is, an oxynitride film is formed instead of the oxide film by ion implantation of nitrogen in addition to oxygen ion implantation. Oxygen ion implantation and nitrogen ion implantation
Either one may be performed first, and it may be performed simultaneously.

【0053】本実施形態は、本発明の第1及び第2の実
施形態に係る方法で用いた図1及び図2、図5及び図6
において、第1の絶縁膜層23a、第2の絶縁膜層23
b、及び第3の絶縁膜層23c、並びに第1の絶縁膜層
3a及び第2の絶縁膜層3bをオキシナイトライド膜に
代えるのみであり、その詳細な説明は省略する。
In this embodiment, FIGS. 1 and 2, FIGS. 5 and 6 used in the method according to the first and second embodiments of the present invention are shown.
, The first insulating film layer 23a, the second insulating film layer 23
b, the third insulating film layer 23c, and the first insulating film layer 3a and the second insulating film layer 3b are merely replaced with oxynitride films, and detailed description thereof is omitted.

【0054】オキシナイトライド膜は、ゲート酸化膜の
信頼性の向上や、ゲート電極中の不純物がゲート絶縁膜
を通して基板中に拡散してしまうことの防止などの目的
に用いられ、通常は基板表面に形成した酸化膜を熱窒化
するなどの方法によって形成されるが、この実施例の方
法によって、それらと同様の特性を有するオキシナイト
ライド膜を本発明の利点を保ったまま形成することが可
能となる。
The oxynitride film is used for the purpose of improving the reliability of the gate oxide film and preventing impurities in the gate electrode from diffusing into the substrate through the gate insulating film. The oxynitride film having the same characteristics as those of the oxynitride film can be formed while maintaining the advantages of the present invention. Becomes

【0055】なお、本発明は上記実施形態に限定される
ことはない。例えば、酸素イオンの打ち込み時の加速電
圧を10 keV以下まで低くすることによって、ゲート絶
縁膜として厚さ10nm程度またはそれ以下のごく薄い
酸化膜を形成することも可能になる。この場合、技術的
な理由から加速電圧が高い場合に比べてイオン電流は低
くならざるを得ないが、プロセス時間を多少長くすれば
良く、工程としては基本的に全く同様に行うことができ
る。
The present invention is not limited to the above embodiment. For example, by lowering the acceleration voltage at the time of implanting oxygen ions to 10 keV or less, a very thin oxide film having a thickness of about 10 nm or less can be formed as a gate insulating film. In this case, the ion current is inevitably lower than that in the case where the acceleration voltage is high for technical reasons. However, the process time only needs to be slightly increased, and the steps can be performed basically exactly the same.

【0056】特に、極めて薄い酸化膜を均一に形成する
ためには、酸素イオン注入後の熱処理にあたって、一旦
500〜600℃程度の比較的低温での処理を行うこと
によって、まず基板内に欠陥層を充分に成長させた後
に、より高温の熱処理を行って酸化膜の形成を行う方法
を採ることができる。これは、基板中に打ち込まれた酸
素原子が欠陥層に引き寄せられて均一な層を形成するこ
とによって、高温の熱処理時に表面張力によって酸化物
の厚さが不均一となろうとする傾向を抑制することがで
きるためである。イオン電流が比較的小さい条件では、
イオン注入時の基板温度の上昇が少なく、さらに二次欠
陥生成が抑制されるので、上述した方法が特に有効にな
る。
In particular, in order to uniformly form an extremely thin oxide film, a heat treatment after oxygen ion implantation is first performed at a relatively low temperature of about 500 to 600 ° C. so that a defect layer is first formed in the substrate. After the silicon oxide film is sufficiently grown, a method of performing a heat treatment at a higher temperature to form an oxide film can be employed. This suppresses the tendency for the thickness of the oxide to become non-uniform due to surface tension during high-temperature heat treatment, because oxygen atoms implanted in the substrate are attracted to the defect layer to form a uniform layer. This is because you can do it. Under conditions where the ion current is relatively small,
Since the rise in the substrate temperature during ion implantation is small and the generation of secondary defects is suppressed, the above method is particularly effective.

