(57)【要約】【課題】  リーク電流を抑制し、電荷保持特性を向上させた不揮発性半導体装置及びその製造方法を提供する。【解決手段】  本発明に係る不揮発性半導体装置の製造方法は、シリコン基板１の表面に窒素と酸素を有する雰囲気で熱処理を行う工程と、前記シリコン基板上にボトム絶縁膜６を形成する工程と、前記ボトム絶縁膜上に窒化膜７を形成する工程と、前記窒化膜上にトップ酸化膜８を形成する工程と、を具備する。前記熱処理を行う工程は９００℃以上１１５０℃以下の温度条件で行う工程であることが好ましい。また、前記熱処理を行う工程は１０００℃より高く１１５０℃以下の温度条件で行う工程であることが更に好ましい。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の表面に窒素と酸素を有する雰囲気で熱処理を行う工程と、
前記半導体基板上にボトム絶縁膜を形成する工程と、
前記ボトム絶縁膜上に窒化膜を形成する工程と、
前記窒化膜上にトップ酸化膜を形成する工程と、
を具備する不揮発性半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記熱処理を行う工程は９００℃以上１１５０℃以下の温度条件で行う工程である請求項１に記載の不揮発性半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記熱処理を行う工程は１０００℃より高く１１５０℃以下の温度条件で行う工程である請求項１に記載の不揮発性半導体装置の製造方法。
【請求項４】
半導体基板上にボトム絶縁膜を形成する工程と、
前記ボトム絶縁膜にプラズマ窒化処理を行う工程と、
前記ボトム絶縁膜上に窒化膜を形成する工程と、
前記窒化膜上にトップ酸化膜を形成する工程と、
を具備する不揮発性半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記プラズマ窒化処理を行う工程は、４００℃以下の温度、窒素を含むガス雰囲気、減圧下でプラズマ窒化処理を行う工程である請求項４に記載の不揮発性半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記ボトム絶縁膜の上部には１×１０２２ｃｍ−３程度の濃度の窒素が存在する請求項１乃至５のいずれか一項に記載の不揮発性半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記トップ酸化膜を形成する工程の後に、前記トップ酸化膜上に導電膜を形成し、前記導電膜をパターニングすることにより、前記トップ酸化膜上に前記導電膜からなるゲート電極を形成する工程をさらに具備する請求項１乃至６のいずれか一項に記載の不揮発性半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記ゲート電極を形成する工程の後に、前記ゲート電極の両側下の前記半導体基板にソース及びドレイン領域を形成する工程をさらに具備する請求項７に記載の不揮発性半導体装置の製造方法。
【請求項９】
半導体基板上に形成されたボトム絶縁膜と、
前記ボトム絶縁膜上に形成された窒化膜と、
前記窒化膜上に形成されたトップ酸化膜と、
を具備する不揮発性半導体装置において、
前記半導体基板は、該半導体基板の表面に窒素と酸素を有する雰囲気で熱処理が行われたものである不揮発性半導体装置。
【請求項１０】
半導体基板上に形成されたボトム絶縁膜と、
前記ボトム絶縁膜上に形成された窒化膜と、
前記窒化膜上に形成されたトップ酸化膜と、
を具備する不揮発性半導体装置において、
前記ボトム絶縁膜はプラズマ窒化処理が行われたものである不揮発性半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、不揮発性半導体装置及びその製造方法に係わり、特に、リーク電流を抑制し、電荷保持特性を向上させた不揮発性半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
以下、従来の不揮発性半導体装置の製造方法について説明する。
まず、シリコン基板の表面にボトム絶縁膜を形成する。次いで、ＮＨ３雰囲気でアニールを行う。次いで、ボトム絶縁膜６の上に窒化膜（Ｓｉ３Ｎ４）を堆積し、窒化膜上にトップ酸化膜を形成する。このようにしてシリコン基板上にはＯＮＯ膜（ボトム絶縁膜−窒化膜−トップ酸化膜）が形成される。
