專利名稱：半導(dǎo)體裝置及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體裝置及其制造方法，特別涉及MOS(metal-oxidesemiconductor)晶體管的柵極絕緣膜及其形成方法。
背景技術(shù)：
在作為代表性的MOS型設(shè)備的MOS晶體管當(dāng)中的CMOS(complementary MOS)晶體管等中，在1個(gè)半導(dǎo)體基板上形成被要求具有相對(duì)較薄的膜厚的柵極絕緣膜的高速驅(qū)動(dòng)用晶體管、被要求具有相對(duì)較厚的柵極絕緣膜的高耐壓用晶體管(處理比較高電壓的輸入輸出信號(hào)的晶體管)。對(duì)于所述的高速驅(qū)動(dòng)用晶體管的柵極絕緣膜，要求1～3nm左右的膜厚，并且強(qiáng)烈要求高耐絕緣破壞可靠性和低漏電流性。
在CMOS晶體管中，采用如下的雙柵極構(gòu)造，即，在p型晶體管的柵電極中將B(硼)作為摻雜劑而使用p導(dǎo)電型，并且在n型晶體管的柵電極中將P(磷)作為摻雜劑而使用n導(dǎo)電型。此時(shí)，由于作為p型摻雜劑的B與作為n型摻雜劑的P相比擴(kuò)散系數(shù)更大，因此利用晶體管形成時(shí)及晶體管形成后的熱處理等，B在高速驅(qū)動(dòng)用晶體管的柵極絕緣膜中擴(kuò)散而到達(dá)通道區(qū)域。此種B的擴(kuò)散現(xiàn)象被稱為「滲出」，導(dǎo)致晶體管的閾值電壓的大幅度的變動(dòng)。另外，該B的滲出會(huì)隨著柵極絕緣膜的薄膜化的加劇而變得顯著，在柵極絕緣膜中使用SiO2(二氧化硅)的情況下會(huì)變得特別顯著。另外，柵極絕緣膜的薄膜化會(huì)導(dǎo)致柵極漏電流的增大。具體來說，在作為柵極絕緣膜使用3nm以下的SiO2膜的情況下，直接隧道電流會(huì)變?yōu)橹湫缘模浣Y(jié)果是，柵極漏電流的增大變得特別顯著。
如上所述，當(dāng)在高速驅(qū)動(dòng)用晶體管的薄的柵極絕緣膜中使用SiO2膜時(shí)，則無法抑制B的滲出及柵極漏電流的增大。
所以，作為柵極絕緣膜，就需要使用導(dǎo)入了氮的氧氮化膜(硅氧氮化膜)(參照特開2003-347423號(hào)公報(bào))。
圖7(a)～(d)及圖8(a)～(d)是表示為了在柵極絕緣膜中導(dǎo)入氮而使用了熱氧氮化的以往的半導(dǎo)體裝置(CMOS晶體管)的制造方法的各工序的剖面圖。
首先，如圖7(a)所示，通過將形成了第1p型阱101、第1n型阱102、第2p型阱103及第2n型阱104的半導(dǎo)體基板100熱氧化，在各阱101～104上形成第1絕緣膜106。這里，在半導(dǎo)體基板100的各阱101～104之間設(shè)有元件分離部105。
然后，如圖7(b)所示，在形成于第1p型阱101及第1n型阱102的各自之上的第1絕緣膜106上形成了第1光刻膠膜107后，將該第1光刻膠膜107作為掩模，利用濕式蝕刻，將形成于第2p型阱103及第2n型阱104的各自之上的第1絕緣膜106選擇性地除去。換言之，殘留分別形成于第1p型阱101及第1n型阱102之上的第1絕緣膜106。
然后，如圖7(c)所示，在NO(一氧化氮)氣體或N2O(亞氧化氮(一氧化二氮))氣體等含有氮的氣氛中對(duì)半導(dǎo)體基板100進(jìn)行熱處理。這樣，在第1p型阱101及第1n型阱102的各自之上，就形成含有第1絕緣膜106的第1柵極絕緣膜109。第1柵極絕緣膜109在與半導(dǎo)體基板100的界面上具有存在氮濃度峰值的氮化區(qū)域108。另外，在第2p型阱103及第2n型阱104的各自之上，形成有具有比第1柵極絕緣膜109更薄的膜厚的第2柵極絕緣膜110。與第1柵極絕緣膜109相同，第2柵極絕緣膜110在與半導(dǎo)體基板100的界面上，也具有存在氮濃度峰值的氮化區(qū)域108。
而且，本申請(qǐng)中，所謂氮化區(qū)域是指氮濃度峰值附近的氮濃度相對(duì)較高的區(qū)域。
然后，如圖7(d)所示，在形成了第1柵極絕緣膜109及第2柵極絕緣膜110的半導(dǎo)體基板100上堆積硅膜111。其后，如圖8(a)所示，在形成了將形成于第1n型阱102及第2n型阱104的各自之上的硅膜111覆蓋的第2光刻膠膜112后，通過將第2光刻膠膜112作為掩模，向形成于第1p型阱101及第2p型阱103的各自之上的硅膜111中將n型雜質(zhì)選擇性地離子注入，形成n型硅膜113。
然后，如圖8(b)所示，在形成了將形成于第1p型阱101及第2p型阱103的各自之上的硅膜111覆蓋的第3光刻膠膜114后，通過將第3光刻膠膜114作為掩模，向形成于第1n型阱102及第2n型阱104的各自之上的硅膜111中將p型雜質(zhì)選擇性地離子注入，形成p型硅膜115。
然后，如圖8(c)所示，通過將n型硅膜113及p型硅膜115分別圖案處理為柵電極形狀，在第1p型阱101及第2p型阱103的各自之上，形成由n型硅膜制成的n型導(dǎo)體片(第1n型柵電極116及第2n型柵電極118)，并且，在第1n型阱102及第2n型阱104的各自之上，形成由p型硅膜制成的p型導(dǎo)體片(第1p型柵電極117及第2p型柵電極119)。而且，在第1n型柵電極116及第1p型柵電極117的各自與半導(dǎo)體基板100之間，夾隔有第1柵極絕緣膜109，在第2n型柵電極118及第2p型柵電極119的各自與半導(dǎo)體基板100之間，夾隔有第2柵極絕緣膜110。
然后，如圖8(d)所示，在第1p型阱101的第1n型柵電極116的兩側(cè)及第2p型阱103的第2n型柵電極118的兩側(cè)，分別形成由n型雜質(zhì)層構(gòu)成的源·漏區(qū)域120，并且在第1n型阱102的第1p型柵電極117的兩側(cè)及第2n型阱104的第2p型柵電極119的兩側(cè)，分別形成由p型雜質(zhì)層構(gòu)成的源·漏區(qū)域121。
圖9(a)～(d)、圖10(a)～(c)及圖11(a)、(b)是表示為了向柵極絕緣膜中導(dǎo)入氮而使用了等離子氮化的以往的半導(dǎo)體裝置(CMOS晶體管)的制造方法的各工序的剖面圖。
首先，如圖9(a)所示，通過將形成了第1n型阱201、第1p型阱202、第2p型阱203及第2n型阱204的半導(dǎo)體基板200熱氧化，在各阱201～204上形成第1絕緣膜206。這里，在半導(dǎo)體基板200的各阱201～204之間設(shè)有元件分離部205。
然后，如圖9(b)所示，在形成于第1p型阱201及第1n型阱202的各自之上的第1絕緣膜206上形成了第1光刻膠膜207后，將該第1光刻膠膜207作為掩模，利用濕式蝕刻，將形成于第2p型阱203及第2n型阱204的各自之上的第1絕緣膜206選擇性地除去。換言之，殘留分別形成于第1p型阱201及第1n型阱202之上的第1絕緣膜206。
然后，如圖9(c)所示，通過將半導(dǎo)體基板200熱氧化，在第1p型阱201及第1n型阱202的各自之上，形成含有第1絕緣膜206的第2絕緣膜208，并且在第2p型阱203及第2n型阱204的各自之上，形成具有比第2絕緣膜208更薄的膜厚的第3絕緣膜209。
然后，如圖9(d)所示，將形成于第1p型阱201及第1n型阱202的各自之上的第2絕緣膜208、形成于第2p型阱203及第2n型阱204的各自之上的第3絕緣膜209全面暴露在氮等離子體中。這樣，就在第1p型阱201及第1n型阱202的各自之上形成第1柵極絕緣膜211，并且在第2p型阱203及第2n型阱204的各自之上形成具有比第1柵極絕緣膜210更薄的膜厚的第2柵極絕緣膜212。第1柵極絕緣膜211及第2柵極絕緣膜212在各自的表面部上具有存在氮濃度峰值的氮化區(qū)域210。
然后，如圖10(a)所示，在形成了第1柵極絕緣膜211及第2柵極絕緣膜212的半導(dǎo)體基板200上堆積硅膜213。其后，如圖10(b)所示，在形成了將形成于第1n型阱202及第2n型阱204的各自之上的硅膜213覆蓋的第2光刻膠膜214后，通過將第2光刻膠膜214作為掩模，向形成于第1p型阱201及第2p型阱203的各自之上的硅膜213中將n型雜質(zhì)選擇性地離子注入，形成n型硅膜215。