【0057】また、酸素イオンの基板中への打ち込みに
よって厚い酸化膜を形成することは、既にSIMOX
(Separation by IMplanted OXygen)法として知られ、
SOI(Silicon On Insulator)基板の形成に広く用い
られている。本発明の方法は、そのような酸素イオンに
よる厚い酸化膜の形成とも全く問題なく組み合わせるこ
とができる。その場合、厚い酸化膜の形成目的は、上述
したSOI構造の形成の他、素子分離構造の形成などで
あっても良い。そのような場合にも、必要な酸化膜等の
膜構造を、有機物等の汚染の影響を受けることなく必要
な領域に選択的に形成可能である。
Forming a thick oxide film by implanting oxygen ions into a substrate has already been described in SIMOX.
(Separation by IMplanted OXygen) method,
It is widely used for forming SOI (Silicon On Insulator) substrates. The method of the present invention can be combined without any problem with the formation of such a thick oxide film by oxygen ions. In this case, the purpose of forming the thick oxide film may be to form an element isolation structure in addition to the above-described SOI structure. Even in such a case, a necessary film structure such as an oxide film can be selectively formed in a necessary region without being affected by contamination of an organic substance or the like.

【0058】また、酸素導入層が形成される領域よりも
浅い前記半導体基板の領域に酸素原子をイオン注入法に
よって選択的に導入することにより、さらに別の酸素導
入層を形成し、この酸素導入層を酸化膜に変換し、この
酸化膜をゲート電極間絶縁膜として二層ゲート型MOS
型電界効果トランジスタを形成しても良い。
Further, another oxygen introduction layer is formed by selectively introducing oxygen atoms by ion implantation into a region of the semiconductor substrate which is shallower than a region where the oxygen introduction layer is formed. The layer is converted into an oxide film, and this oxide film is used as an insulating film between gate electrodes in a two-layer gate type MOS.
A field effect transistor may be formed.

【0059】さらにまた、上記した酸素及び窒素のイオ
ン注入によりオキシナイトライド膜を形成する方法を、
二層ゲート型MOS型電界効果トランジスタのゲート電
極間絶縁膜の形成に用いることも可能である。その他、
本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施する
ことが可能である。
Further, the above-described method for forming an oxynitride film by ion implantation of oxygen and nitrogen is described as follows.
It can also be used for forming an insulating film between gate electrodes of a two-layer gate type MOS field effect transistor. Others
Various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.

【0060】[0060]

【発明の効果】本発明によれば、2種類以上のMOS型
電界効果トランジスタを含む半導体装置を製造するにあ
たり、大気やフォトレジスト等による有機物からの汚染
によるゲート絶縁膜の不良やゲート電極に多結晶材料を
使用することによる特性バラツキ等の不良要因を除去し
た半導体装置の製造が可能となる。
According to the present invention, when manufacturing a semiconductor device including two or more types of MOS field effect transistors, defects in the gate insulating film due to contamination from the organic matter due to the atmosphere, photoresist, or the like, and a large number of gate electrodes. It is possible to manufacture a semiconductor device in which a defect factor such as characteristic variation due to the use of a crystalline material is eliminated.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 二層ゲート型MOS型電界効果トランジスタ
を有する不揮発性メモリを製造する本発明の第1の実施
形態に係る方法を示す工程断面図。
FIG. 1 is a process cross-sectional view showing a method according to a first embodiment of the present invention for manufacturing a nonvolatile memory having a two-layer gate type MOS field effect transistor.

【図2】 図1に続く本発明の第1の実施形態に係る方
法を示す工程断面図。
FIG. 2 is a process sectional view illustrating the method according to the first embodiment of the present invention, following FIG. 1;

【図3】 本発明の第1の実施形態に係る方法により形
成したゲート絶縁膜の絶縁破壊特性を示す特性図。
FIG. 3 is a characteristic diagram showing dielectric breakdown characteristics of a gate insulating film formed by the method according to the first embodiment of the present invention.