【０００３】
この後、トップ酸化膜を含む全面上にポリシリコン膜を堆積し、このポリシリコン膜をパターニングしてゲート電極を形成する。このようにしてボトム絶縁膜、窒化膜、トップ酸化膜及びゲート電極からなる誘電体ゲート構造が形成される。
次いで、誘電体ゲート構造をマスクとしてシリコン基板のソース及びドレイン領域に不純物をイオン注入し、熱処理を施す。これにより、誘電体ゲート構造の両側面のシリコン基板にはソース及びドレイン領域の拡散層が形成される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記従来の不揮発性半導体装置の製造方法では、ボトム絶縁膜を形成した後、ＮＨ３雰囲気でアニールを行っているため、シリコン基板とボトム絶縁膜の界面に水素（Ｈ）が存在していた。このため、この水素によって前記界面に浅い界面準位が形成されていた。この浅い界面準位により、リーク電流が生じたり、電荷を長時間保持できないトラップの原因となっていた。
【０００５】
本発明は上記のような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、リーク電流を抑制し、電荷保持特性を向上させた不揮発性半導体装置及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明に係る不揮発性半導体装置の製造方法は、半導体基板の表面に窒素と酸素を有する雰囲気で熱処理を行う工程と、
前記半導体基板上にボトム絶縁膜を形成する工程と、
前記ボトム絶縁膜上に窒化膜を形成する工程と、
前記窒化膜上にトップ酸化膜を形成する工程と、
を具備する。
【０００７】
上記不揮発性半導体装置の製造方法によれば、窒化膜を形成する際に、従来技術のようなアンモニア（ＮＨ３）雰囲気のアニール処理を行わないため、半導体基板とボトム絶縁膜の界面に水素（Ｈ）が大量には存在しない。このように前記界面に水素（Ｈ）が大量には存在しないと、前記界面に浅い準位が形成されることもない。従って、リーク電流を抑制でき、蓄積電荷の放出による電荷保持特性を向上させることができる。また、半導体基板の表面に窒素と酸素を有する雰囲気で熱処理した後に、半導体基板の表面にボトム絶縁膜を形成しているため、ボトム絶縁膜を形成する際、ボトム絶縁膜の上部に窒素（Ｎ）が存在する。従って、窒化膜の島状成長による堆積を抑制でき、緻密で耐酸化性の高い窒化膜を形成することができる。
【０００８】
また、本発明に係る不揮発性半導体装置の製造方法において、前記熱処理を行う工程は９００℃以上１１５０℃以下の温度条件で行う工程であることが好ましい。
また、本発明に係る不揮発性半導体装置の製造方法において、前記熱処理を行う工程は１０００℃より高く１１５０℃以下の温度条件で行う工程であることが更に好ましい。
【０００９】
本発明に係る不揮発性半導体装置の製造方法は、半導体基板上にボトム絶縁膜を形成する工程と、
前記ボトム絶縁膜にプラズマ窒化処理を行う工程と、
前記ボトム絶縁膜上に窒化膜を形成する工程と、
前記窒化膜上にトップ酸化膜を形成する工程と、
を具備する。
【００１０】
上記不揮発性半導体装置の製造方法によれば、窒化膜を形成する際に、従来技術のようなアンモニア（ＮＨ３）雰囲気のアニール処理を行わないため、半導体基板とボトム絶縁膜の界面に水素（Ｈ）が大量には存在しない。このように前記界面に水素（Ｈ）が大量には存在しないと、前記界面に浅い準位が形成されることもない。従って、リーク電流を抑制でき、蓄積電荷の放出による電荷保持特性を向上させることができる。また、ボトム絶縁膜の表面にプラズマ窒化処理を施しているため、処理後のボトム絶縁膜の上部に窒素（Ｎ）が存在する。従って、窒化膜の島状成長による堆積を抑制でき、緻密で耐酸化性の高い窒化膜７を形成することができる。
【００１１】
また、本発明に係る不揮発性半導体装置の製造方法において、前記プラズマ窒化処理を行う工程は、４００℃以下の温度、窒素を含むガス雰囲気、減圧下でプラズマ窒化処理を行う工程であることが好ましい。
また、本発明に係る不揮発性半導体装置の製造方法において、前記ボトム絶縁膜の上部には１×１０２２ｃｍ−３程度の濃度の窒素が存在することが好ましい。
【００１２】