然后，如圖10(c)所示，在形成了將形成于第1p型阱201及第2p型阱203的各自之上的硅膜213覆蓋的第3光刻膠膜216后，通過將第3光刻膠膜216作為掩模，向形成于第1n型阱202及第2n型阱204的各自之上的硅膜213中將p型雜質(zhì)選擇性地離子注入，形成p型硅膜217。
然后，如圖11(a)所示，通過將n型硅膜215及p型硅膜217分別圖案處理為柵電極形狀，在第1p型阱201及第2p型阱203的各自之上，形成由n型硅膜制成的n型導(dǎo)體片(第1n型柵電極218及第2n型柵電極220)，并且，在第1n型阱202及第2n型阱204的各自之上，形成由p型硅膜制成的p型導(dǎo)體片(第1p型柵電極219及第2p型柵電極221)。而且，在第1n型柵電極218及第1p型柵電極219的各自與半導(dǎo)體基板200之間，夾隔有第1柵極絕緣膜211，在第2n型柵電極220及第2p型柵電極221的各自與半導(dǎo)體基板200之間，夾隔有第2柵極絕緣膜212。
然后，如圖11(b)所示，在第1p型阱201的第1n型柵電極218的兩側(cè)及第2p型阱203的第2n型柵電極220的兩側(cè)，分別形成由n型雜質(zhì)層構(gòu)成的源·漏區(qū)域222，并且在第1n型阱202的第1p型柵電極219的兩側(cè)及第2n型阱204的第2p型柵電極221的兩側(cè)，分別形成由p型雜質(zhì)層構(gòu)成的源·漏區(qū)域223。
下面，將對(duì)本申請(qǐng)發(fā)明人調(diào)查的利用在柵極絕緣膜的氮導(dǎo)入中使用了熱氧氮化的以往的半導(dǎo)體裝置(CMOS晶體管)的制造方法形成的CMOS晶體管中的各晶體管的柵極絕緣膜的特性的結(jié)果進(jìn)行說明。
圖12(a)～(d)是表示利用在柵極絕緣膜的氮導(dǎo)入中使用了熱氧氮化的以往的半導(dǎo)體裝置(CMOS晶體管)的制造方法形成的CMOS晶體管中的處理輸入輸出信號(hào)的高耐壓用的n溝道型MOS晶體管及p溝道型MOS晶體管的各自的較厚的柵極絕緣膜(圖8(d)中所示的設(shè)于第1n型柵電極116及第1p型柵電極117的各自與半導(dǎo)體基板100之間的第1柵極絕緣膜109)的氮分布以及高速驅(qū)動(dòng)用的n溝道型MOS晶體管及p溝道型MOS晶體管的各自的較薄的柵極絕緣膜(圖8(d)中所示的設(shè)于第2n型柵電極118及第2p型柵電極119的各自與半導(dǎo)體基板100之間的第2柵極絕緣膜110)的氮分布的圖。
而且，在圖12(a)～(d)中，橫軸表示MOS構(gòu)造的高度方向的位置，縱軸以對(duì)數(shù)表示氮濃度。
如圖12(a)所示，在高耐壓用的n溝道型MOS晶體管的較厚的柵極絕緣膜(設(shè)于第1n型柵電極116和半導(dǎo)體基板100之間的第1柵極絕緣膜109)中，由于存在于與半導(dǎo)體基板100的界面上的氮(氮化區(qū)域108)形成很多容易捕獲固定電荷或空穴的能級(jí)，因此對(duì)于熱載流子的可靠性提高。而且，一般來說，對(duì)于對(duì)熱載流子的可靠性的惡化，已知在具有較厚的柵極絕緣膜并且處理輸入輸出信號(hào)的高耐壓用晶體管中，與具有較薄的柵極絕緣膜的高速驅(qū)動(dòng)用晶體管相比更為顯著，以及在n溝道型MOS晶體管中與p溝道型MOS晶體管相比更為顯著。
另一方面，如圖12(b)所示，在高耐壓用的p溝道型MOS晶體管的較厚的柵極絕緣膜(設(shè)于第1p型柵電極117和半導(dǎo)體基板100之間的第1柵極絕緣膜109)中，存在于與半導(dǎo)體基板100的界面上的氮(氮化區(qū)域108)形成很多固定電荷，結(jié)果就使對(duì)于NBTI(Negative-Bias-Temperatrue-Instability)的可靠性惡化。
另外，如圖12(c)所示，在高速驅(qū)動(dòng)用的n溝道型MOS晶體管的較薄的柵極絕緣膜(設(shè)于第2n型柵電極118和半導(dǎo)體基板100之間的第2柵極絕緣膜110)中，由于在半導(dǎo)體基板100和柵極絕緣膜的界面上存在氮(氮化區(qū)域108)，因而與SiO2膜相比就可以進(jìn)一步抑制漏電流。
另外，如圖12(d)所示，在高速驅(qū)動(dòng)用的p溝道型MOS晶體管的較薄的柵極絕緣膜(設(shè)于第2p型柵電極119和半導(dǎo)體基板100之間的第2柵極絕緣膜110)中，由于在半導(dǎo)體基板100和柵極絕緣膜的界面上存在氮(氮化區(qū)域108)，因此與SiO2膜相比就可以進(jìn)一步抑制漏電流，并且可以提高對(duì)來自柵電極中的B(硼)的滲出的耐受性。但是，與高耐壓用的p溝道型MOS晶體管的較厚的柵極絕緣膜的情況(參照?qǐng)D12(b))相同，存在于與半導(dǎo)體基板100的界面上的氮形成很多固定電荷，結(jié)果使對(duì)NBTI的可靠性惡化。
下面，對(duì)本申請(qǐng)發(fā)明人調(diào)查利用在柵極絕緣膜的氮導(dǎo)入中使用了等離子體氮化的以往的半導(dǎo)體裝置(COMS晶體管)的制造方法形成的CMOS晶體管中的各晶體管的柵極絕緣膜的特性的結(jié)果進(jìn)行說明。
圖13(a)～(d)是表示利用在柵極絕緣膜的氮導(dǎo)入中使用了等離子體氮化的以往的半導(dǎo)體裝置(CMOS晶體管)的制造方法形成的CMOS晶體管中的處理輸入輸出信號(hào)的高耐壓用的n溝道型MOS晶體管及p溝道型MOS晶體管的各自的較厚的柵極絕緣膜(圖11(b)中所示的設(shè)于第1n型柵電極218及第1p型柵電極219的各自與半導(dǎo)體基板200之間的第1柵極絕緣膜211)的氮分布以及高速驅(qū)動(dòng)用的n溝道型MOS晶體管及p溝道型MOS晶體管的各自的較薄的柵極絕緣膜(圖11(b)中所示的設(shè)于第2n型柵電極220及第2p型柵電極221的各自與半導(dǎo)體基板200之間的第2柵極絕緣膜212)的氮分布的圖。
而且，在圖13(a)～(d)中，橫軸表示MOS構(gòu)造的高度方向的位置，縱軸以對(duì)數(shù)表示氮濃度。
如圖13(a)所示，在高耐壓用的n溝道型MOS晶體管的較厚的柵極絕緣膜(設(shè)于第1n型柵電極218和半導(dǎo)體基板200之間的第1柵極絕緣膜211)中，在柵電極的附近存在氮(氮化區(qū)域210)。換言之，在與半導(dǎo)體基板200的界面上不存在氮。由此，由于無法利用存在于與半導(dǎo)體基板200的界面上的氮形成容易捕獲固定電荷或空穴的能級(jí)，因此對(duì)熱載流子的可靠性惡化。
另一方面，如圖13(b)所示，在高耐壓用的p溝道型MOS晶體管的較厚的柵極絕緣膜(設(shè)于第1p型柵電極219和半導(dǎo)體基板200之間的第1柵極絕緣膜211)中，在柵電極的附近存在氮(氮化區(qū)域210)。即，由于在與半導(dǎo)體基板200的界面上不存在氮，因此可以減少固定電荷，這樣就使對(duì)NBTI的可靠性提高。
另外，如圖13(c)所示，在高速驅(qū)動(dòng)用的n溝道型MOS晶體管的較薄的柵極絕緣膜(設(shè)于第2n型柵電極220和半導(dǎo)體基板200之間的第2柵極絕緣膜212)中，由于在柵電極的附近存在氮(氮化區(qū)域210)，因而與SiO2膜相比就可以進(jìn)一步抑制漏電流。
另外，如圖13(d)所示，在高速驅(qū)動(dòng)用的p溝道型MOS晶體管的較薄的柵極絕緣膜(設(shè)于第2p型柵電極221和半導(dǎo)體基板200之間的第2柵極絕緣膜212)中，由于在柵電極的附近存在氮(氮化區(qū)域108)，因此與SiO2膜相比就可以進(jìn)一步抑制漏電流，并且可以提高對(duì)來自柵電極中的B(硼)的滲出的耐受性。另外，與高耐壓用的p溝道型MOS晶體管的較厚的柵極絕緣膜的情況(參照?qǐng)D13(b))相同，由于在與半導(dǎo)體基板200的界面上不存在氮，因此就可以減少固定電荷，這樣就可以提高對(duì)NBTI的可靠性。
