JP3665183B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、メモリセルを有する半導体装置、特にダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ(以下、DRAMと略記する)セルを有した半導体装置およびその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
DRAMセルを情報記憶部とし、その他に情報処理部を有した従来の半導体集積回路装置では、次の考慮がなされている。即ち、情報記憶部における耐圧、信頼性確保の為の要請と 情報処理部における情報処理の高速性確保の要請に答えるものである。以下はそのいくつかの試みである。
【0003】
先ず、双方の部分のMOS型トランジスタのゲート酸化膜の膜厚を異ならせている例である。例えば、日本公開特許公報、特開平3-220766号(記事1)に見られる。この例は、ワード線昇圧の下でのゲート酸化膜の信頼性を確保して、高速の情報読み出し・書き込みが行なえるように、情報記憶部のMOS型トランジスタのゲート酸化膜を、情報処理部のMOS型トランジスタのゲート酸化膜より厚くしている。また特開平4−165670、特開平5−102415、特開平6−342891特開平7−297298にも同様にメモリセル領域のゲート絶縁膜厚さを周辺回路領域のゲート絶縁膜の厚さより厚く形成する構造の開示がある。
【0004】
また、上記と同種の半導体集積回路に対する、日本公開特許公報、特開昭 56-120166号(記事2)に見られる例では、情報記憶部や情報処理部で独立にしきい値電圧を設定している。このことを実現する為、2種類のゲート酸化膜を用いる。即ち、厚いゲート酸化膜の下部の半導体基板の不純物濃度を、薄いゲート酸化膜の下部のそれより低くしている。
【0005】
また、日本公開特許公報、特開昭61-194770号(記事3)では、高電圧駆動のMOS型トランジスタのゲート酸化膜の信頼性を確保するための工夫を行っている。即ち、入出力回路部のMOS型トランジスタとメモリセル部の高しきい値電圧を必要とするMOS型トランジスタのゲート酸化膜を、内部回路部のMOS型トランジスタとメモリセル部の低しきい値電圧を必要とするMOS型トランジスタのゲート酸化膜より厚くしていた。
【0006】
一方、フラッシュメモリセルを情報記憶部とし、その他に情報処理部を有した半導体集積回路でも、各ゲート酸化膜の膜厚を工夫している。例えば、日本公開特許公報、特開平8-8350号(記事4)に例が見られる。浮遊ゲート電極とドレイン拡散層との間のリーク電流を低減するために、ドレイン拡散層上のゲート酸化膜を厚くしている。このような、ドレイン拡散層上のゲート酸化膜を厚くする方法をDRAMを含む半導体集積回路に適用しても、情報記憶部のMOS型トランジスタのゲート電極端での接合端部の電界は変化しない。すなわち、高濃度のドレイン拡散層の端からゲート電極までの距離であるゲート酸化膜の厚さは何ら変化しないので、接合端部の電界は変わらない。このように、記事4ではDRAMにおける接合端部の電界の影響について考慮されていない。
【0007】
この他、DRAMセルを情報記憶部とし、その他に情報処理部を有した半導体集積回路では、半導体基板の不純物濃度の工夫も見られる。例えば、日本公開特許公報、特開平3-204969号(記事5)がそれである。情報記憶部のMOS型トランジスタの電荷蓄積電極に接する拡散層を、電荷蓄積電極に接する拡散層を低濃度層だけで構成し、その濃度は、情報処理部のMOS型トランジスタのソース・ドレイン拡散層の低濃度層とほぼ同じにしていた。それは、この層を形成する際の、高濃度イオン打込みに起因する欠陥の影響を受けたリーク電流の増大を防止するためである。
【0008】
また、DRAMセルを情報記憶部としその他に情報処理部を有した半導体集積回路では、DRAMのリフレッシュ特性を向上するための別な工夫も見られる。例えば、日本公開特許公報、特開平6-61486号(記事6)である。それは、平面的にみて蓄積電極への接続穴部分でのみ、拡散層の高濃度層下に上記拡散層と同じ電導型の低濃度層を形成する。そして、前記低濃度層の不純物濃度を、前記高濃度拡散層と基板とで構成されるp-n接合に印加される逆方向電圧が大きい場合に、完全に空乏化するように設定するものである。しかし、 DRAMにおける接合端部の電界の影響について考慮されていない。
【0009】
一方、溝による素子分離に関しては、日本公開特許公報、特開平5-144934号(記事7)に見られる。即ち、それは、微細な素子分離領域を実現するため、絶縁物が埋込まれた溝で素子分離を行なっている。
【0010】
また、情報記憶部と情報処理部とでゲート酸化膜の膜厚を変えMOS型トランジスタ製造する方法は、例えば、特願昭62-275815(記事8)に見られる。それは次の方法をとっている。先ず、情報記憶部に必要な薄いゲート酸化膜を形成して情報記憶部の浮遊ゲート電極となるシリコン膜を堆積する。この後、浮遊ゲート電極用シリコン膜を所望形状に加工、更に制御ゲート電極用シリコン膜との間で層間絶縁膜となる絶縁膜を堆積する。その後、情報処理部の層間絶縁膜を除去して、情報処理部に必要な厚いゲート酸化膜を形成している。また素子分離溝を用いたMOSFETにおいて分離溝と素子形成領域のエッジ部分でのゲート絶縁膜が薄くなることによる電界集中、ゲート耐圧劣化を防ぐために素子分離溝のエッジ部分におけるゲート絶縁膜を厚く形成する構造は特開平5−47919、特開平10−223747、特開平10−254638に開示がある。また素子分離溝を用いたMOSFETにおいて素子分離溝のエッジ部分の特に電界が集中するドレイン端でのゲート絶縁膜の厚さをチャネル方向においてドレイン端側で厚く形成して耐圧を高める構造は特開平5−283680に開示がある。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
本願発明の課題は、溝型分離の方法を用い、且つ DRAMセルを情報記憶部としその他に情報処理部を有した半導体集積回路において、より高集積度を実現すると共に、情報記憶部における耐圧、信頼性確保の為の要請と 情報処理部における情報処理の高速性確保の要請との両面に答えるものである。
【0012】
本願発明の更なる課題は、半導体基板内に形成される不純物領域の接合部の電界に依って生ずる難点を対策し、 DRAMのリフレッシュ特性をより良好ならしめるものである。
【0013】
特に、溝型素子分離の方法は、一般に不純物拡散領域の接合電界が大きくなり、この電界に起因するリーク電流が無視できなくなる傾向を有する。そして、この問題に十分な考慮がなされないと、結果としてDRAMのリフレッシュ特性が劣化を招くこととなる。
【0014】
本願発明は、とりわけ、DRAMセルの絶縁ゲート型トランジスタを溝型分離法を用いて素子分離を行っている半導体集積回路装置に有用なものである。さらには、特に256Mbit以上の高集積度を有するDRAMおよびこうしたDRAMを有する半導体装置に適用して有用なものである。尚、絶縁ゲート型トランジスタの代表例は、実用的に有用ないわゆるMOS型トランジスタである。本願明細書において、以下、絶縁ゲート型を、その代表例であるMOS型をもって略記する。
【0015】
本願発明の目的は、上記従来の半導体装置およびその製造方法が有する諸問題点を解決し、高集積度を実現すると共に情報記憶部における耐圧、信頼性を確保し、且つ 情報処理部における情報処理の高速性を確保した半導体装置およびその製造方法を提供することにある。更には、そのリフレッシュ特性を向上したDRAMセルを有した半導体装置およびその製造方法を提供することにある。
【0016】
【課題を解決するための手段】
本願明細書の開示される発明のうち、その代表的なものを列挙すれば、以下の通りである。
【0017】
(1)第1の発明は特にゲート絶縁膜の膜厚に関するものである。
【0018】
一般に半導体集積回路装置の集積度の観点から、素子分離方法を、現在多用されている選択酸化膜(LOCOS(Local Oxidation of Silicon))から溝型分離の方法に変更することは理のあることではある。しかし、 DRAMセルと共に情報処理部をも有する半導体装置の場合、情報記憶部のMOS型トランジスタのしきい値電圧を情報処理部のMOS型トランジスタのしきい値電圧より高く設定する必要がある。それは、情報保持時のサブスレショルド電流を低減する必要がある為である。