【図4】 本発明の第1の実施形態に係る方法により形
成した不揮発性メモリの閾値制御特性のメモリ・セル間
分布を示す特性図。
FIG. 4 is a characteristic diagram showing a memory-cell distribution of a threshold control characteristic of the nonvolatile memory formed by the method according to the first embodiment of the present invention.

【図5】 複数の種類のMOS型電界効果トランジスタ
を有する半導体装置を製造する本発明の第2の実施形態
に係る方法を示す工程断面図。
FIG. 5 is a process sectional view illustrating a method according to a second embodiment of the present invention for manufacturing a semiconductor device having a plurality of types of MOS field-effect transistors.

【図6】 図5に続く本発明の第2の実施形態に係る方
法を示す工程断面図。
FIG. 6 is a process sectional view illustrating the method according to the second embodiment of the present invention, following FIG. 5;

【図7】 二層ゲート型MOS型電界効果トランジスタ
を有する不揮発性メモリの構造を示す断面図。
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a structure of a nonvolatile memory having a two-layer gate type MOS field effect transistor.

【図8】 図7に示す二層ゲート型MOS型電界効果ト
ランジスタを有する不揮発性メモリを製造する従来の方
法を示す工程断面図。
8 is a process sectional view showing a conventional method for manufacturing a nonvolatile memory having the two-layer gate type MOS field effect transistor shown in FIG.

【図9】 図8に続く従来の方法を示す工程断面図。FIG. 9 is a process sectional view showing the conventional method following FIG. 8;

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1:p型シリコン基板1 1a:第1の酸素導入層 1b:第2の酸素導入層 2a、2b、22a、22b、22c:レジスト 3a:第1の絶縁膜層 3b:第2の絶縁膜層 4:単結晶半導体層 4a:浮遊ゲート電極 4b:ゲート電極 5:第3の絶縁膜層 5a:ゲート電極間絶縁膜 6、6b:半導体層 6a:制御ゲート電極 7a、7b:ソース・ドレイン領域 8:層間絶縁膜 9a、9b:金属膜 1: p-type silicon substrate 11a: first oxygen introducing layer 1b: second oxygen introducing layer 2a, 2b, 22a, 22b, 22c: resist 3a: first insulating film layer 3b: second insulating film layer 4: single crystal semiconductor layer 4a: floating gate electrode 4b: gate electrode 5: third insulating film layer 5a: insulating film between gate electrodes 6, 6b: semiconductor layer 6a: control gate electrode 7a, 7b: source / drain region 8 : Interlayer insulating film 9a, 9b: metal film