如上說明所示，在柵極絕緣膜的氮導(dǎo)入中使用了熱氧氮化的以往技術(shù)中，有高耐壓用及高速驅(qū)動(dòng)用的各自的p溝道型MOS晶體管中的對(duì)NBTI的可靠性惡化的問題，而在柵極絕緣膜的氮導(dǎo)入中使用了等離子體氮化的以往技術(shù)中，有高耐壓用的n溝道型MOS晶體管中的對(duì)熱載流子的可靠性惡化的問題。即，在利用以往的熱氧氮化或等離子體氮化制造的半導(dǎo)體裝置中，高耐壓用的n溝道型MOS晶體管中的對(duì)熱載流子的可靠性和高耐壓用及高速驅(qū)動(dòng)用的各自的p溝道型MOS晶體管中的對(duì)NBTI的可靠性相互處于折衷關(guān)系，無法同時(shí)使兩者滿足。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于所述情況，本發(fā)明的目的在于，在CMOS晶體管等搭載了多電源的MOS晶體管的半導(dǎo)體裝置中同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)熱載流子的可靠性和對(duì)NBTI的可靠性。
為了達(dá)成所述目的，本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置具備形成于半導(dǎo)體基板的第1n溝道型MOS晶體管形成區(qū)域之上的含有氮的第1柵極絕緣膜、形成于半導(dǎo)體基板的第1p溝道型MOS晶體管形成區(qū)域之上的含有氮的第2柵極絕緣膜、形成于半導(dǎo)體基板的第2n溝道型MOS晶體管形成區(qū)域之上的含有氮的第3柵極絕緣膜、形成于半導(dǎo)體基板的第2p溝道型MOS晶體管形成區(qū)域之上的含有氮的第4柵極絕緣膜，第3柵極絕緣膜的膜厚及第4柵極絕緣膜的膜厚分別比第1柵極絕緣膜的膜厚及所述第2柵極絕緣膜的膜厚更薄，第1柵極絕緣膜在與半導(dǎo)體基板的界面上具有氮濃度峰值，第2柵極絕緣膜、第3柵極絕緣膜及第4柵極絕緣膜僅在形成于各自之上的柵電極的附近具有氮濃度峰值。
即，本發(fā)明的特征是，第1n溝道型MOS晶體管(高耐壓用的n溝道型MOS晶體管)的第1柵極絕緣膜(較厚的柵極絕緣膜)在與半導(dǎo)體基板的界面上具有氮濃度峰值，第1p溝道型MOS晶體管(高耐壓用的p溝道型MOS晶體管)的第2柵極絕緣膜(較厚的柵極絕緣膜)、第2n溝道型MOS晶體管(高速驅(qū)動(dòng)用的n溝道型MOS晶體管)的第3柵極絕緣膜(較薄的柵極絕緣膜)及第2p溝道型MOS晶體管(高速驅(qū)動(dòng)用p溝道型MOS晶體管)的第4柵極絕緣膜(較薄的柵極絕緣膜)各自僅在對(duì)應(yīng)的柵電極的附近具有氮濃度峰值。
而且，本申請(qǐng)中，在絕緣性基板上設(shè)有半導(dǎo)體層的構(gòu)造(SOI基板等)也稱為半導(dǎo)體基板。
在本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置中，第1柵極絕緣膜也可以在形成于其上的柵電極的附近具有其他的氮濃度峰值。
在本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置中，在第1柵極絕緣膜與半導(dǎo)體基板的界面上所具有的氮濃度峰值的濃度值優(yōu)選4atm％以上。
而且，當(dāng)?shù)?柵極絕緣膜在基板界面上所具有的氮濃度峰值過高時(shí)，具體來說，當(dāng)該氮濃度峰值的濃度值超過10atm％時(shí)，則由于晶體管的驅(qū)動(dòng)力降低，因此該氮濃度峰值的濃度值優(yōu)選10atm％以下。
本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置中，第2柵極絕緣膜、第3柵極絕緣膜及第4柵極絕緣膜所對(duì)應(yīng)的柵電極的附近所具有的氮濃度峰值的濃度值優(yōu)選8atm％以上。
而且，雖然第2～第4柵極絕緣膜所對(duì)應(yīng)的柵電極的附近所具有的氮濃度峰值越高越好，但是根據(jù)現(xiàn)在所使用的氮化技術(shù)(例如等離子體氮化等)的性能，該氮濃度峰值的濃度值的上限為20atm％左右。
本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置中，第2柵極絕緣膜、第3柵極絕緣膜及第4柵極絕緣膜所對(duì)應(yīng)的柵電極的附近所具有的氮濃度峰值最好從與該對(duì)應(yīng)的柵電極的界面開始存在于1nm以下的范圍中。
本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置中，第2柵極絕緣膜及第4柵極絕緣膜各自的與半導(dǎo)體基板的界面的氮濃度優(yōu)選3atm％以下。
本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置中，形成于第1柵極絕緣膜及第3柵極絕緣膜的各自之上的柵電極也可以包括n型多晶硅膜，形成于第2柵極絕緣膜及第4柵極絕緣膜的各自之上的柵電極也可以包括p型多晶硅膜。
本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的制造方法具備通過將設(shè)置了第1p型半導(dǎo)體區(qū)域、第1n型半導(dǎo)體區(qū)域、第2p型半導(dǎo)體區(qū)域及第2n型半導(dǎo)體區(qū)域的半導(dǎo)體基板氧化而在各區(qū)域上形成第1絕緣膜的工序(a)、通過在含有氮的氣氛中對(duì)第1絕緣膜進(jìn)行熱氧氮化處理而在各區(qū)域上形成在與半導(dǎo)體基板的界面上具有氮濃度峰值的第2絕緣膜的工序(b)、通過將形成于第1n型半導(dǎo)體區(qū)域、第2p型半導(dǎo)體區(qū)域及第2n型半導(dǎo)體區(qū)域的各自之上的第2絕緣膜選擇性地除去而僅在第1p型半導(dǎo)體區(qū)域上殘留第2絕緣膜的工序(c)、通過在抑制殘存于第1p型半導(dǎo)體區(qū)域上的第2絕緣膜的膜厚的增加的同時(shí)將半導(dǎo)體基板氧化而在第1n型半導(dǎo)體區(qū)域、第2p型半導(dǎo)體區(qū)域及第2n型半導(dǎo)體區(qū)域的各自之上形成第3絕緣膜的工序(d)、通過將形成于第2p型半導(dǎo)體區(qū)域及第2n型半導(dǎo)體區(qū)域的各自之上的第3絕緣膜選擇性地除去而使第3絕緣膜僅殘存于第1n型半導(dǎo)體區(qū)域之上并且使第1p型半導(dǎo)體區(qū)域上的第2絕緣膜殘留的工序(e)、通過在抑制殘存于第1p型半導(dǎo)體區(qū)域上的第2絕緣膜的膜厚的增加及殘存于第1n型半導(dǎo)體區(qū)域上的第3絕緣膜的膜厚的增加的同時(shí)將半導(dǎo)體基板氧化而在第2p型半導(dǎo)體區(qū)域及第2n型半導(dǎo)體區(qū)域的各自之上形成具有比第2絕緣膜的膜厚及第3絕緣膜的膜厚更小的膜厚的第4絕緣膜的工序(f)、通過將第1p型半導(dǎo)體區(qū)域上的第2絕緣膜、第1n型半導(dǎo)體區(qū)域上的第3絕緣膜以及第2p型半導(dǎo)體區(qū)域及第2n型半導(dǎo)體區(qū)域的各自之上的第4絕緣膜暴露在氮等離子體中而在第1p型半導(dǎo)體區(qū)域上形成成為第1n溝道型MOS晶體管的柵極絕緣膜(第1柵極絕緣膜)的并且在其表面部及與半導(dǎo)體基板的界面上分別具有氮濃度峰值的第5絕緣膜、在第1n型半導(dǎo)體區(qū)域上形成成為第1p溝道型MOS晶體管的柵極絕緣膜(第2柵極絕緣膜)的并且僅在其表面部上具有氮濃度峰值的第6絕緣膜、在第2p型半導(dǎo)體區(qū)域及第2n型半導(dǎo)體區(qū)域的各自之上形成成為第2n溝道型MOS晶體管的柵極絕緣膜(第3柵極絕緣膜)及第2p溝道型MOS晶體管的柵極絕緣膜(第4柵極絕緣膜)的并且僅在其表面部上具有氮濃度峰值的第7絕緣膜的工序(g)，第7絕緣膜具有比第5絕緣膜的膜厚及第6絕緣膜的膜厚更小的膜厚。即，本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的制造方法是用于制造本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的方法。