【0019】
尚、本願明細書において、溝によって積極的にある領域を分離する方法を溝型分離あるいは溝型素子分離と称する。実際的には、半導体基体に設けられたこの溝内に絶縁物、通例は酸化シリコンを埋め込んである。
【0020】
即ち、第1の発明は、メモリセルを有する情報記憶部と、情報処理部とを少なくとも有し、少なくとも前記メモリセルは溝型分離されたMOS型トランジスタを有し、溝によって分離されたこのMOS型トランジスタのソースまたはドレインとなる不純物拡散領域のゲート電極との境界部分に対応するゲート絶縁膜の膜厚が、前記情報処理部が有するMOS型トランジスタのソースまたはドレインとなる拡散層のゲート電極との境界部分に対応するゲート絶縁膜の膜厚より大きいことを特徴とする半導体装置である。
【0021】
この場合、溝によって分離されたMOS型トランジスタのソースまたはドレインとなる不純物拡散領域のゲート電極との境界部分に対応する前記ゲート絶縁膜の膜厚がチャネル間隔において実質的に均一の厚さであっても良い。また、当該MOS型トランジスタのソースまたはドレインとなる不純物拡散領域のゲート電極との境界部分に対応する領域とそれ以外の領域とで膜厚に差、即ち膜厚分布を有していても良い。
【0022】
これらの形態の中では、ゲート絶縁膜がチャネル対応部分で実質的に均一の厚さの形態が製造に当って大変有利である。ゲート絶縁膜が膜厚分布を有する場合、各セルにおける膜厚分布を同一に調整する為、製造条件を十分管理する必要がある。
【0023】
尚、本願発明は、厚いゲート絶縁膜を用いることは、実質的な構成を考慮すると更に次の効果を有する。
【0024】
図1に主要部のこの状態の断面図を示す。半導体基板100に溝101が形成されている。この溝101には酸化シリコン102が埋め込まれている。
【0025】
溝型素子分離の方法によると、溝に酸化シリコン102を埋め込んで後、この表面の平坦化を行う。しかし、この時、現実の工程では、溝型分離領域の酸化シリコン部分の表面はチャネル103に対応する領域に比較して低い位置104まで後退する。この場合、ゲート絶縁膜105が薄いと、この本来のチャネル領域103から溝に移行する端面部分に実質的なチャネル部分106が形成される。
【0026】
従って、本来のチャネル領域に加えて、溝部分側壁にもチャネルが存在し、ソースードレイン間電流が増大する。この結果、情報を保持する時(即ち、ゲート電圧が0Vの時)、リーク電流が実効的に増加するように作用し、情報保持の特性(即ち、リフレッシュ特性)が劣化する。
【0027】
これに対して、本願発明のごとく厚いゲート絶縁膜を用いた場合、本来のチャネル領域から溝に移行する端面部分も前記の場合に比較して厚い絶縁膜となる。従って、上述したごとき問題の発生はない。この結果、情報保持時のリーク電流の増大を防止できる。
【0028】
尚、以下の説明および実施例において、溝に埋め込まれた酸化シリコン膜がその平坦化の過程で若干低く後退することなど、より詳細な点は説明や図示が省略されている。
【0029】
<リフレッシュ特性確保等の為に、更に考慮すべき技術的背景>
次に、以下に説明する本願発明の理解を助ける為、物理的な背景を説明する。先ず、素子分離の方法として、選択酸化膜による方法と溝型分離の方法とによる場合を比較し、溝型分離の場合の固有の問題を具体的に明らかにする。
【0030】
DRAMのリフレッシュ特性に対して情報記憶部のMOSトランジスタに発生するより詳細な背景を要約すると、次の通りである。
【0031】
(1)不純物拡散領域の高不純物濃度の領域とゲート電極との距離によって決定される電界が接合の空乏層に漏れて接合電界を大きくする現象を考慮すること。
【0032】
(2)ノックオン酸素原子に起因した析出物による電界の増加の影響を考慮すること。尚、このノックオン原子はゲート絶縁膜の膜厚と関係する。
【0033】
(3)ゲート電極端の電界に起因するリーク電流を考慮すること。
【0034】
そして、それらは、構成上、(1)接合端部の不純物濃度、(2)電界が大きくなる領域の位置、および(3)ゲート電極と接合の高濃度部分との距離の3つの点を考慮する必要がある。
【0035】
<不純物領域の接合近傍の電界強度>
図2、図3はゲート電極と高不純物濃度領域の接合端の電界強度の分布を説明した図である。これらによって、溝型分離と通例の選択酸化膜による分離との相違が容易に理解される。図2は選択酸化膜による分離の場合を示し、同図(a)は主要部の平面図、同図(b)は図2(a)でのAB断面図である。図3は溝型分離の場合を示し、同図(a)は主要部の平面図、同図(b)は図3(a)でのAB断面図を示している。
【0036】
選択酸化膜の場合、その端部は通例、バード・ビーク(birds Beak)と称される酸化膜の半導体領域への侵入部が発生する。この為、この選択酸化膜によって構成される端部は急峻ではなく、半導体領域は下部に広がる形状となる。従って、ゲート電極下の不純物の拡散は横方向に広がりをみせる。一方、溝型分離の場合は、加工に伴う変位はあるものの、選択酸化膜によるそれよりも遥かに急峻な端面を有している。この為、選択酸化膜を用いた場合と同様の方法で不純物領域を形成するとしても、横方向への不純物拡散は無い。従って、半導体基板内の不純物濃度の分布は、選択酸化膜の場合より急峻となる。
【0037】
まず、選択酸化膜で素子分離を行なった場合を図2に基づいて説明する。図2(a)において、ゲート電極28の下部に不純物拡散領域27が形成される。この不純物拡散領域27の両側は選択酸化膜26によって隣接する素子領域と分離されている。不純物拡散領域27は、ゲート電極28で覆われていない活性領域27(図2(a)では領域27の紙面の上方)から不純物を導入して形成する。このとき、不純物はゲート電極28の下部および選択酸化膜26下に拡散してゆく。不純物拡散領域27の不純物濃度が基板濃度と一致する部分(冶金的接合位置)を破線29で示した。
【0038】
ゲート電極28の下の不純物領域表面近傍の不純物濃度は、図2の(a)のA-B断面のものを図2(b)に示す。この不純物領域の表面近傍の不純物濃度はゲート電極28で覆われていない活性領域の表面濃度より低くなる。
【0039】
尚、図2(b)の不純物濃度の各線は、各々1×1018cm-3の等不純物濃度線30、1×1017cm-3の等不純物濃度線31、1×1016cm-3の等不純物濃度線32を示している。
【0040】
図2(a)から理解されるように選択酸化膜を用いた場合、電界の大きい部分33は、接合端部の曲率の影響が大きい部分となる。この電界の大きい部分33では、ゲート電極28と不純物拡散領域の高濃度部分との距離が、ゲート酸化膜34より厚い選択酸化膜26の端部分の酸化膜厚に等しい。したがって、ゲート電極28と不純物拡散領域との間の電界の空乏層への漏れが少なく、接合電界に与える影響は少ない。また、ゲート電極28下の接合端部の電界は、不純物拡散領域の不純物濃度が低くなった分小さくなる。
【0041】
一方、絶縁膜が埋込まれた溝型の素子分離35を行った図3の場合を説明する。図3に見られるように不純物拡散領域27の不純物の横方向への広がり36は、ゲート電極28下のみとなる。即ち、溝型分離35がなされた両側部は原理的に拡散は発生しない。従って、選択酸化膜の場合に発生していたこの両側部の方向への拡散は生じない。従って、ゲート電極27下の不純物拡散層の表面濃度は、図3(b)に示すように、選択酸化膜で素子分離を行なった場合より高くなってしまう。また、ゲート電極下の不純物拡散層の不純物濃度が大きい場合、その濃度分布が急峻になり、これに伴い発生する電界強度は大きくなってしまう。
【0042】
このとき、図3a)にみられるように接合電界の大きい部分37の位置は、ゲート酸化膜34の下部になる。従って、ゲート電極と不純物拡散層との間の電界の空乏層への漏れが多くなる。この為、接合電界の大きい領域では、その漏れ電界の影響を受けてさらに大きくなってしまう。
【0043】
このように、接合電界の大きい部分の位置が、前述の選択酸化膜を用いた場合と溝型分離を用いた場合とで異なり、溝型分離の場合の固有の問題を生むこととなる。上述のように、素子分離を選択酸化膜から溝に変えた場合、接合電界が大きくなり、電界起因のリーク電流が無視できなくなる。結果として、DRAMのリフレッシュ特性が劣化してしまう。