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 半導体基板の少なくとも2つ以上の領域
に、酸素原子をイオン注入法によって互いに異なる条件
で選択的に導入して、それぞれの領域に酸素導入層を形
成する工程と、前記酸素導入層を酸化膜に変換する工程
と、前記酸素導入層から変換した前記酸化膜をゲート絶
縁膜として、ゲート絶縁膜の膜厚が異なる少なくとも2
種類以上のMOS型電界効果トランジスタを形成する工
程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
A step of selectively introducing oxygen atoms into at least two or more regions of the semiconductor substrate by ion implantation under mutually different conditions to form an oxygen-introducing layer in each region; Converting a layer into an oxide film, and using the oxide film converted from the oxygen-introduced layer as a gate insulating film, wherein at least two gate insulating films having different thicknesses
Forming at least two or more types of MOS field-effect transistors.
【請求項2】 前記酸素導入層上の前記半導体基板の部
分をエピタキシャル成長させて、当該部分にエピタキシ
ャル層を形成する工程を有することを特徴とする請求項
1記載の半導体装置の製造方法。
2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, further comprising the step of epitaxially growing a portion of said semiconductor substrate on said oxygen introducing layer and forming an epitaxial layer on said portion.
【請求項3】 前記酸素導入層を酸化膜に変換する工程
は、前記エピタキシャル層を形成する工程の全部又は一
部を兼ねていることを特徴とする請求項2記載の半導体
装置の製造方法。
3. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 2, wherein the step of converting the oxygen-introducing layer to an oxide film also serves as all or a part of the step of forming the epitaxial layer.
【請求項4】 前記少なくとも2種類以上のMOS型電
界効果トランジスタのうち少なくとも1種類は二層ゲー
ト型MOS型電界効果トランジスタであり、この二層ゲ
ート型MOS型電界効果トランジスタから不揮発性メモ
リ装置を形成することを特徴とする請求項1乃至3記載
の半導体装置の製造方法。
4. At least one of the at least two types of MOS field-effect transistors is a double-layer gate type MOS field-effect transistor, and a nonvolatile memory device is formed from the two-layer gate type MOS field-effect transistor. 4. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein said method is performed.
【請求項5】 前記酸素導入層が形成される領域よりも
浅い前記半導体基板の領域に酸素原子をイオン注入法に
よって選択的に導入して、さらに酸素導入層を形成する
工程と、この酸素導入層を酸化膜に変換する工程と、こ
の酸化膜をゲート電極間絶縁膜として前記二層ゲート型
MOS型電界効果トランジスタを形成する工程を有する
ことを特徴とする請求項4記載の半導体装置の製造方
法。
5. A step of selectively introducing oxygen atoms by ion implantation into a region of the semiconductor substrate which is shallower than a region where the oxygen introduction layer is formed, and further forming an oxygen introduction layer; 5. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 4, further comprising the steps of: converting a layer into an oxide film; and forming the double-layer gate MOS field effect transistor using the oxide film as an insulating film between gate electrodes. Method.
【請求項6】 前記浅い酸素導入層上の前記半導体基板
の部分をエピタキシャル成長させて、当該部分にエピタ
キシャル層を形成する工程を有することを特徴とする請
求項5記載の半導体装置の製造方法。
6. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 5, further comprising the step of epitaxially growing a portion of said semiconductor substrate on said shallow oxygen introduction layer to form an epitaxial layer in said portion.
【請求項7】 前記半導体基板の前記酸素原子が導入さ
れる領域のうち少なくとも1つ以上の領域において、前
記酸素導入層の形成領域に対して窒素原子をイオン注入
法によって導入する工程を有し、前記酸素導入層を酸化
膜に変換する工程において窒素含有酸化膜を形成し、当
該窒素含有酸化膜をゲート絶縁膜としてMOS型電界効
果トランジスタを形成することを特徴とする請求項1乃
至6記載の半導体装置の製造方法。
7. The method according to claim 7, further comprising the step of introducing nitrogen atoms into a region where the oxygen introduction layer is to be formed by an ion implantation method in at least one or more regions of the semiconductor substrate into which the oxygen atoms are introduced. 7. The method according to claim 1, wherein a nitrogen-containing oxide film is formed in the step of converting the oxygen-introduced layer into an oxide film, and a MOS field-effect transistor is formed using the nitrogen-containing oxide film as a gate insulating film. Of manufacturing a semiconductor device.
【請求項8】 前記窒素含有酸化膜を前記二層ゲート型
MOS型電界効果トランジスタの下層ゲート絶縁膜とし
て不揮発性メモリ装置を形成することを特徴とする請求
項7記載の半導体装置の製造方法。
8. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 7, wherein said non-volatile memory device is formed by using said nitrogen-containing oxide film as a lower gate insulating film of said two-layer gate type MOS field effect transistor.
【請求項9】 前記窒素含有酸化膜を前記二層ゲート型
MOS型電界効果トランジスタのゲート電極間絶縁膜と
して不揮発性メモリ装置を形成することを特徴とする請
求項7記載の半導体装置の製造方法。
9. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 7, wherein said nitrogen-containing oxide film is used as an insulating film between gate electrodes of said two-layer gate type MOS field effect transistor. .
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6790727B2 (en) * 2001-06-15 2004-09-14 Freescale Semiconductor, Inc. Integration of two memory types on the same integrated circuit
CN103594311A (en) * 2013-11-13 2014-02-19 上海华力微电子有限公司 Method for introducing punctiform ion beam injecting machine into mass production

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