本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的制造方法中，最好在工序(d)中，按照使第2絕緣膜的膜厚和第3絕緣膜的膜厚同等的方式將半導(dǎo)體基板氧化。
本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的制造方法中，也可以在工序(g)之后，還具備在半導(dǎo)體基板上堆積硅膜的工序(h)、通過向第1p型半導(dǎo)體區(qū)域及第2p型半導(dǎo)體區(qū)域的各自之上的硅膜中選擇性地導(dǎo)入n型雜質(zhì)而在第1p型半導(dǎo)體區(qū)域及第2p型半導(dǎo)體區(qū)域的各自之上形成n型硅膜的工序(i)、通過向第1n型半導(dǎo)體區(qū)域及第2n型半導(dǎo)體區(qū)域的各自之上的硅膜中選擇性地導(dǎo)入p型雜質(zhì)而在第1n型半導(dǎo)體區(qū)域及第2n型半導(dǎo)體區(qū)域的各自之上形成p型硅膜的工序(j)、通過對(duì)n型硅膜及p型硅膜分別圖案處理而在第1p型半導(dǎo)體區(qū)域上夾隔第5絕緣膜形成第1n型柵電極，在第1n型半導(dǎo)體區(qū)域上夾隔第6絕緣膜形成第1p型柵電極，在第2p型半導(dǎo)體區(qū)域及第2n型半導(dǎo)體區(qū)域的各自之上夾隔第7絕緣膜形成第2n型柵電極及第2p型柵電極的工序(k)、通過在第1p型半導(dǎo)體區(qū)域的第1n型柵電極的兩側(cè)及第2p型半導(dǎo)體區(qū)域的第2n型柵電極的兩側(cè)分別形成成為源區(qū)域及漏區(qū)域的n型雜質(zhì)層并且在第1n型半導(dǎo)體區(qū)域的第1p型柵電極的兩側(cè)及第2n型半導(dǎo)體區(qū)域的第2p型柵電極的兩側(cè)分別形成成為源區(qū)域及漏區(qū)域的p型雜質(zhì)層而在第1p型半導(dǎo)體區(qū)域上形成第1n溝道型MOS晶體管，在第2p型半導(dǎo)體區(qū)域上形成第2n溝道型MOS晶體管，在第2n型半導(dǎo)體區(qū)域上形成第2p溝道型MOS晶體管的工序(I)。這里，對(duì)于工序(i)及工序(j)，先進(jìn)行任意一個(gè)工序都可以。
在本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的制造方法中，最好在工序(b)中，使用單張紙式的燈熱處理裝置，在含有一氧化氮或一氧化二氮的氣氛中對(duì)第1絕緣膜進(jìn)行熱氧氮化處理。
在本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的制造方法中，在工序(d)及工序(f)當(dāng)中的至少一方的工序中，最好使用單張紙式的燈熱處理裝置，將該裝置的小室內(nèi)保持2667Pa以下的壓力并且向該小室內(nèi)導(dǎo)入氫氣及氧氣，利用被該裝置加熱了的半導(dǎo)體基板表面的熱使氫氣和氧氣反應(yīng)，利用由其生成的氧活性基將半導(dǎo)體基板氧化。
根據(jù)本發(fā)明，可以獲得如下的效果。即，在第1n溝道型MOS晶體管(高耐壓用的n溝道型MOS晶體管)的第1柵極絕緣膜(厚的柵極絕緣膜)中，由于存在于與半導(dǎo)體基板的界面上的氮形成很多容易捕獲固定電荷或空穴的能級(jí)，因此對(duì)熱載流子的可靠性提高。另外，在第1p溝道型MOS晶體管(高耐壓用的p溝道型MOS晶體管)的第2柵極絕緣膜(厚的柵極絕緣膜)中，由于僅在柵電極的附近存在氮，換言之，由于在與半導(dǎo)體基板的界面上不存在氮，因此就可以減少固定電荷，由此就使對(duì)NBTI的可靠性提高。另外，在第2n溝道型MOS晶體管(高速驅(qū)動(dòng)用的n溝道型MOS晶體管)的第3柵極絕緣膜(薄的柵極絕緣膜)中，因在柵電極的附近存在氮，因而與SiO2膜相比就可以進(jìn)一步抑制漏電流。另外，在第2p溝道型MOS晶體管(高速驅(qū)動(dòng)用的p溝道型MOS晶體管)的第4柵極絕緣膜(薄的柵極絕緣膜)中，因在柵電極的附近存在氮，因而與SiO2膜相比就可以進(jìn)一步抑制漏電流，并且可以提高對(duì)來自柵電極的B的滲出的耐受性。另外，與第1p溝道型MOS晶體管(高耐壓用的p溝道型MOS晶體管)的第2柵極絕緣膜(厚的柵極絕緣膜)的情況相同，由于在與半導(dǎo)體基板的界面上不存在氮，因而就可以減少固定電荷，由此就可以提高對(duì)NBTI的可靠性。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，可以使高耐壓用的n溝道型MOS晶體管的對(duì)熱載流子的可靠性、高耐壓用及高速驅(qū)動(dòng)用的各自的p溝道型MOS晶體管的對(duì)NBTI的可靠性雙方都提高。另外，在高速驅(qū)動(dòng)用的MOS晶體管的薄的柵極絕緣膜中，還可以抑制漏電流，并且進(jìn)一步可以提高B的滲出耐受性。


圖1(a)～(d)是表示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置的制造方法的各工序的剖面圖。
圖2(a)～(d)是表示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置的制造方法的各工序的剖面圖。
圖3(a)～(d)是表示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置的制造方法的各工序的剖面圖。
圖4是用于說明本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置的制造方法的一個(gè)工序的利用氧活性基的氧化的圖，是將對(duì)厚度為4.5nm的氧氮化膜(SiON膜)進(jìn)行利用氧活性基的氧化時(shí)的膜厚的變化與利用該氧化而新形成于半導(dǎo)體基板上的SiO2膜的膜厚一起表示的圖。
圖5是用于說明本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置的制造方法的一個(gè)工序的利用氧活性基的氧化的圖，是將對(duì)厚度為7.5nm的氧氮化膜(SiON膜)進(jìn)行利用氧活性基的氧化時(shí)的膜厚的變化與利用該氧化而新形成于半導(dǎo)體基板上的SiO2膜的膜厚一起表示的圖。
圖6(a)～(d)是表示利用本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置的制造方法形成的CMOS晶體管的處理輸入輸出信號(hào)的高耐壓用的n溝道型MOS晶體管的厚的柵極絕緣膜的氮分布、處理輸入輸出信號(hào)的高耐壓用的p溝道型MOS晶體管的厚的柵極絕緣膜的氮分布以及高速驅(qū)動(dòng)用的n溝道型MOS晶體管及p溝道型MOS晶體管的各自的薄的柵極絕緣膜的氮分布的圖。
圖7(a)～(d)是表示為了在柵極絕緣膜中導(dǎo)入氮而使用了熱氧氮化的以往的半導(dǎo)體裝置(CMOS晶體管)的制造方法的各工序的剖面圖。
圖8(a)～(d)是表示為了在柵極絕緣膜中導(dǎo)入氮而使用了熱氧氮化的以往的半導(dǎo)體裝置(CMOS晶體管)的制造方法的各工序的剖面圖。
圖9(a)～(d)是表示為了在柵極絕緣膜中導(dǎo)入氮而使用了等離子體氮化的以往的半導(dǎo)體裝置(CMOS晶體管)的制造方法的各工序的剖面圖。
圖10(a)～(c)是表示為了在柵極絕緣膜中導(dǎo)入氮而使用了等離子體氮化的以往的半導(dǎo)體裝置(CMOS晶體管)的制造方法的各工序的剖面圖。
圖11(a)～(b)是表示為了在柵極絕緣膜中導(dǎo)入氮而使用了等離子體氮化的以往的半導(dǎo)體裝置(CMOS晶體管)的制造方法的各工序的剖面圖。
圖12(a)～(d)是表示利用在柵極絕緣膜的氮導(dǎo)入中使用了熱氧氮化的以往的半導(dǎo)體裝置(CMOS晶體管)的制造方法形成的CMOS晶體管的處理輸入輸出信號(hào)的高耐壓用的n溝道型MOS晶體管及p溝道型MOS晶體管的各自的厚的柵極絕緣膜的氮分布以及高速驅(qū)動(dòng)用的n溝道型MOS晶體管及p溝道型MOS晶體管的各自的薄的柵極絕緣膜的氮分布的圖。