【0044】
<溝型素子分離と厚いゲート絶縁膜>
図4の(a)、(b)の各々は、溝型分離されたMOS型トランジスタを有するDRAMセルを情報記憶部とし,更にその他に情報処理部を有した半導体集積回路装置の2つの例の主要部を模式的に示す断面図である。図4の(a)はそのゲート絶縁膜がチャネルの中心部分とその境界部分とでその厚さに差を有する例、図4(b)はゲート絶縁膜がチャネルと対応する部分で実質的に均一の厚さを有する例を示している。
【0045】
図4において、情報記憶部を42、情報処理部を40、および素子分離用の溝部を35と示している。ゲート絶縁膜に膜厚分布を有する場合、ゲート絶縁膜の各境界部分を39および41、ゲート絶縁膜の各中央部分を38および49と表示した。ゲート絶縁膜が均一な場合、ゲート絶縁膜全体を47および48として示した。また、ソースまたはドレインとなる不純物拡散領域を各々36、50、51、52、53、54、55、および56、ゲート電極層を37、このゲート電極層上の絶縁膜を150、サイド・スペーサを151として示した。
【0046】
図4(a)、(b)のいずれの場合も、情報記憶部42が有するMOS型トランジスタのソースまたはドレインとなる拡散層のゲート電極との境界部分に対応するゲート絶縁膜の膜厚(図4(a)では39、図4(b)では47)が、前記情報処理部40が有するMOS型トランジスタのソースまたはドレインとなる不純物拡散層のゲート電極との境界部分に対応するゲート絶縁膜の膜厚(図3(a)では41、図3(b)では48)より大きくなっている。このことによって、溝型分離による高集積度を確保しつつ、情報記憶部における耐圧、信頼性確保の為の要請と 情報処理部における情報処理の高速性確保の要請とに答えることが出来る。
【0047】
ゲート絶縁膜の厚さに中央部と境界部分に差のある例では、ソースまたはドレインとなる不純物拡散領域を複数の不純物濃度の領域として構成することと合わせて、更に、次のような利点を持たせ得る。第1はゲート端の接合領域へのゲート絶縁膜の電界の漏れ防止に有用である。第2はゲート絶縁膜の中央が薄いので、ソースードレイン間のリーク電流を小さくしながら、しきい値電圧は小さく出来る。
【0048】
図4(c)はこの効果を説明する為の装置断面図である。情報記憶部42において、ソースおよびドレインとなる拡散層との境界部分でのゲート酸化膜1045の膜厚が、情報処理部40のMOS型トランジスタの上記境界部分でのゲート酸化膜1074の膜厚より大きくなっている。この構成を取ることによって、ゲート電極1057と拡散層の高濃度部分1047との距離を大きくすることができる。即ち、ゲート電極1057と拡散層に挟まれた酸化膜1045の電界が、ゲート電極1057の端部の接合の空乏化領域に漏れることが阻止される。
【0049】
従って、溝型素子分離されたMOS型トランジスタのゲート電極端の領域1046での電界は比較的強いものの、上記電界の漏れの影響を排除することができる。
【0050】
ゲート電極端の接合の空乏化表面のゲート酸化膜1045も厚くするため、その分しきい値電圧を高くできる。こうして、情報保持時のソース・ドレイン間リーク電流を低減することができる。DRAMのリフレッシュ特性は、接合電界に起因した接合リーク電流と、情報保持時のソース・ドレイン間リーク電流との影響を受ける。従って、本構造によれば上記電界の増加を防止できる。また、前述の電界増加の防止効果に伴って、この電界増加が発生しない場合を考えれば、しきい値電圧を高く出来る。こうすれば、DRAM特性を更に向上することができる。
【0051】
また、この場合、ゲート電極中央部付近のゲート酸化膜を薄くしているため、ドレイン電流―ゲート電圧特性はソース・ドレイン間リーク電流を小さくしながらしいき値電圧を小さくすることが出来る。その結果、情報の読み出しや書き込みを行なう際にゲート電圧を低くできるので、昇圧回路が不要になるか、わずかな昇圧ですむようになる。こうして、DRAMのワード線の駆動を高速かつ低電力が実現できる。
【0052】
尚、図4(c)において、半導体基板は1040、低い不純物濃度の不純物領域は1046、1076、高い不純物濃度の不純物領域は1047、1077、ゲート電極1057および1067上の絶縁膜は1150および1160、シリコン窒化膜は1151および1161、サイドスペーサは1058および1068として夫々示した。
【0053】
図5はドレイン電流―ゲート電圧特性の各種比較を示すものである。(a)薄いゲート絶縁膜の場合(6nm)、(b)厚いゲート絶縁膜の場合(8nm)、および(c)ゲート絶縁膜がチャネル方向に膜厚分布を有する場合(6―8nmに渡って変化する例)の諸例を示している。尚、図5は、基板およびソースは接地,ドレインは3Vの印加の状態とした例の特性を示している。ドレイン電流―ゲート電圧特性からみると、ゲート絶縁膜がチャネル方向に膜厚分布を有する場合が最も好ましい。
【0054】
<ドレイン接合近傍の局所電界集中とノックオン原子>
前述の発明の適用に加えて、ゲート絶縁膜の厚くすることによって新たに生ずる可能性のある難点を回避しておくことが実用上重要である。
【0055】
先ず考え得るのは、ノックオン原子と局所電界集中の問題である。そこで、ゲート絶縁膜の厚さとノックオン原子の関係を考察する。
【0056】
図6は上記低濃度の不純物拡散領域を形成するための不純物イオン1の打込みにおけるノックオン原子の状態を示す断面図である。ゲート電極2の端部ではゲート酸化膜3中の酸素原子4が半導体基板5中にノックオンされる。
【0057】
図7はイオン打ち込み後の低濃度不純物領域が形成された状態を示す断面図である。低濃度拡散層6と半導体基板5とで構成される接合部には空乏化領域7が生ずる。しかし、この空乏化領域には、前述のノックオン原子による酸素析出物8が形成される。この酸素析出物8は、打込み損傷が析出核となり、打込み後の熱処理においてノックオン酸素4が析出核に捕獲されることにより形成される。
【0058】
図7はゲート絶縁膜が薄い場合の一般的な状況を例示している。ゲート酸化膜3が上記打込み深さより十分薄い場合には、ゲート酸化膜3中を通過する際の不純物イオン1のエネルギが十分高い。従って、ゲート酸化膜3中でエネルギを失う過程が電子との衝突によるものである。酸素原子との核衝突が少なく、この為、酸素のノックオンも少なくなる。また、基板5中では不純物が比較的深くまで打込まれるので、酸素のノックオンが生じても上記空乏化領域7に酸素析出物8が形成される確率は低い。
【0059】
しかし、図8に示すように、ゲート酸化膜9が厚くなると、ゲート酸化膜9中を通過し基板に達する直前の不純物イオンのエネルギが低くなる。この為、不純物イオンが原子核との衝突によりエネルギを失う過程が増える。この為、打ち込みイオンと酸素原子との核衝突が多くなり、酸素のノックオンも多くなる。特に、ゲート酸化膜9と基板5との界面近傍に打込まれる不純物が多くなるため、ノックオン酸素も多くなる。また、基板5中に打込まれる不純物は、比較的浅い部分にとどまるため、上記空乏化領域10に酸素析出物11が形成される確率が高くなってしまう。
【0060】
このような現象がある中で、前述の様にDRAMセル部のトランジスタのゲート酸化膜を厚くすると、ゲート電極端の基板表面付近に析出物11が発生する確率が高くなる。
【0061】
図9はゲート電極端部の電界分布と酸素析出物の問題となる関係を示したものである。図において、0MV/cmの等電界線14、0.1 MV/cmの等電界線15、0.2 MV/cmの等電界線16、0.3 MV/cmの等電界線17、および、0.4 MV/cmの等電界線18を示している。そして、ゲート電極2の端部では、低濃度不純物拡散層12の端部の曲率によって、空乏層13中の電界が大きくなる。
【0062】
今、電界の大きい部分(図の斜線部分18)に酸素析出物11が存在すると、局所電界集中が生じ、電界起因の接合リーク電流が増えてしまう。その結果、DRAMの重要な特性であるリフレッシュ特性が劣化してしまう。例えば特開平6-61486(記事6)はこうしたことが考えられる例である。
【0063】