また、本発明に係る不揮発性半導体装置の製造方法において、前記トップ酸化膜を形成する工程の後に、前記トップ酸化膜上に導電膜を形成し、前記導電膜をパターニングすることにより、前記トップ酸化膜上に前記導電膜からなるゲート電極を形成する工程をさらに具備することも可能である。
また、本発明に係る不揮発性半導体装置の製造方法においては、前記ゲート電極を形成する工程の後に、前記ゲート電極の両側下の前記半導体基板にソース及びドレイン領域を形成する工程をさらに具備することも可能である。
【００１３】
本発明に係る不揮発性半導体装置は、半導体基板上に形成されたボトム絶縁膜と、
前記ボトム絶縁膜上に形成された窒化膜と、
前記窒化膜上に形成されたトップ酸化膜と、
を具備する不揮発性半導体装置において、
前記半導体基板は、該半導体基板の表面に窒素と酸素を有する雰囲気で熱処理が行われたものである。
【００１４】
本発明に係る不揮発性半導体装置は、半導体基板上に形成されたボトム絶縁膜と、
前記ボトム絶縁膜上に形成された窒化膜と、
前記窒化膜上に形成されたトップ酸化膜と、
を具備する不揮発性半導体装置において、
前記ボトム絶縁膜はプラズマ窒化処理が行われたものである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
（実施の形態１）
図１乃至図４は、本発明の実施の形態１による不揮発性半導体装置の製造方法を示す断面図である。この不揮発性半導体装置はＭＯＮＯＳ型のフラッシュメモリである。
【００１６】
まず、図１（Ａ）に示すように、Ｐ型のシリコン基板１の表面に熱酸化法によりシリコン酸化膜からなるパッド酸化膜３を形成する。次いで、このパッド酸化膜３の上にＣＶＤ（chemical vapor deposition）法によりシリコン窒化膜４を形成する。次いで、このシリコン窒化膜４の上にフォトレジスト膜（図示せず）を塗布し、このフォトレジスト膜を露光、現像することにより、シリコン窒化膜４上にはレジストパターンが形成される。
【００１７】
次いで、このレジストパターンをマスクとしてシリコン窒化膜４をエッチングすることにより、シリコン窒化膜４において素子分離領域が開孔される。次いで、前記レジストパターンを除去し、シリコン窒化膜４を耐酸化マスクとしてシリコン基板１の表面を熱酸化する。このようにしてＰ型のシリコン基板１に対してＬＯＣＯＳ法によりシリコン酸化膜からなる素子分離絶縁膜２ａ，２ｂを形成する。
【００１８】
この後、図１（Ｂ）に示すように、熱燐酸を用いてシリコン窒化膜４を除去し、さらにフッ酸緩衝液によりパッド酸化膜３をエッチング除去する。次いで、シリコン基板１の表面に犠牲酸化膜５を熱酸化法により形成する。
次に、図１（Ｃ）に示すように、シリコン基板１の全面をライトエッチングすることにより犠牲酸化膜５を除去する。この犠牲酸化膜５の形成と除去は、この後の工程で形成するメモリ絶縁膜の信頼性を向上するために行うものである。
【００１９】
次に、図２（Ｄ）に示すように、シリコン基板１の表面にＮＯアニールを施す。すなわち、シリコン基板１の表面にＮＯガス雰囲気（窒素と酸素を有するガス雰囲気）、９００〜１１５０℃の温度、好ましくは１０００℃より高く１１５０℃以下の温度、より好ましくは１１５０℃の温度、７４０Ｔｏｒｒの圧力で２０秒程度のランプアニールによる熱処理を行う。
次いで、シリコン基板１の表面を１０００〜１１５０℃の温度、好ましくは１１００℃の温度、ドライ酸素雰囲気、７６０Ｔｏｒｒ程度の圧力で１２０秒程度熱酸化する。これにより、シリコン基板１の表面には膜厚が例えば２．５ｎｍ程度のシリコン窒化酸化膜からなるボトム絶縁膜６が形成される。
【００２０】
このボトム絶縁膜６の表面付近には１×１０２２ｃｍ−３程度の濃度の窒素が存在することになる。尚、ここでは熱酸化条件としてドライ酸化を用いているが、ウエット酸化を用いても良い。この場合は、例えば、ボトム絶縁膜６を６５０℃〜９００℃程度の温度、より好ましくは７５０℃〜８５０℃程度の温度で、ウエット酸化雰囲気の熱酸化により形成してもよい。また、ボトム絶縁膜６の希望の膜厚にあわせて熱酸化時間や温度を適宜変更しても良い。
【００２１】
この後、ボトム絶縁膜６の上に減圧ＣＶＤ（chemical vapor deposition）法により膜厚が例えば５．０ｎｍの窒化膜（Ｓｉ３Ｎ４）７を堆積する。この際、ボトム絶縁膜６の上部に窒素が存在するため、窒化膜の島状成長による堆積を抑制でき、緻密で耐酸化性の高い窒化膜７を形成することができる。