圖13(a)～(d)是表示利用在柵極絕緣膜的氮導(dǎo)入中使用了等離子體氮化的以往的半導(dǎo)體裝置(CMOS晶體管)的制造方法形成的CMOS晶體管的處理輸入輸出信號(hào)的高耐壓用的n溝道型MOS晶體管及p溝道型MOS晶體管的各自的厚的柵極絕緣膜的氮分布以及高速驅(qū)動(dòng)用的n溝道型MOS晶體管及p溝道型MOS晶體管的各自的薄的柵極絕緣膜的氮分布的圖。
其中，300半導(dǎo)體基板，301第1p型阱，302第1n型阱，303第2p型阱，304第2n型阱，305元件分離部，306第1絕緣膜，307第1氮化區(qū)域，308第2絕緣膜，309第1光刻膠膜，310第3絕緣膜，311第2光刻膠膜，312第4絕緣膜，313第2氮化區(qū)域，314第5絕緣膜(第1柵極絕緣膜)，315第6絕緣膜(第2柵極絕緣膜)，316第7絕緣膜(第3及第4柵極絕緣膜)，317硅膜，318第3光刻膠膜，319n型硅膜，320第4光刻膠膜，321p型硅膜，322第1n型柵電極，323第1p型柵電極，324第2n型柵電極，325第2p型柵電極，326由n型雜質(zhì)層構(gòu)成的源·漏區(qū)域，327由p型雜質(zhì)層構(gòu)成的源·漏區(qū)域。
具體實(shí)施例方式
下面將在參照附圖的同時(shí)，以CMOS晶體管為例，對(duì)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置及其制造方法進(jìn)行說明。
圖1(a)～(d)、圖2(a)～(d)及圖3(a)～(d)是表示本實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置的制造方法的各工序的剖面圖。
首先，如圖1(a)所示，對(duì)形成了第1p型阱301、第1n型阱302、第2p型阱303及第2n型阱304的半導(dǎo)體基板300，例如使用單張紙式的燈熱處理裝置，進(jìn)行利用氧活性基(O·)的氧化，由此在各阱301～304上形成例如厚度為4.5nm的第1絕緣膜(SiO2膜)306。作為具體的熱處理?xiàng)l件，溫度為1050℃，使用氣體為氫氣(H2)(流量為0.5l/min(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)))及氧氣(O2)(流量為9.5l/min(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)))，壓力為933pa，時(shí)間為15秒。而且，在半導(dǎo)體基板300的各阱301～304之間設(shè)有元件分離部305。
然后，對(duì)第1絕緣膜306，通過使用例如單張紙式的燈熱處理裝置進(jìn)行熱氧氮化處理，如圖1(b)所示，形成具有在與半導(dǎo)體基板300的界面上存在氮濃度峰值的第1氮化區(qū)域307的第2絕緣膜(SiON膜)308。作為具體的熱處理?xiàng)l件，溫度為1000℃，使用氣體為一氧化氮(NO)氣體(流量為1.0l/min(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)))，壓力為9.9×104pa，時(shí)間為100秒。
然后，如圖1(c)所示，在形成于第1p型阱301之上的第2絕緣膜308上形成了第1光刻膠膜309后，將該第1光刻膠膜309作為掩模，利用例如使用了氫氟酸的濕式蝕刻，將形成于第1n型阱302、第2p型阱303及第2n型阱304的各自之上的第2絕緣膜308(包括第1氮化區(qū)域307)選擇性地除去。換言之，殘留形成于第1p型阱301之上的第2絕緣膜308(包括第1氮化區(qū)域307)。
然后，如圖1(d)所示，對(duì)半導(dǎo)體基板300，通過例如使用單張紙式的燈熱處理裝置，進(jìn)行利用氧活性基(O·)的氧化，在第1n型阱302、第2p型阱303及第2n型阱304的各自的表面上，形成例如厚度7.5nm的第3絕緣膜(SiO2膜)310。作為具體的熱處理?xiàng)l件，溫度為1050℃，使用氣體為氫氣(H2)(流量為0.1l/min(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)))及氧氣(O2)(流量為9.9l/min(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)))，壓力為1333pa，時(shí)間為100秒。即，圖1(d)中所示的工序中，利用被單張紙式的燈熱處理裝置加熱了的半導(dǎo)體基板300的表面的熱使氫氣和氧氣反應(yīng)，由此生成氧活性基。此時(shí)，由于氧活性基在氧化膜中的擴(kuò)散力小，因此形成于第1p型阱301上的第2絕緣膜308的膜厚的增加就被抑制為3nm左右。另一方面，圖1(d)中所示的工序中，由于氧活性基的氧化力大，因此就可以將在圖1(c)中所示的工序中無法從第1n型阱302、第2p型阱303及第2n型阱304的各自的表面上利用氫氟酸除去的氮(具體來說是殘存的SiON中所含的氮)變?yōu)镹H3(氨)而完全地除去。
圖4將對(duì)厚度為4.5nm的氧氮化膜(SiON膜)進(jìn)行利用氧活性基(O·)的氧化時(shí)的膜厚的變化與利用該氧化而新形成于半導(dǎo)體基板上的SiO2膜的膜厚一起表示。這里，作為熱處理?xiàng)l件，與圖1(d)中所示的工序相同，溫度為1050℃，使用氣體為氫氣(H2)(流量為0.1l/min(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)))及氧氣(O2)(流量為9.9l/min(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)))，壓力為1333pa，時(shí)間為100秒。而且，各膜厚是利用偏振光分析測定法測定的值。如圖4所示，利用氧活性基(O·)的氧化，就可以使氧化后的SiON膜(相當(dāng)于本實(shí)施方式的第2絕緣膜308)的膜厚、新形成的SiO2膜(相當(dāng)于本實(shí)施方式的第3絕緣膜310)的膜厚大致同等。
然后，如圖2(a)所示，在形成于第1p型阱301上的第2絕緣膜308之上及形成于第1n型阱302上的第3絕緣膜310之上分別形成了第2光刻膠膜311后，將該光刻膠膜311作為掩模，利用使用了例如氫氟酸的濕式蝕刻，將形成于第2p型阱303及第2n型阱304的各自之上的第3絕緣膜310選擇性地除去。換言之，殘留形成于第1p型阱301之上的第2絕緣膜308(包括第1氮化區(qū)域307)、形成于第1n型阱302之上的第3絕緣膜310。
然后，如圖2(b)所示，對(duì)半導(dǎo)體基板300，通過使用例如單張紙式的燈熱處理裝置，進(jìn)行利用氧活性基(O·)的氧化，在第2p型阱303及第2n型阱304的各自的表面上，形成具有比第2絕緣膜308的膜厚及第3絕緣膜310的膜厚更小的膜厚(例如2.0nm)的第4絕緣膜(SiO2膜)312。作為具體的熱處理?xiàng)l件，溫度為800℃，使用氣體為氫氣(H2)(流量為0.03l/min(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)))及氧氣(O2)(流量為2.97l/min(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)))，壓力為2.4×103pa，時(shí)間為15秒。即，圖2(b)中所示的工序中，利用被單張紙式的燈熱處理裝置加熱了的半導(dǎo)體基板300的表面的熱使氫氣和氧氣反應(yīng)，由此生成氧活性基。此時(shí)，由于氧活性基的在氧化膜中的擴(kuò)散力小，因此形成于第1p型阱301上的第2絕緣膜308的膜厚的增加基本上就沒有，形成于第1n型阱302上的第3絕緣膜310的膜厚的增加也基板上沒有。