尚、選択酸化膜を用いた素子分離の方法においても、ノックオン原子の影響は考慮しなければならない。図10は選択酸化膜による素子分離の例を示すものである。図10(b)はゲート酸化膜3が薄い例である。この場合、選択酸化膜19の端部では、実質的に酸化膜が厚くなっている。この為、酸素のノックオンも多くなり、酸素析出物20が多く発生する可能性がある。しかし、その部分では空乏層13中の電界16が小さいため、仮に局所電界集中が生じても、電界に起因する接合リーク電流は無視できる大きさである。
【0064】
しかし、図10(a)のようにゲート酸化膜9が厚い例では、酸素のノックオンに起因して発生した酸素析出物20が強電界部分(図中斜線部分)17に存在しやすい。この為、電界に起因する接合リーク電流が無視できなくなる。
【0065】
情報記憶部や情報処理部で独立にしきい値電圧を設定できるように、例えば、2種類の膜厚のゲート酸化膜を設定しても、より高度な特性要求に対しては更なる対応が必要である。例えば、膜厚が2種類のゲート酸化膜を有し、厚い酸化膜の下部の基板濃度を薄い酸化膜の下部より低くする方法になるDRAMを含む半導体集積回路装置を示す特開昭56-120166(記事9)でも同じ状況と考えられる。
【0066】
即ち、情報記憶部のMOS型トランジスタのゲート酸化膜を厚くして半導体基板の不純物濃度を低くすると、しきい値電圧が高くなる。従って、情報保持時のソース・ドレイン間リーク電流を低減することができなくなる。また、情報記憶部のMOS型トランジスタのゲート酸化膜を薄くして半導体基板の不純物濃度を高くすると、ゲート電極端での接合端部の電界が大きくなる。この為、電界に起因するリーク電流を低減することができない。その結果、DRAMの重要な特性であるリフレッシュ特性に影響が発生する。
【0067】
以下に記載の発明は、上述した更に仔細な諸問題点を回避するものである。
【0068】
<本願明細書に開示される発明のうちの代表的なものの更なる列挙>
(2)第2の発明は半導体基板内の不純物領域の不純物濃度に関するものである。
【0069】
即ち、その要点は、DRAMセルを有する情報記憶部と、情報処理部とを少なくとも有し、少なくとも前記DRAMセルは溝によって分離されたMOS型トランジスタを有し、この溝によって分離されたMOS型トランジスタのソースまたはドレインとなる不純物領域のゲート電極との境界部分での不純物領域の濃度が、情報処理部のMOS型トランジスタの上記境界部分での不純物領域の濃度より低く設定するものである。
【0070】
図11はこの第2の発明の主要部を模式的に示す断面図である。即ち、図11は、半導体基板1040に情報記憶部50と情報処理部52が形成される。そして、情報記憶部50のMOS型トランジスタは溝型分離49されている。尚、厚いゲート絶縁膜は55、これより薄いゲート絶縁膜は32と示した。また、サイドスペーサ部は56である。
【0071】
このMOS型トランジスタのソースあるいはドレインとなる不純物拡散層の不純物濃度を、ゲート電極との境界部分51において、情報処理部52のMOS型トランジスタの上記と同様の関係にある境界部分での不純物拡散層53の濃度より低くした例である。情報記憶部50のMOS型トランジスタでは、ゲート電極端部での半導体基板の不純物濃度がより低濃度となる為、ゲート電極54の端部での接合電界を小さくできる。
【0072】
本技術を上記第1の発明と合わせ実施することにより、より有用な半導体装置を実現することが出来る。
【0073】
この場合、上記第1の発明に関して述べたと同じように、溝によって分離されたMOS型トランジスタのゲート絶縁膜は、チャネル対応部分で実質的に同等の厚さでもよいし、またソースまたはドレインとなる拡散層のゲート電極との境界部分に対応する領域とそれ以外の領域とで膜厚に差を有した形態でも良い。ゲート絶縁膜がチャネル対応部分で実質的に均一な厚さの形態が製造に当って有利なことなどは前述の通りである。
【0074】
(3)第3の発明は、更に、ソース領域またはドレイン領域の高濃度領域とゲート電極との間隔に関するものである。
【0075】
即ち、その要点は、MOS型トランジスタのソースまたはドレインとなる拡散層のチャネル側の高濃度不純物領域とゲート電極との間隔が、情報処理部のMOS型トランジスタのソースまたはドレインとなる拡散層のチャネル側の高濃度不純物領域とゲート電極との間隔より大きいことを特徴とするものである。
【0076】
第3の発明を要約すれば、次の通りである。即ち、それは、DRAMセルを有する情報記憶部と、情報処理部とを少なくとも有し、少なくとも前記DRAMセルは溝によって分離されたMOS型トランジスタを有し、この溝によって分離されたMOS型トランジスタのソースまたはドレインとなる不純物領域のゲート電極との境界部分に対応するゲート絶縁膜の膜厚が、前記情報処理部が有するMOS型トランジスタのソースまたはドレインとなる拡散層のゲート電極との境界部分に対応するゲート絶縁膜の膜厚より大きく、且つこの溝によって分離されたMOS型トランジスタのソースまたはドレインとなる不純物領域のチャネル側の高濃度不純物領域とゲート電極との間隔が、情報処理部のMOS型トランジスタのソースまたはドレインとなる不純物領域のチャネル側の高濃度不純物領域とゲート電極との間隔より大きいことを特徴とする半導体装置である。
【0077】
上記第1の発明に関して述べたと同様に、溝によって分離されたMOS型トランジスタのゲート絶縁膜は、チャネル対応部分で実質的に同等の厚さでよい。またソースまたはドレインとなる不純物領域のゲート電極との境界部分に対応する領域とそれ以外の領域とで膜厚に差を有した形態でも良い。ゲート絶縁膜がチャネル対応部分で実質的に同等の厚さの形態が製造に当って有利なことなどは前述の通りである。
【0078】
また、前記ソース領域またはドレイン領域の高濃度領域とゲート電極との間隔については、素子分離を選択酸化膜を用いる方法においても適用できる。前述の図11において、素子分離49が選択酸化膜によりなされるようすれば良い。素子分離された情報記憶部のMOS型トランジスタにおいて、ゲート酸化膜55の膜厚は、情報処理部のゲート酸化膜32より厚い酸化膜を用いる。そして、情報記憶部50のMOS型トランジスタのゲート電極54のサイドスペーサ56の下部に形成される低濃度拡散層51の濃度を、情報処理部52のMOS型トランジスタのゲート電極54のサイドスペーサ56の下部に形成される低濃度拡散層53の濃度より低くする。これにより、情報記憶部50でのゲート電極54端の接合電界を、より小さくできる。
【0079】
(4)第4の発明は、ゲート電極に対して、特にサイドスペーサを有する構造を有する形態に関するものである。
【0080】
即ち、それは、DRAMセルを有する情報記憶部と、情報処理部とを少なくとも有し、少なくとも前記DRAMセルは素子分離されたMOS型トランジスタを有し、この素子分離されたMOS型トランジスタは、そのゲート電極の両側部にサイドスペーサ部を有し、且つ素子分離されたMOS型トランジスタのソースまたはドレインとなる不純物領域のゲート電極との境界部分に対応するゲート絶縁膜の膜厚が、前記情報処理部が有するMOS型トランジスタののソースまたはドレインとなる拡散層のゲート電極との境界部分に対応するゲート絶縁膜の膜厚より大きく、且つ溝によって分離された前記MOS型トランジスタのゲート電極の前記サイドスペーサ部の下部に略対応して位置する半導体領域の低濃度拡散領域の不純物濃度が、情報処理部のMOS型トランジスタのゲート電極の前記サイドスペーサ部の下部に略対応して位置する半導体領域の低濃度拡散領域の不純物濃度の濃度より低いことを特徴とする半導体装置である。
【0081】
この溝によって分離されたMOS型トランジスタのゲート絶縁膜は、チャネル対応部分で実質的に同等の厚さでもよいし、またソースまたはドレインとなる不純物領域のゲート電極との境界部分に対応する領域とそれ以外の領域とで膜厚に差を有した形態でも良い。ゲート絶縁膜がチャネル対応部分で実質的に同等の厚さの形態が製造に当って有利なことなどは前述の通りである。
【0082】
尚、第4の発明の場合、素子分離は、溝型分離あるいは選択酸化膜による分離をも用い得る。
【0083】
図12を参酌して、第4の発明の例を具体的に説明する。素子分離された情報記憶部50のMOS型トランジスタのゲート電極57のサイドスペーサ58下部に略対応して形成される低濃度拡散層59の濃度が、情報処理部52のMOS型トランジスタのゲート電極60のサイドスペーサ61下部に略対応して形成される低濃度拡散層62の濃度より低く形成されている。