次いで、窒化膜７の上に膜厚が例えば４．０ｎｍのシリコン酸化膜からなるトップ酸化膜（ＨＴＯ）８を比較的高温で減圧ＣＶＤ法により形成する。このようにしてシリコン基板１の上にはＯＮＯ膜（ボトム絶縁膜−窒化膜−トップ酸化膜）が形成される。
【００２２】
次に、図２（Ｅ）に示すように、トップ酸化膜８を含む全面上にポリシリコン膜をＣＶＤ法により堆積する。次いで、このポリシリコン膜上にフォトレジスト膜（図示せず）を塗布し、このフォトレジスト膜を露光、現像することにより、ポリシリコン膜上にはレジストパターンが形成される。次いで、このレジストパターンをマスクとしてポリシリコン膜及びＯＮＯ膜をパターニングすることにより、ＯＮＯ膜上にはゲート電極１１が形成される。このようにしてシリコン基板１上には誘電体ゲート構造１２が作製される。
【００２３】
この後、図２（Ｆ）に示すように、誘電体ゲート構造１２をマスクとしてシリコン基板１に低濃度不純物１４をイオン注入する。これにより、シリコン基板のＬＤＤ(lightly doped drain)領域には低濃度不純物が導入される。
次に、図３（Ｇ）に示すように、誘電体ゲート構造１２を含む全面上にシリコン酸化膜をＣＶＤ法により堆積する。次いで、このシリコン酸化膜をエッチバックすることにより、誘電体ゲート構造１２の両側面にサイドウォール１５が形成される。
【００２４】
この後、誘電体ゲート構造１２及びサイドウォール１５をマスクとしてシリコン基板１に高濃度不純物をイオン注入し、熱処理を施して不純物を拡散させる。これにより、誘電体ゲート構造１２の両側面のシリコン基板１には高濃度不純物領域であるソース及びドレイン領域の拡散層１６，１７が形成され、その拡散層の内側には低濃度不純物領域であるＬＤＤ領域の拡散層２０，２１が形成される。
【００２５】
次に、図３（Ｈ）に示すように、誘電体ゲート構造１２を含む全面上にシリコン酸化膜からなる層間絶縁膜９をＣＶＤ法により堆積する。
この後、図３（Ｉ）に示すように、層間絶縁膜９の上にフォトレジスト膜を塗布し、このフォトレジスト膜を露光、現像することにより、層間絶縁膜９上にはソース及びドレイン領域の拡散層１６，１７の上方が開孔されたレジストパターン１０が形成される。
【００２６】
次いで、このレジストパターン１０をマスクとして層間絶縁膜９をエッチングすることにより、層間絶縁膜９にはソース及びドレイン領域の拡散層上に位置するコンタクトホール９ａ，９ｂが形成される。この際のエッチングは、例えばＣ２Ｆ６＋Ｈｅ＋ＣＨＦ３の混合気体をエッチングガスとして用いるドライエッチングにより行う。
【００２７】
この後、図４（Ｊ）に示すように、レジストパターン１０を除去し、コンタクトホール９ａ，９ｂ内及び層間絶縁膜９上にＡｌ合金膜１３をスパッタリングにより成膜する。
次に、図４（Ｋ）に示すように、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を用いてＡｌ合金膜１３をパターニングすることにより、コンタクトホール内及び層間絶縁膜上にはＡｌ合金配線１３ａ，１３ｂが形成される。Ａｌ合金配線１３ａ，１３ｂそれぞれはソース及びドレイン領域の拡散層１６，１７に電気的に接続される。このようにしてＭＯＮＯＳ型のフラッシュメモリが作製される。
【００２８】
上記の構造のＭＯＮＯＳ型のフラッシュメモリの動作について説明する。
メモリトランジスタ形成領域３において、ＯＮＯ膜は、窒化膜７中の電荷トラップや、窒化膜７とトップ酸化膜８の界面に形成された電荷トラップなどに電荷を保持する機能を持つ。ゲート電極１１、シリコン基板１中のソース及びドレイン領域の拡散層１６，１７及びシリコン基板１に適当な電圧を印加することにより、トンネル電流が生じ、ボトム絶縁膜６を通してシリコン基板１からＯＮＯ膜中に電子が注入され、上記の電圧によって形成される電界により伝導し、トラップ準位に捕獲される。あるいは逆に、ボトム絶縁膜６を通してＯＮＯ膜中からシリコン基板１へ電子が放出される。
【００２９】