圖5將對(duì)厚度為7.5nm的氧氮化膜(SiON膜)進(jìn)行利用氧活性基(O·)的氧化時(shí)的膜厚的變化與利用該氧化而新形成于半導(dǎo)體基板上的SiO2膜的膜厚一起表示。這里，作為熱處理?xiàng)l件，溫度為850℃，使用氣體為氫氣(H2)(流量為0.05l/min(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)))及氧氣(O2)(流量為5.0l/min(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))及稀釋用的氮?dú)?N2)(流量為4.95l/min(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)))，壓力為2.4×103pa，時(shí)間為15秒。而且，各膜厚是利用偏振光分析測定法測定的值。如圖5所示，在利用氧活性基(O·)的氧化的前后，SiON膜(相當(dāng)于本實(shí)施方式的第2絕緣膜308)的膜厚基本上不變化。
然后，對(duì)形成于第1p型阱301之上的第2絕緣膜308、形成于第1n型阱302之上的第3絕緣膜310、形成于第2p型阱303及第2n型阱304之上的第4絕緣膜312進(jìn)行等離子體氮化。這樣，就如圖2(c)所示，在第1p型阱301之上，形成成為第1n溝道型MOS晶體管的柵極絕緣膜(第1柵極絕緣膜)的厚度7.5nm的第5絕緣膜314。第5絕緣膜314具有在與半導(dǎo)體基板300的界面上存在氮濃度峰值的第1氮化區(qū)域307，并且具有在表面部存在氮濃度峰值的第2氮化區(qū)域313。另外，在第1n型阱302之上，形成成為第1p溝道型MOS晶體管的柵極絕緣膜(第2柵極絕緣膜)的厚度7.5nm的第6絕緣膜315。第6絕緣膜315具有在表面部存在氮濃度峰值的第2氮化區(qū)域313。另外，在第2p型阱303及第2n型阱304的各自之上，形成成為第2n溝道型MOS晶體管的柵極絕緣膜(第3柵極絕緣膜)及第2p溝道型MOS晶體管的柵極絕緣膜(第4柵極絕緣膜)的厚度2.0nm的第7絕緣膜316。第7絕緣膜316具有在表面部存在氮濃度峰值的第2氮化區(qū)域313，并且具有比第5絕緣膜314的膜厚及第6絕緣膜315的膜厚更小的膜厚。
而且，作為圖2(c)中所示的工序中的具體的等離子體氮化處理?xiàng)l件，臺(tái)架溫度為400℃，RF(radio frequency)功率為1500W，使用氣體為氫氣(H2)(流量為2.0l/min(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)))及氮?dú)?N2)(流量為0.14l/min(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)))，壓力為126.6pa，時(shí)間為20秒。
然后，如圖2(d)所示，在形成了第5絕緣膜314、第6絕緣膜315及第7絕緣膜316的半導(dǎo)體基板300上堆積硅膜(例如多晶硅膜)317。其后，如圖3(a)所示，在形成了覆蓋形成于第1n型阱302及第2n型阱304的各自之上的硅膜317的第3光刻膠膜318后，將第3光刻膠膜318作為掩模，通過將n型雜質(zhì)選擇性地離子注入形成于第1p型阱301及第2p型阱303的各自之上的硅膜317中，形成n型硅膜319。
然后，如圖3(b)所示，在形成了覆蓋形成于第1p型阱301及第2p型阱303的各自之上的硅膜317(即n型硅膜319)的第4光刻膠膜320后，將第4光刻膠膜320作為掩模，通過將p型雜質(zhì)選擇性地離子注入形成于第1n型阱302及第2n型阱304的各自之上的硅膜317中，形成p型硅膜321。
然后，如圖3(c)所示，通過將n型硅膜319及p型硅膜321分別圖案處理為柵電極顯著，在第1p型阱301及第2p型阱303的各自之上，形成由n型硅膜構(gòu)成的n型導(dǎo)體片(第1n型柵電極322及第2n型柵電極324)，并且在第1n型阱302及第2n型阱304的各自之上，形成由p型硅膜構(gòu)成的p型導(dǎo)體片(第1p型柵電極323及第2p型柵電極325)。
最后，如圖3(d)所示，在第1p型阱301的第1n型柵電極322的兩側(cè)及第2p型阱303的第2n型柵電極324的兩側(cè)，分別形成由n型雜質(zhì)層構(gòu)成的源·漏區(qū)域326，并且在第1n型阱302的第1p型柵電極323的兩側(cè)及第2n型阱304的第2p型柵電極325的兩側(cè)，分別形成由p型雜質(zhì)層構(gòu)成的源·漏區(qū)域327。
下面，將在參照?qǐng)D6(a)～(d)的同時(shí)，對(duì)本實(shí)施方式的效果進(jìn)行說明。
圖6(a)～(d)是表示利用本實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置(CMOS晶體管)的制造方法形成的CMOS晶體管的處理輸入輸出信號(hào)的高耐壓用的n溝道型MOS晶體管的厚的柵極絕緣膜(圖3(d)中所示的設(shè)于第1n型柵電極322和半導(dǎo)體基板300之間的第5絕緣膜(第1柵極絕緣膜)314)的氮分布、處理輸入輸出信號(hào)的高耐壓用的p溝道型MOS晶體管的厚的柵極絕緣膜(圖3(d)中所示的設(shè)于第1p型柵電極323和半導(dǎo)體基板300之間的第6絕緣膜(第2柵極絕緣膜)315)的氮分布以及高速驅(qū)動(dòng)用的n溝道型MOS晶體管及p溝道型MOS晶體管的各自的薄的柵極絕緣膜(圖3(d)中所示的設(shè)于第2n型柵電極324及第2p型柵電極325的各自與半導(dǎo)體基板300之間的第7絕緣膜(第3及第4柵極絕緣膜)316)的氮分布的圖。
而且，在圖6(a)～(d)中，橫軸表示MOS構(gòu)造的高度方向的位置，縱軸以對(duì)數(shù)表示氮濃度。
如圖6(a)所示，在高耐壓用的n溝道型MOS晶體管的厚的柵極絕緣膜(設(shè)于第1n型柵電極322和半導(dǎo)體基板300之間的第5絕緣膜314)中，由于存在于與半導(dǎo)體基板300的界面上的氮(氮化區(qū)域307)形成很多容易捕獲固定電荷或空穴的能級(jí)，因此對(duì)熱載流子的可靠性提高。
另外，如圖6(b)所示，在高耐壓用的p溝道型MOS晶體管的厚的柵極絕緣膜(設(shè)于第1p型柵電極323和半導(dǎo)體基板300之間的第6絕緣膜315)中，由于僅在第1p型柵電極323的附近存在氮(氮化區(qū)域313)，換言之，由于在與半導(dǎo)體基板300的界面上不存在氮，因此可以減少固定電荷，由此使對(duì)NBTI的可靠性提高。
另外，如圖6(c)所示，在高速驅(qū)動(dòng)用的n溝道型MOS晶體管的薄的柵極絕緣膜(設(shè)于第2n型柵電極324和半導(dǎo)體基板300之間的第7絕緣膜316)中，由于在第2n型柵電極324的附近存在氮(氮化區(qū)域313)，因此與SiO2膜相比可以進(jìn)一步抑制漏電流。
另外，如圖6(d)所示，在高速驅(qū)動(dòng)用的p溝道型MOS晶體管的薄的柵極絕緣膜(設(shè)于第2p型柵電極325和半導(dǎo)體基板300之間的第7絕緣膜316)中，由于在第2p型柵電極325的附近存在氮(氮化區(qū)域313)，因此與SiO2膜相比可以進(jìn)一步抑制漏電流，并且可以提高對(duì)來自第2p型柵電極325的B的滲出的耐受性。另外，與高耐壓用的p溝道型MOS晶體管的厚的柵極絕緣膜(第6絕緣膜315)的情況相同，由于在與半導(dǎo)體基板300的界面上不存在氮，因此就可以減少固定電荷，由此就可以提高對(duì)NBTI的可靠性。
即，根據(jù)本發(fā)明，可以使高耐壓用的n溝道型MOS晶體管的對(duì)熱載流子的可靠性、高耐壓用及高速驅(qū)動(dòng)用的各自的p溝道型MOS晶體管的對(duì)NBTI的可靠性雙方都提高。另外，在高速驅(qū)動(dòng)用的MOS晶體管的薄的柵極絕緣膜中，可以抑制漏電流，并且可以提高B的滲出耐受性。
根據(jù)本實(shí)施方式，在圖1(b)所示的工序中，由于使用單張紙式的燈熱處理裝置，在含有一氧化氮的氣氛中對(duì)第1絕緣膜306進(jìn)行熱氮氧化處理，因此就可以可靠地形成具有在與半導(dǎo)體基板300的界面上存在氮濃度峰值的第1氮化區(qū)域307的第2絕緣膜(SiON膜)308。這里，即使取代一氧化氮，在含有一氧化二氮的氣氛中進(jìn)行熱氧氮化處理，也可以獲得相同的效果。