【0084】
そして、情報記憶部50のMOS型トランジスタの高濃度拡散層65下に、サイドスペーサ58下部に形成されるより低濃度の拡散層59と同程度の濃度の拡散層68を有し、かつ、情報記憶部50のMOS型トランジスタのゲート酸化膜63下の基板濃度分布が、上記と同様にする。これによって、前述と同様にしきい値電圧を高く保ちながら、効果的に接合電界を低減することができる。
【0085】
本発明によって、情報記憶部における耐圧、信頼性確保の為の要請と、情報処理部における情報処理の高速性確保の要請とに答えることが出来る。
【0086】
(5)第5の発明は、更に、半導体基板における不純物濃度に関するものである。第5の発明の場合、素子分離は、溝型分離あるいは選択酸化膜による分離をも用い得る。
【0087】
それは、DRAMセルを情報記憶部とし、その他に情報処理部を有した半導体集積回路において、素子分離された情報記憶部のMOS型トランジスタのゲート電極のサイドスペーサ下部に形成される低濃度拡散層の濃度が、情報処理部のMOS型トランジスタのゲート電極のサイドスペーサ下部に形成される低濃度拡散層の濃度より低い際に、情報記憶部のMOS型トランジスタのゲート酸化膜下の基板濃度が、表面から上記低濃度拡散層とほぼ同じ深さまで高く、上記低濃度拡散層とほぼ同じ深さから高濃度拡散層とほぼ同じ深さまで低く、かつ、高濃度拡散層とほぼ同じ深さ以上で高くなっていることを特徴とする半導体装置である。
【0088】
図12の(a)に示すように、素子分離57(溝型分離あるいは選択酸化膜を用いた方法のいずれでも良い)された情報記憶部50のMOS型トランジスタのゲート電極57のサイドスペーサ58下部に形成される低濃度拡散層59の濃度が、情報処理部52のMOS型トランジスタのゲート電極60のサイドスペーサ61下部に形成される低濃度拡散層62の濃度より低くする際に、情報記憶部50のMOS型トランジスタのゲート酸化膜63下の基板64濃度分布を、表面から上記低濃度拡散層59とほぼ同じ深さまで高く、上記低濃度拡散層59とほぼ同じ深さから高濃度拡散層65とほぼ同じ深さまで低く、かつ、高濃度拡散層65とほぼ同じ深さ以上で高くする。
【0089】
これによって、上記低濃度拡散層59とそれに接した高濃度領域66との間での接合電界、および、高濃度拡散層65とそれに接した低濃度領域67との間での接合電界を小さくできるので、情報記憶部50のMOS型トランジスタのしきい値電圧を高く設定しながら、電界起因の接合リーク電流とサブスレッシュ電流を低減できる。
【0090】
図12(a)がゲート絶縁膜の厚さに分布を有する例であるのに対して、図12(b)はゲート絶縁膜がチャネルに対応した領域で実質的に均一な厚さを有する例である。他の構成は図12の(a)と(b)は同様である。
【0091】
図12の(c)は、情報記憶部のサイドスペーサの厚さを情報処理部のそれより大きくすることにより、高濃度不純物領域をゲート電極より距離を大きくとる例を示したものである。前述の図12の(b)はサイドスペーサの厚さが、情報記憶部と情報処理部とで同じ厚さになっている例である。各々のサイドスペーサは58および61である。同図において半導体装置のその他の領域は図12と同様の符号によって示した。
【0092】
図12の(c)は情報記憶部のサイドスペーサ581の厚さを情報処理部のそれ61より大きくした例を示している。例えば、サイドスペーサ581を70nm、サイドスペーサ61を50nmとする。この場合、高濃度不純物領域65の横方向の広がりが40nmの例では、ゲート電極57と高濃度不純物領域65の距離は、サイドスペーサ581側で30nmおよびサイドスペーサ61側で10nmとなる。尚、同図において半導体装置のその他の領域は図12と同様の符号によって示した。
【0093】
図13は、ゲート絶縁膜が8nmの場合、高濃度不純物領域65とゲート電極の間隔とゲート電極端の電界強度の関係を示す図である。尚、この例では、高濃度不純物領域65に対して、低濃度不純物領域59および電界緩和層68が形成されている。この図13より、電界強度を0.5MV/cm程度から0.3MV/cm程度まで低減出来ることが理解される。
【0094】
<リフレッシュ特性の改善に係わる多層構造ゲート電極>
以下に説明する発明は、ゲート電極に関するものである。この電極構造によって、 MOS型トランジスタのしきい値電圧を高く保ちながら、接合電界を低減するものである。これらゲート電極に関する発明を上述の各発明と併用して用いることは実用上好ましいことである。
【0095】
(6)第6の発明は、情報記憶部のMOS型トランジスタのゲート電極を多層構造とした改良に関するものである。
【0096】
このゲート電極は、ゲート絶縁膜上にn型不純物をドープの多結晶シリコン層もしくはノン・ドープの多結晶シリコン層、この上部にp型不純物をドープした多結晶シリコン層の積層を少なくとも有するするものである。この改良によって、DRAMのリフレッシュ時間を長く確保出来る。上述のp型不純物をドープした多結晶シリコン層は金属あるいはいわゆる金属シリサイドをも用い得る。尚、本発明においても素子分離は溝型分離、選択酸化膜による分離をも用い得る。
【0097】
DRAMセルを情報記憶部としその他に情報処理部を有した半導体集積回路において、素子分離された情報記憶部のMOS型トランジスタのゲート電極を多層構造とする。その下部を少なくとも2層とする。そして、その上部をp型不純物を導入した多結晶シリコン層とし、その下層、即ち、ゲート酸化膜直上をn型不純物を導入した多結晶シリコン層または不純物導入の無い多結晶シリコン層とすることを特徴とする半導体装置が有用である。
【0098】
図14は本発明を適用した場合のゲート電極部を半導体基板に対して垂直な断面のバンド構造を示す図である。 ゲート電極の下層としてn型不純物を導入した多結晶シリコン層を用いた例と不純物導入の無い多結晶シリコン層を用いた例を各々示している。
【0099】
図14の(a),(c)は、 上記トランジスタがON状態のとき、図14(b)、(d)はトランジスタがOFF状態のときのそれを示している。図において、ゲート電極は69、ゲート絶縁膜を70、半導体基板を71と示した。各々コンダクションバンドの下端を80、81、バレンスバンドの上端を83、84と示した。
【0100】
図14(a)に示す通り、上記トランジスタがON状態のときは、通常のゲートと同様に作用する。ゲート酸化膜70下の半導体基板71表面に反転(チャネル)層72が形成される。それは、ゲート電極69の下部に設けたp層とn層の接合でバンド構造の曲がりが順方向となるためである。
【0101】
一方、当該トランジスタがOFF状態のときは、図14(b)に示すように、ゲート電極69のp層とn層の接合でバンドの曲がりが逆方向となるため空乏層73が形成される。この空乏化した領域は、実質的にゲート酸化膜が厚くなるように作用する。この為、半導体基板の不純物濃度を高くすること無く、トランジスタのOFF時のサブスレッシュ電流を低減できる。
【0102】
その結果、しきい値電圧を高く保ちながら、効果的に接合電界を低減することができる。
【0103】
図14の(c)、(d)は不純物導入の無い多結晶シリコン層を用いた場合のバンド構造を示している。図14の(c)は当該トランジスタがON状態のとき、図14(d)はトランジスタがOFF状態のときのそれを示している。この場合も上述の形態を同等の効果を奏する。
【0104】
更に、ここで、上記p型不純物を導入した多結晶シリコン層とゲート酸化膜直上の上記多結晶シリコン層との界面に窒素を含ませることにより、半導体装置の製造工程中の熱処理においてp型不純物がゲート酸化膜直上の上記多結晶シリコン層に拡散するのを防止できる。このことにより、上記効果をより有効に得ることが可能となる。なお、上記p型不純物を導入した多結晶シリコン層を金属または金属シリサイドにすることにより、上記不純物拡散の影響を無視できるようになる。
【0105】
さらに、上述の電極構造を、半導体集積回路装置の各種領域に使い分けることが出来る。図15はその使い分けの状態を模式的に示したものである。図中、領域74、75は、各種領域が一つの半導体基板内に存在していることを模式的に示したものである。
【0106】