上記実施の形態１によれば、窒化膜７を形成する際に、従来技術のようなアンモニア（ＮＨ３）雰囲気のアニール処理を行わないため、シリコン基板１とボトム絶縁膜６の界面に水素（Ｈ）が大量には存在しない。このように前記界面に水素（Ｈ）が大量には存在しないと、前記界面に浅い準位が形成されることもない。従って、リーク電流を抑制でき、蓄積電荷の放出による電荷保持特性を向上させることができる。
【００３０】
また、本実施の形態では、シリコン基板１の表面にＮＯアニールを施した後に、シリコン基板１の表面にボトム絶縁膜６を形成している。このため、ボトム絶縁膜を形成する際、ボトム絶縁膜６の上部に窒素（Ｎ）が存在するため、窒化膜の島状成長による堆積を抑制でき、緻密で耐酸化性の高い窒化膜７を形成することができる。
【００３１】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２による不揮発性半導体装置の製造方法において、実施の形態１による製造方法と同一部分の説明は省略し、異なる部分について説明する。
【００３２】
犠牲酸化膜５を除去する工程までは同様である。
その次に、シリコン基板１の表面を１０００〜１１５０℃の温度、好ましくは１１００℃の温度、ドライ酸素雰囲気、７６０Ｔｏｒｒ程度の圧力で１２０秒程度熱酸化する。これにより、シリコン基板１の表面にはシリコン酸化膜からなるボトム絶縁膜が形成される。尚、ここでは熱酸化条件としてドライ酸化を用いているが、ウエット酸化を用いても良い。
【００３３】
この後、ボトム絶縁膜にプラズマ窒化処理を行う。すなわち、室温〜４００℃の温度、好ましくは４００℃の温度、窒素とアルゴンを含むガス雰囲気、５００ｍ〜１０００ｍＴｏｒｒの圧力、好ましくは１０００ｍＴｏｒｒの圧力、パワー８００〜１２００Ｗで、ボトム絶縁膜にプラズマ窒化処理を行う。これにより、ボトム絶縁膜６がシリコン窒化酸化膜となり、ボトム絶縁膜６の表面付近には１×１０２２ｃｍ−３程度の濃度の窒素が存在することになる。尚、パワーはプラズマ装置によって適宜適切な値に設定することが好ましい。
【００３４】
次に、ボトム絶縁膜６の上に窒化膜（Ｓｉ３Ｎ４）７を堆積する。この際、ボトム絶縁膜６の上部に窒素が存在するため、窒化膜の島状成長による堆積を抑制でき、緻密で耐酸化性の高い窒化膜７を形成することができる。
この後の工程は実施の形態１と同様である。
【００３５】
上記実施の形態２においても実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
すなわち、窒化膜７を形成する際に、従来技術のようなアンモニア（ＮＨ３）雰囲気のアニール処理を行わないため、シリコン基板１とボトム絶縁膜６の界面に水素（Ｈ）が大量には存在しない。このように前記界面に水素（Ｈ）が大量には存在しないと、前記界面に浅い準位が形成されることもない。従って、リーク電流を抑制でき、蓄積電荷の放出による電荷保持特性を向上させることができる。
【００３６】
また、本実施の形態では、ボトム絶縁膜の表面にプラズマ窒化処理を施しているため、ボトム絶縁膜６の上部に窒素（Ｎ）が存在する。従って、窒化膜の島状成長による堆積を抑制でき、緻密で耐酸化性の高い窒化膜７を形成することができる。
尚、本発明は上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施の形態１による不揮発性半導体装置の製造方法を示す断面図。
【図２】本発明の実施の形態１による不揮発性半導体装置の製造方法を示す断面図。
【図３】本発明の実施の形態１による不揮発性半導体装置の製造方法を示す断面図。
【図４】本発明の実施の形態１による不揮発性半導体装置の製造方法を示す断面図。
【符号の説明】
【００３８】
１…シリコン基板、２ａ，２ｂ…素子分離絶縁膜、３…パッド酸化膜、４…シリコン窒化膜、５…犠牲酸化膜、６…ボトム絶縁膜、７…窒化膜、８…トップ酸化膜、９…層間絶縁膜、９ａ，９ｂ…コンタクトホール、１０…レジストパターン、１１…ゲート電極、１２…誘電体ゲート構造、１３…Ａｌ合金膜、１３ａ，１３ｂ…Ａｌ合金配線、１４…低濃度不純物、１５……サイドウォール、１６，１７…ソース及びドレイン領域、２０，２１…ＬＤＤ領域
【図１】
2005116748.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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