另外，根據(jù)本實(shí)施方式，在圖1(d)中所示的工序中，使用單張紙式的燈熱處理裝置，將該裝置的小室內(nèi)保持1333Pa的壓力，并且向該小室內(nèi)導(dǎo)入氫氣及氧氣，利用被該裝置加熱了的半導(dǎo)體基板300的表面的熱使氫氣和氧氣反應(yīng)，利用由其生成的氧活性基將半導(dǎo)體基板300氧化。由此，就可以在抑制形成于第1p型阱301上的第2絕緣膜308的膜厚的增加的同時(shí)，在第1n型阱302、第2p型阱303及第2n型阱304的各自的表面上形成第3絕緣膜310。而且，在該氧化處理中，單張紙式的燈熱處理裝置的小室內(nèi)壓力只要在2667Pa以下，就沒有特別限定。
另外，根據(jù)本實(shí)施方式，由于在圖1(d)中所示的工序中按照使第2絕緣膜308的膜厚和第3絕緣膜310的膜厚達(dá)到同等的方式將半導(dǎo)體基板300氧化，因此就可以獲得如下的效果。即，在CMOS晶體管中，當(dāng)高耐壓用的n溝道型MOS晶體管的柵極絕緣膜(與第2絕緣膜308對(duì)應(yīng))比高耐壓用的p溝道型MOS晶體管的柵極絕緣膜(與第3絕緣膜310對(duì)應(yīng))更厚時(shí)，則由于短溝道效應(yīng)抑制，有必要使n溝道型MOS晶體管的門長度大于p溝道型MOS晶體管的門長度。此時(shí)，由于n溝道型MOS晶體管的驅(qū)動(dòng)力降低，因此雖然為了防止它而需要增大n溝道型MOS晶體管的擴(kuò)散層寬度，但是這樣做時(shí)電路面積就會(huì)增大。與之相反，如果像本實(shí)施方式那樣，在圖1(d)中所示的工序中按照使第2絕緣膜308的膜厚和第3絕緣膜310的膜厚達(dá)到同等的方式將半導(dǎo)體基板300氧化，則可以避免如上所述的問題。
另外，根據(jù)本實(shí)施方式，在圖2(b)中所示的工序中，使用單張紙式的燈熱處理裝置，將該裝置的小室內(nèi)保持2.4×103Pa的壓力，并且向該小室內(nèi)導(dǎo)入氫氣及氧氣，利用被該裝置加熱了的半導(dǎo)體基板300的表面的熱使氫氣和氧氣反應(yīng)，利用由其生成的氧活性基將半導(dǎo)體基板300氧化。由此，就可以在抑制形成于第1p型阱301上的第2絕緣膜308的膜厚的增加及形成于第1n型阱302上的第3絕緣膜310的膜厚的增加的同時(shí)，在第2p型阱303及第2n型阱304的各自的表面上形成第4絕緣膜312。而且，在該氧化處理中，單張紙式的燈熱處理裝置的小室內(nèi)壓力只要在2667Pa以下，就沒有特別限定。
而且，本實(shí)施方式中，雖然高耐壓用的n溝道型MOS晶體管的厚的柵極絕緣膜(設(shè)于第1n型柵電極322和半導(dǎo)體基板300之間的第5絕緣膜314)具有在第1n型柵電極322的附近存在氮濃度峰值的第2氮化區(qū)域313，但是也可以不設(shè)置第2氮化區(qū)域313。
另外，本實(shí)施方式中，高耐壓用的n溝道型MOS晶體管的厚的柵極絕緣膜(成為第1柵極絕緣膜的第5絕緣膜314)在與半導(dǎo)體基板300的界面上所具有的氮濃度峰值(第1氮化區(qū)域307內(nèi)的氮濃度峰值)的濃度值優(yōu)選4atm％以上。這樣，就可以可靠地獲得前面所述的本實(shí)施方式的效果。而且，當(dāng)?shù)?絕緣膜314在基板界面上所具有的氮濃度峰值過高時(shí)，具體來說，當(dāng)該氮濃度峰值的濃度值超過10atm％時(shí)，則由于晶體管的驅(qū)動(dòng)力降低，因此該氮濃度峰值的濃度值優(yōu)選10atm％以下。
另外，本實(shí)施方式中，高耐壓用的p溝道型MOS晶體管的厚的柵極絕緣膜(成為第2柵極絕緣膜的第6絕緣膜315)、高速驅(qū)動(dòng)用的n溝道型MOS晶體管的薄的柵極絕緣膜(成為第3柵極絕緣膜的第7絕緣膜316)及高速驅(qū)動(dòng)用的p溝道型MOS晶體管的薄的柵極絕緣膜(成為第4柵極絕緣膜的第7絕緣膜316)在所對(duì)應(yīng)的柵電極323～325的附近所具有的氮濃度峰值(第2氮化區(qū)域313內(nèi)的氮濃度峰值)的濃度值優(yōu)選8atm％以上，另外，這些氮濃度峰值最好存在于從該對(duì)應(yīng)的柵電極323～325的界面開始1nm以下的范圍中。這樣，就可以可靠地獲得前面所述的本實(shí)施方式的效果。而且，雖然第6絕緣膜315及第7絕緣膜316所對(duì)應(yīng)的柵電極323～325的附近所具有的氮濃度峰值越高越好，但是根據(jù)現(xiàn)在所使用的氮化技術(shù)(例如等離子體氮化等)的性能，該氮濃度峰值的濃度值的上限為20atm％左右。
另外，本實(shí)施方式中，高耐壓用的p溝道型MOS晶體管的厚的柵極絕緣膜(成為第2柵極絕緣膜的第6絕緣膜315)及高速驅(qū)動(dòng)用的p溝道型MOS晶體管的薄的柵極絕緣膜(成為第4柵極絕緣膜的第7絕緣膜316)的各自的與半導(dǎo)體基板300的界面的氮濃度優(yōu)選3atm％以下。這樣，由于可以抑制存在于與半導(dǎo)體基板300的界面的氮形成很多固定電荷的情況，因此就可以防止對(duì)NBTI的可靠性的惡化。
另外，本實(shí)施方式中，雖然將在圖1(d)中所示的工序中被氧化后的SiON膜(相當(dāng)于本實(shí)施方式的第2絕緣膜308)的膜厚、在該工序中新形成的SiO2膜(相當(dāng)于本實(shí)施方式的第3絕緣膜310)的膜厚設(shè)定為大致同等，但是兩膜厚在滿足對(duì)「高耐壓用的MOS晶體管的柵極絕緣膜」的要求的范圍內(nèi)也可以不同。
另外，本實(shí)施方式中，對(duì)于圖3(a)中所示的工序(n型硅膜319的形成工序)及圖3(b)中所示的工序(p型硅膜321的形成工序)，先進(jìn)行任意一個(gè)工序都可以。
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體裝置及其制造方法，特別當(dāng)適用于CMOS晶體管等搭載了多電源的MOS晶體管的半導(dǎo)體裝置時(shí)，可以使高耐壓用的n溝道型MOS晶體管的對(duì)熱載流子的可靠性、高耐壓用及高速驅(qū)動(dòng)用的各自的p溝道型MOS晶體管的對(duì)NBTI的可靠性雙方都提高，因而非常有用。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體裝置，其特征是，具備形成于半導(dǎo)體基板的第1n溝道型MOS晶體管形成區(qū)域之上的含有氮的第1柵極絕緣膜、形成于所述半導(dǎo)體基板的第1p溝道型MOS晶體管形成區(qū)域之上的含有氮的第2柵極絕緣膜、形成于所述半導(dǎo)體基板的第2n溝道型MOS晶體管形成區(qū)域之上的含有氮的第3柵極絕緣膜、形成于所述半導(dǎo)體基板的第2p溝道型MOS晶體管形成區(qū)域之上的含有氮的第4柵極絕緣膜，所述第3柵極絕緣膜的膜厚及所述第4柵極絕緣膜的膜厚分別比所述第1柵極絕緣膜的膜厚及所述第2柵極絕緣膜的膜厚更薄，所述第1柵極絕緣膜在與所述半導(dǎo)體基板的界面上具有氮濃度峰值，所述第2柵極絕緣膜、所述第3柵極絕緣膜及所述第4柵極絕緣膜僅在形成于各自之上的柵電極的附近具有氮濃度峰值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其特征是，所述第1柵極絕緣膜在形成于其上的柵電極的附近具有其他的氮濃度峰值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其特征是，在所述第1柵極絕緣膜與所述半導(dǎo)體基板的界面上所具有的氮濃度峰值的濃度值在4atm％以上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其特征是，在所述第2柵極絕緣膜、所述第3柵極絕緣膜及所述第4柵極絕緣膜所對(duì)應(yīng)的柵電極的附近所具有的氮濃度峰值的濃度值在8atm％以上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其特征是，在所述第2柵極絕緣膜、所述第3柵極絕緣膜及所述第4柵極絕緣膜所對(duì)應(yīng)的柵電極的附近所具有的氮濃度峰值從與該對(duì)應(yīng)的柵電極的界面開始存在于1nm以下的范圍中。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其特征是，所述第2柵極絕緣膜及所述第4柵極絕緣膜各自的與所述半導(dǎo)體基板的界面的氮濃度在3atm％以下。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其特征是，形成于所述第1柵極絕緣膜及所述第3柵極絕緣膜的各自之上的柵電極包括n型多晶硅膜，形成于所述第2柵極絕緣膜及所述第4柵極絕緣膜的各自之上的柵電極包括p型多晶硅膜。