その使い分けの基本は、第1の厚さのゲート酸化膜上には第1の導電型の不純物を含む多結晶シリコン層を有したゲート電極が存在する部分74とし、第2の厚さのゲート酸化膜上には第2の導電型の不純物を含む多結晶シリコン層を有したゲート電極が存在する部分75を設けるものである。以下に2つの例を例示する。各々、その形態固有の効果を得ることができる。
【0107】
(1)第1の形態は、第1の厚さを第2の厚さより大きくして、厚い第1のゲート酸化膜上にp型不純物を導入した多結晶シリコン層を用い、また、薄い第2のゲート酸化膜上にn型不純物を導入した多結晶シリコン層を用いる場合である。
【0108】
この場合、第1の厚さのゲート酸化膜を有するpチャネルMOSトランジスタの動作を表面チャネル型とし、第1の厚さのゲート酸化膜を有するnチャネルMOSトランジスタの動作を埋込みチャネル型とする。一方、第2の厚さのゲート酸化膜を有するpチャネルMOSトランジスタの動作を埋込みチャネル型とし、第2の厚さのゲート酸化膜を有するnチャネルMOSトランジスタの動作を表面チャネル型とする。
【0109】
この構成の場合、トランジスタ動作が表面チャネル型のトランジスタを高速化でき、埋込みチャネル型のnチャネルトランジスタではゲート酸化膜を厚くできる分基板濃度の上昇を避けることができる。例えば、埋込みチャネル型のnチャネルトランジスタを情報記憶部のトランジスタにすると、これまで述べたように接合電界を低減できる。なお、種々の動作速度を持つトランジスタを実現できることは明かである。
【0110】
(2)第2の形態は、第1の厚さを第2の厚さより大きくして、厚い第1のゲート酸化膜上にn型不純物を導入した多結晶シリコン層を用い、また、薄い第2のゲート酸化膜上にp型不純物を導入した多結晶シリコン層を用いる場合である。
【0111】
この場合、第1の厚さのゲート酸化膜を有するnチャネルMOSトランジスタの動作を表面チャネル型とし、第1の厚さのゲート酸化膜を有するpチャネルMOSトランジスタの動作を埋込みチャネル型とする。一方、第2の厚さのゲート酸化膜を有するnチャネルMOSトランジスタの動作を埋込みチャネル型とし、第2の厚さのゲート酸化膜を有するpチャネルMOSトランジスタの動作を表面チャネル型とする。この形態では、薄いゲート酸化膜を用いたnチャネルトランジスタを実現でき、超高速動作が可能となる。
【0112】
つぎに、上記の特徴を持つ情報記憶部のMOS型トランジスタのゲート酸化膜の形成方法について述べる。
【0113】
まず、情報記憶部で厚く情報処理部で薄いゲート酸化膜を有したトランジスタの製造方法を図16および図17を参酌して説明する。
【0114】
<厚い酸化膜の第1の形成方法>
図16は第1の方法を説明する工程順の断面図である。図はゲート絶縁膜の形成方法の部分のみを示している。従って、半導体基板中への各種回路素子領域の形成は、通例の半導体装置の製造方法に従って製造されることはいうまでもない。
【0115】
(1)所定の半導体基板122の情報記憶部120および情報処理部121に対して、実質的に同じ膜厚のゲート酸化膜123を周知の方法にて形成する。
【0116】
(2)ゲート電極となるシリコン膜124を堆積する。
【0117】
(3)情報記憶部120以外の領域でのみシリコン膜124表面上に打込み用マスク12 5を形成する(図16の(a))。
【0118】
(4)こうして準備された半導体基板に、酸素イオン打込みし、その後熱処理を実施して情報記憶部120のシリコン膜124下のゲート酸化膜126を厚くする(図16の(b))。なお、情報記憶部120のシリコン膜124の表面もまた酸化される。
【0119】
(5)複数の所望の厚さの各ゲート絶縁膜を得た後は、シリコン膜124およびシリコン酸化膜127は、例えば除去し、後は通例の方法によって、半導体装置を製造すれば良い。
【0120】
<厚い酸化膜の第2の形成方法>
図17は第2の方法を説明する工程順の断面図である。図はゲート絶縁膜の形成方法の部分のみを示している。従って、半導体基板中への各種回路素子領域の形成は、通例の半導体装置の製造方法に従って製造されることはいうまでもない。
【0121】
(1)所定の半導体基板122の情報記憶部128および情報処理部131に対して、情報記憶部128で必要な膜厚の第1のゲート酸化膜129を形成する。
【0122】
(2)第1のゲート酸化膜129上に情報記憶部のゲート電極の一部となる第1のシリコン膜130を堆積する(図17の(a))。
【0123】
(3)つぎに、情報処理部131の第1のシリコン膜130および第1のゲート酸化膜 129を除去する(図17の(b))。
【0124】
(4)情報処理部131で必要な膜厚の第2のゲート酸化膜132を形成する(図17の(C))。
【0125】
(5)上記情報処理部131の第2のゲート酸化膜132および上記情報記憶部128に形成された第1のシリコン膜130表面上に形成された酸化膜133の表面に情報処理部131のゲート電極の一部となる第2のシリコン膜134を堆積して、第2のシリコン膜134および第1のシリコン膜130表面上に形成された酸化膜133を除去する(図17の(d))。
【0126】
(6)情報記憶部128および情報処理部131のゲート電極の一部となる第3のシリコン膜135を形成する(図17の(e))。
【0127】
(7)最後に、通常の工程を用いてゲート電極加工、低濃度拡散層137、サイドスペーサ138および高濃度拡散層139を形成して情報記憶部128のシリコン膜130,135下のゲート酸化膜129が厚くなるようなトランジスタを作製する(図17の(f))。
【0128】
この方式では、図17の(b)に示す構造を得るための加工マスクを情報処理部131の基板濃度制御のためのイオン打込みマスクにすることができる。また、図17の(d)に示す構造を得るための加工マスクを情報記憶部128の基板濃度制御のためのイオン打込みマスクにすることができる。さらに、シリコン膜34加工前にイオン打込みすれば情報記憶部128のゲート酸化膜129に対する打込み時のチャージアップの影響を取り除くことができる。なお、上記方法を用いて、まず、情報処理部131の薄いゲート酸化膜132を形成する工程からプロセスを開始しても同様も構造を得ることができる。
【0129】
次に、ゲート絶縁膜に膜厚分布を持たせる方法について説明する。即ち、情報記憶部のMOS型トランジスタのゲート酸化膜のチャネル方向の膜厚分布を、情報処理部のMOS型トランジスタのゲート酸化膜のチャネル方向の膜厚分布より大きくする方法である。
【0130】
<ゲート絶縁膜に膜厚分布を持たせる第1の方法>
図18はゲート絶縁膜の膜厚分布を持たせる第1の方法を説明する工程順の断面図である。図はゲート絶縁膜の形成方法の部分のみを示している。従って、半導体基板中への各種回路素子領域の形成は、通例の半導体装置の製造方法に従って製造されることはいうまでもない。
【0131】
(1)所定の半導体基板122に、情報記憶部140および情報処理部141において同じ膜厚のゲート酸化膜142を形成する。
【0132】
(2)ゲート電極であるシリコン膜143を堆積し、これをを所定形状に加工する。
【0133】
(3)情報記憶部140でシリコン膜143表面上にシリコン窒化膜144を形成する(図18の(a))。
【0134】
(4)こうして準備した半導体基板を熱酸化することにより、情報記憶部140のシリコン膜143下のゲート酸化膜142をチャネル方向をその外側に向かって膜厚を大きくする(図18の(b))。
【0135】
上述の熱酸化時にシリコン窒化膜144は凹状態に反るため、ゲート電極端部の酸化膜に引っ張り応力が発生しする。この領域では酸素の拡散が速くなる。この為、チャネル方向をその外側に向かって膜厚が大きいゲート酸化膜145が形成される。上記シリコン窒化膜の反りは、シリコン窒化膜144の堆積温度が低い程、また、堆積膜厚が大きい程、大きくなる。その結果、チャネル方向の膜厚分布は、シリコン窒化膜144の堆積温度および堆積膜厚によって制御できる。
【0136】
<ゲート絶縁膜に膜厚分布を持たせる第2の方法>
図19はゲート絶縁膜の膜厚分布を持たせる第2の方法を説明する工程順の断面図である。
【0137】
(1)所定の半導体基板152に、情報記憶部146および情報処理部147において同じ膜厚のゲート酸化膜148を形成する。
【0138】
(2)次いで、シリコン膜149および絶縁膜150を順次堆積し、絶縁膜150およびシリコン膜149を、所定形状に加工してゲート電極を形成する(図19の(a)。