8.一種半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征是，具備工序a，通過將設(shè)置了第1p型半導(dǎo)體區(qū)域、第1n型半導(dǎo)體區(qū)域、第2p型半導(dǎo)體區(qū)域及第2n型半導(dǎo)體區(qū)域的半導(dǎo)體基板氧化而在所述各區(qū)域上形成第1絕緣膜、工序b，通過在含有氮的氣氛中對(duì)所述第1絕緣膜進(jìn)行熱氧氮化處理而在所述各區(qū)域上形成在與所述半導(dǎo)體基板的界面上具有氮濃度峰值的第2絕緣膜、工序c，通過將形成于所述第1n型半導(dǎo)體區(qū)域、所述第2p型半導(dǎo)體區(qū)域及所述第2n型半導(dǎo)體區(qū)域的各自之上的所述第2絕緣膜選擇性地除去而僅在所述第1p型半導(dǎo)體區(qū)域上殘留所述第2絕緣膜、工序d，通過在抑制殘存于所述第1p型半導(dǎo)體區(qū)域上的所述第2絕緣膜的膜厚的增加的同時(shí)將所述半導(dǎo)體基板氧化而在所述第1n型半導(dǎo)體區(qū)域、所述第2p型半導(dǎo)體區(qū)域及所述第2n型半導(dǎo)體區(qū)域的各自之上形成第3絕緣膜、工序e，通過將形成于所述第2p型半導(dǎo)體區(qū)域及所述第2n型半導(dǎo)體區(qū)域的各自之上的所述第3絕緣膜選擇性地除去而使所述第3絕緣膜僅殘存于所述第1n型半導(dǎo)體區(qū)域之上并且使所述第1p型半導(dǎo)體區(qū)域上的所述第2絕緣膜殘留、工序f，通過在抑制殘存于所述第1p型半導(dǎo)體區(qū)域上的所述第2絕緣膜的膜厚的增加及殘存于所述第1n型半導(dǎo)體區(qū)域上的所述第3絕緣膜的膜厚的增加的同時(shí)將所述半導(dǎo)體基板氧化而在所述第2p型半導(dǎo)體區(qū)域及所述第2n型半導(dǎo)體區(qū)域的各自之上形成具有比所述第2絕緣膜的膜厚及所述第3絕緣膜的膜厚更小的膜厚的第4絕緣膜、工序g，通過將所述第1p型半導(dǎo)體區(qū)域上的所述第2絕緣膜、所述第1n型半導(dǎo)體區(qū)域上的所述第3絕緣膜以及所述第2p型半導(dǎo)體區(qū)域及所述第2n型半導(dǎo)體區(qū)域的各自之上的第4絕緣膜暴露在氮等離子體中而在所述第1p型半導(dǎo)體區(qū)域上形成成為第1n溝道型MOS晶體管的柵極絕緣膜的并且在其表面部及與所述半導(dǎo)體基板的界面上分別具有氮濃度峰值的第5絕緣膜，在所述第1n型半導(dǎo)體區(qū)域上形成成為第1p溝道型MOS晶體管的柵極絕緣膜的并且僅在其表面部上具有氮濃度峰值的第6絕緣膜，在所述第2p型半導(dǎo)體區(qū)域及所述第2n型半導(dǎo)體區(qū)域的各自之上形成成為第2n溝道型MOS晶體管的柵極絕緣膜及第2p溝道型MOS晶體管的柵極絕緣膜的并且僅在其表面部上具有氮濃度峰值的第7絕緣膜，所述第7絕緣膜具有比所述第5絕緣膜的膜厚及所述第6絕緣膜的膜厚更小的膜厚。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征是，在所述工序d中，按照使所述第2絕緣膜的膜厚和所述第3絕緣膜的膜厚達(dá)到同等的方式將所述半導(dǎo)體基板氧化。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征是，在所述工序g之后，還具備工序h，在所述半導(dǎo)體基板上堆積硅膜、工序i，通過向所述第1p型半導(dǎo)體區(qū)域及所述第2p型半導(dǎo)體區(qū)域的各自之上的所述硅膜中選擇性地導(dǎo)入n型雜質(zhì)而在所述第1p型半導(dǎo)體區(qū)域及所述第2p型半導(dǎo)體區(qū)域的各自之上形成n型硅膜、工序j，通過向所述第1n型半導(dǎo)體區(qū)域及所述第2n型半導(dǎo)體區(qū)域的各自之上的所述硅膜中選擇性地導(dǎo)入p型雜質(zhì)從而在所述第1n型半導(dǎo)體區(qū)域及所述第2n型半導(dǎo)體區(qū)域的各自之上形成p型硅膜、工序k，通過對(duì)所述n型硅膜及所述p型硅膜分別圖案處理而在所述第1p型半導(dǎo)體區(qū)域上夾隔所述第5絕緣膜形成第1n型柵電極，在所述第1n型半導(dǎo)體區(qū)域上夾隔所述第6絕緣膜形成第1p型柵電極，在所述第2p型半導(dǎo)體區(qū)域及所述第2n型半導(dǎo)體區(qū)域的各自之上夾隔所述第7絕緣膜形成第2n型柵電極及第2p型柵電極、工序l，通過在所述第1p型半導(dǎo)體區(qū)域的所述第1n型柵電極的兩側(cè)及所述第2p型半導(dǎo)體區(qū)域的所述第2n型柵電極的兩側(cè)分別形成成為源區(qū)域及漏區(qū)域的n型雜質(zhì)層并且在所述第1n型半導(dǎo)體區(qū)域的所述第1p型柵電極的兩側(cè)及所述第2n型半導(dǎo)體區(qū)域的所述第2p型柵電極的兩側(cè)分別形成成為源區(qū)域及漏區(qū)域的p型雜質(zhì)層從而在所述第1p型半導(dǎo)體區(qū)域上形成第1n溝道型MOS晶體管，在所述第1n型半導(dǎo)體區(qū)域上形成第1p溝道型MOS晶體管，在所述第2p型半導(dǎo)體區(qū)域上形成第2n溝道型MOS晶體管，在所述第2n型半導(dǎo)體區(qū)域上形成第2p溝道型MOS晶體管。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征是，在所述工序b中，使用單張紙式的燈熱處理裝置，在含有一氧化氮或一氧化二氮的氣氛中對(duì)所述第1絕緣膜進(jìn)行熱氧氮化處理。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征是，在所述工序d及工序f當(dāng)中的至少一方的工序中，使用單張紙式的燈熱處理裝置，將該裝置的小室內(nèi)保持2667Pa以下的壓力并且向該小室內(nèi)導(dǎo)入氫氣及氧氣，利用被該裝置加熱了的所述半導(dǎo)體基板表面的熱使所述氫氣和所述氧氣反應(yīng)，利用由其生成的氧活性基將所述半導(dǎo)體基板氧化。
全文摘要
本發(fā)明提供一種搭載了多電源的MOS晶體管的半導(dǎo)體裝置。高耐壓用的n溝道型MOS晶體管的第1柵極絕緣膜(厚的柵極絕緣膜)在與半導(dǎo)體基板的界面上具有氮濃度峰值。高耐壓用的p溝道型MOS晶體管的第2柵極絕緣膜(厚的柵極絕緣膜)、高速驅(qū)動(dòng)用的n溝道型MOS晶體管的第3柵極絕緣膜(薄的柵極絕緣膜)及高速驅(qū)動(dòng)用的p溝道型MOS晶體管的第4柵極絕緣膜(薄的柵極絕緣膜)分別僅在所對(duì)應(yīng)的柵電極的附近具有氮濃度峰值。利用本發(fā)明，可以使對(duì)熱載流子的可靠性和對(duì)NBTI的可靠性雙方同時(shí)實(shí)現(xiàn)。
文檔編號(hào)H01L27/092GK1744318SQ200510092149
公開日2006年3月8日 申請(qǐng)日期2005年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月2日
發(fā)明者內(nèi)山敬太 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社