【0139】
(3)その後、上記ゲート電極の表面および側壁とMOS型トランジスタのソースおよびドレイン部表面とを覆うようにシリコン窒化膜151を形成する。
【0140】
(4)こうして準備した半導体基板の情報処理部147をマスクで覆う。
【0141】
(5)次いで、シリコン窒化膜151をエッチングして、情報記憶部146のゲート電極側壁に上記シリコン窒化膜151が残るようにする(図19の(b))。
【0142】
以下の工程は3つの方法が考えられる。
【0143】
(6)第1は、上述の(5)状態で、熱酸化熱酸化する方法である(図19の(c) )。
【0144】
(7)第2は、情報記憶部のゲート電極側壁の上記シリコン窒化膜151をマスクとして上記ゲート酸化膜148をエッチングした後熱酸化する方法(図19の(d))。
【0145】
(8)第3は、情報記憶部146のゲート電極側壁の上記シリコン窒化膜151をマスクとして上記ゲート酸化膜148および半導体基板152をエッチングした後、熱酸化する方法(図19の(e))である。
【0146】
この工程の後、ソースおよびドレインとなる拡散層などを形成してトランジスタを作製する。この方法では、熱酸化する前の方式によってチャネル方向の膜厚分布を制御することができる。
【0147】
本願発明の製造方法によれば、膜厚の異なるゲート酸化膜を良質に得ることが出来る。
【0148】
これまでに、情報記憶部と情報処理部とで膜厚が異なるゲート酸化膜は、例えば、従来のフラッシュメモリで用いた例がある。しかし、情報処理部ではゲート酸化膜の形成前に、浮遊ゲート電極用シリコン膜の加工損傷および情報処理部の層間絶縁膜の除去損傷の影響を受けることとなる。この結果、良質のゲート酸化膜を形成できない。通常、シリコン膜の加工や層間絶縁膜の除去にはドライエッチングが用いられるため、半導体表面にドライエッチング損傷が生じる。この損傷を受けた部分を熱酸化により酸化膜を形成するため、酸化膜質がその損傷の影響を受けて劣化してしまう。本願発明はこうした問題を有しない。
【0149】
【発明の実施の形態】
実施例1
図20は第1の実施例の各製造工程を示した半導体装置の断面図である。情報記憶部を155および情報処理部を156として各々模式的に示した。
【0150】
シリコン基板153として、p型、10Ω-cmの(100)面方位のものを準備する。まず、素子分離領域となる部分に深さが0.4μmの溝を形成し、ついで、周知の方法によって、溝にシリコン酸化膜154を埋込んだ。
【0151】
つぎに、情報記憶部155と情報処理部156のn型MOSトランジスタを形成する部分157に、ボロンを以下の条件でイオン打込みを実施した。ボロン打込み条件は、(1)360keVで2xe13/cm2、(2)200keVで8xe12/cm2、および、(3)50keVで2xe12/cm2の3種類である。また、情報処理部156のp型MOSトランジスタを形成する部分158に、リン打込みを実施した。その条件は(1)500keVで1xe13/cm2、(2)240keVで5xe12/cm2、および、(3)100keVで2xe12/cm2の3種類である(図20(a))。これらの不純物は図示していない。 その後、1000℃で20分の熱処理を実施した。
【0152】
尚、これら3種類のイオン打ち込みは、通例の半導体装置の製造で行われている次の目的の為である。(1)基板抵抗を下げる。(2)半導体基板にウエルを形成する。(3)寄生MOS防止の為のチャネルスットパを形成する。
【0153】
つぎに、周知の熱酸化法により、膜厚が5nmのシリコン酸化膜159を形成した。更に、その酸化膜159上に膜厚が150nmのシリコン膜160を堆積した。ここで、シリコン膜160中には、2xe20/cm3のリンが導入されている。
【0154】
ホトレジスト膜を情報処理部156にのみ膜厚が1μmの厚さに形成した。ここで、酸素イオンを20keVで2xe16/cm2打込み、上記ホトレジスト膜のマスクを除去した。なお、上記酸素は、情報記憶部155のシリコン膜中にのみ打込まれている。
【0155】
その後、1%の酸素を含んだ窒素雰囲気中で1000℃、20分の熱処理を行なって、情報記憶部155のシリコン膜160下のシリコン酸化膜161を7nm程度まで厚くした。この厚いシリコン酸化膜を情報記憶部のゲート絶縁膜に用いるのである。なお、情報記憶部155のシリコン膜160表面にも5nm程度のシリコン酸化膜162が形成された(図20の(b))。
【0156】
つぎに、情報処理部156のn型MOSトランジスタ157のしきい値電圧制御のためにボロンを25keV、2e12/cm2でイオン打込みを行う。また、情報処理部156のp型MOSトランジスタ158のしきい値電圧制御のためにリンを50keVで2e12/cm2イオン打込みをした。また、情報記憶部155のn型MOSトランジスタ157のしきい値電圧制御のためにボロンを25keV、3e12/cm2でイオン打込みした。
【0157】
これらのイオン打ち込みは通例のものである。
【0158】
なお、本発明を実施しない従来構造の場合には、情報記憶部155のn型MOSトランジスタ157のしきい値電圧制御のために、ここでボロンを25keV、4.5e12/cm2でイオン打込みする必要があった。
【0159】
つぎに、シリコン膜160表面上のシリコン酸化膜162を除去する。そして、膜厚が50nmのタングステンシリサイド膜163および膜厚が150nmのシリコン酸化膜164を順次堆積した。そして、ゲート電極形成のために、上記シリコン酸化膜164、上記タングステンシリサイド膜163および上記シリコン膜160を所定形状に加工した。
【0160】
その後、情報記憶部155と情報処理部156のn型MOSトランジスタを形成する部分にリンを25keV、5e13/cm2で打込みを行う。また、情報処理部のn型MOSトランジスタを形成する部分157に二フッ化ボロンを25keV、2e13/cm2でイオン打込みをした。そして、ゲート電極の側壁に膜厚が50nmのシリコン窒化膜165でサイドスペーサを形成する。
【0161】
さらに、情報処理部156のn型MOSトランジスタを形成する部分157にヒ素を25keV、1e15/cm2でイオン打込みを行う。また、情報処理部156のp型MOSトランジスタを形成する部分158に二フッ化ボロンを25keV、1e15/cm2でイオン打込みした。つぎに、窒素雰囲気中で950℃、30秒の熱処理を行なった(図20の(c))。
【0162】
層間絶縁膜として膜厚が500nmのリンを含むガラス膜166を堆積する。情報記憶部155のコンタクトの穴と情報処理部156のコンタクト穴を上記リンガラス膜166に開孔する。そして、この開孔部に膜厚が500nmの窒化チタン膜167を接続用導伝体として埋込んだ。
【0163】
つぎに、層間絶縁膜として膜厚が100nmのリンを含むガラス膜168を堆積する。情報記憶部のビット線用コンタクトの穴と情報処理部のコンタクト穴を上記リンガラス膜に開孔する。更に、膜厚が50nmのタングステン膜169を導伝体として堆積し、所定形状に加工した。
【0164】
こうして準備した半導体基体に、膜厚が300nmのリンを含むガラス膜170を堆積し、上記リンガラス膜に情報記憶部155のキャパシタ電極形成用のコンタクトの穴を開孔する。キャパシタの蓄積電極となる膜厚が100nmのタングステン膜171を堆積し、所定形状に加工した。
【0165】
その後、シリコン酸化膜厚換算で2.5nmの五酸化タンタル膜172をキャパシタ絶縁膜として形成しする。更にもう一方のキャパシタ電極である膜厚が100nmの窒化チタン膜173を堆積し、所定形状に加工した(図20(d))。
【0166】
この状態以降は、従来方法と同じ配線作製の工程を用いる。こうして本願発明のDRAMセルを情報記憶部とし、その他に情報処理部をも有した半導体集積回路装置が実現される。
【0167】
本実施例によれば、溝型素子分離を用い、且つ情報記憶部のトランジスタのゲート酸化膜を厚くできるので、必要なしきい値電圧を得るのに基板表面のp型不純物濃度をより低くすることができる。その結果、キャパシタに正電荷が蓄えられた状態で情報を保持する場合、蓄積電極に接するn型層とn型基板で構成されるp-n接合の空乏層中の電界強度を低減できる。そして、この電界に起因した接合リーク電流を低減することが出来る。この結果、全ビット中の最も情報保持時間の短いビットの情報保持時間を、従来のおおよそ0.05秒から0.1秒に長くすることができた。
【0168】
実施例2
図21は、第2の実施例を示した装置を工程順に示した断面図である。図21の例では情報記憶部を155と情報処理部を156と模式的に示している。
【0169】
シリコン基板173は、n型、10Ω-cmの(100)面方位のものを準備する。まず、素子分離領域となる部分に深さが0.4μmの溝を形成し、この溝にシリコン酸化膜154を周知の方法で埋込んだ。
【0170】
つぎに、熱酸化法により情報記憶部155のn型MOSトランジスタで必要な膜厚が12nmのシリコン酸化膜174を形成し、更にこの上部に膜厚が20nmのシリコン膜175を堆積した。
【0171】
情報記憶部155と情報処理部156のn型MOSトランジスタを形成する部分157に、ボロンを以下の条件でイオン打込みを実施する。ボロン打込み条件は、(1)200keVで8e12/cm2、(2)50keVで2e12/cm2、および、(3)25keVで2e12/cm2である。また、情報処理部156のp型MOSトランジスタを形成する部分158に、(1)500keVで1e13/cm2、(2)240keVで5e12/cm2、(3)100keVで2e12/cm2、および、(4)25keVで2e12/cm2のリン打込みを実施した。その後、1000℃で10分の熱処理を実施した(図21(a))。 尚、各不純物は図示していない。また、イオン打ち込みの意味も実施例1において述べたものである。
【0172】
そして、シリコン膜175およびシリコン酸化膜174を情報記憶部155の領域が残るように加工した。情報処理部156のMOSトランジスタで必要なシリコン酸化膜176を厚さ5nmに熱酸化法により形成した。この時、情報記憶部のシリコン膜177表面にはおおよそ10nmのシリコン酸化膜が形成される(図21(b))。
【0173】
本実施例では、情報記憶部でのゲート絶縁膜174の厚さは12nm、一方、情報処理部でのゲート絶縁膜の厚さは5nmである。このように、情報記憶部でのゲート絶縁膜174の厚さが、情報処理部でのゲート絶縁膜の厚さより厚くなっている。
【0174】
つぎに、膜厚が10nmのシリコン膜178を堆積する。情報処理部156でのみ上記シリコン膜178表面上に膜厚が2μmのホトレジスト膜を形成する。こうして準備した基体に400keV、2e13/cm2でボロン打込みをしてp型高濃度埋込み層を形成した。このp型高濃度埋込み層によって、ホットキャリヤ耐性を向上できる。なお、ここで、25keVで1e12/cm2のボロン打込みを実施して情報処理部156のトランジスタのしきい値電圧を設定できる。
【0175】
上記ホトレジスト膜をマスクとして上記シリコン膜178をエッチングし、さらに、情報記憶部155のシリコン膜175表面に形成されたシリコン酸化膜177を除去した(図21の(c))。
【0176】
その後、上記ホトレジスト膜を除去して、膜厚が140nmのシリコン膜179および膜厚が50nmのタングステンシリサイド膜180および膜厚が150nmのシリコン酸化膜181を堆積した。そして、ゲート電極形成のために、上記シリコン酸化膜、上記タングステンシリサイド膜および上記シリコン膜を所定形状に加工した(図21(d))。その後の工程は、第1の実施例と同じである。
【0177】
本実施例によれば、情報記憶部のトランジスタに必要なしきい値電圧を確保して従来に比べて基板表面濃度を半分以下にできる。従って、キャパシタに正電荷が蓄えられた状態で情報を保持する場合、蓄積電極に接するn型層とn型基板で構成されるp-n接合の空乏層中の電界強度を低減できる。そして、この電界に起因した接合リーク電流を低減することが出来る。結果として、全ビット中の最も情報保持時間の短いビットの情報保持時間を、おおよそ従来の0.05秒から0.3秒に長くすることができた。
【0178】
また、基板濃度制御用のイオン打込みや熱処理前にゲート酸化膜を形成できる。この為、ゲート酸化膜の耐圧劣化を防止でき、また、その信頼性を向上できる。なお、ゲート電極となるシリコン膜のパターニング前に基板濃度制御用のイオン打込みが実施できるので、打込み時のチャージアップの問題がない。
【0179】
実施例3
図22は、第3の実施例を示した装置の断面図である。本例では情報記憶部を155と情報処理部を156と模式的に示している。本例はゲート絶縁膜がチャネル方向に膜厚分布を有する例である。
【0180】
シリコン基板182は、p型、10Ω-cmの(100)面方位のものを準備する。ゲート酸化膜183およびシリコン膜184を堆積するまでの工程は、第1の実施例と同じである。
【0181】
本実施例では情報記憶部155と情報処理部156のn型MOSトランジスタ157のしきい値電圧制御のためにボロンを25keV、2e12/cm2でイオン打込みを行う。
【0182】
また、情報処理部156のp型MOSトランジスタ158のしきい値電圧制御のためにリンを50keV、2e12/cm2でイオン打込みした。ここで、シリコン膜184表面上には第1の実施例で用いたタングステンシリサイド膜185を堆積した。つぎに、膜厚が100nmのシリコン窒化膜186を堆積した。そして、情報記憶部155以外のシリコン窒化膜186を部分的に除去して後、基体全体に150nmのシリコン酸化膜187を堆積した(図22(a))。
【0183】
つぎに、ゲート電極形成のために、上記シリコン酸化膜187、上記シリコン窒化膜186、上記タングステンシリサイド膜185および上記シリコン膜184の積層体を所定形状に加工した(図22(b))。
【0184】
その後、酸素雰囲気中で1000℃、10分の熱処理を行なった。この熱処理により、情報記憶部155における上記シリコン膜184下のシリコン酸化膜183は、ゲート電極端部で厚く、ゲート電極中心部で薄い構造となった。すなわち、チャネル方向に膜厚分布を有したシリコン酸化膜となった。
【0185】
この後、情報記憶部155と情報処理部156の両領域のn型MOSトランジスタを形成する部分157にリンを25keV、5e13/cm2で打込みを行った。また、情報処理部156のp型MOSトランジスタを形成する部分158に二フッ化ボロンを25keV、2e13/cm2で打込みを行った。そして、ゲート電極の側壁に膜厚が50nmのシリコン窒化膜188でサイドスペーサを形成した(図22(c))。ここで、チャネル方向の膜厚分布は、上記リン打込み層以外の部分で5nm乃至6nmの膜厚分布を有している。
【0186】
この後の工程は、第1の実施例で示した工程と同じである。
【0187】
本実施例によれば、キャパシタに正電荷が蓄えられた状態で情報を保持する場合、蓄積電極に接するn型層とn型基板で構成されるp-n接合のリーク電流(サブスレッシュホールド電流)を低減できるため、必要とされるしきい値電圧を得るための基板濃度を低減できた。その結果、上記接合の空乏層中の電界強度を低減できる。そして、電界に起因した接合リーク電流を低減することによって、全ビット中の最も情報保持時間の短いビットの情報保持時間をおおよそ従来の0.05秒から0.1秒に長くすることができた。
【0188】
また、耐圧不良が多くなる薄いゲート酸化膜部分が少なくなるため、耐圧不良の発生頻度を低減できた。
【0189】
実施例4
図23は第4の実施例の半導体装置を示した断面図である。図23では情報記憶部を155、情報処理部を156と模式的に示している。本例はゲート絶縁膜の厚さがチャネル方向に厚さ分布を有する別な実施例である。
【0190】
シリコン基板182およびゲート電極となるタングステンシリサイド膜185堆積までの工程は、第3の実施例と同じである。
【0191】
なお、情報記憶部155のトランジスタのしきい値電圧制御用の最も打込みエネルギーの低いボロン打込みでの打込み量は、下記のゲート絶縁膜の形成に関する方式を方式1〜3と変えて実施した。具体的には、方式1では3xe12/cm2、方式2では2xe12/cm2、そして方式3では1xe12/cm2とした。尚、これらの各方式についての詳細は後述する。
【0192】
上記シリサイド膜185上に膜厚が150nmのシリコン酸化膜189を堆積した。そして、ゲート電極形成のために、上記シリコン酸化膜189、上記タングステンシリサイド膜185および上記シリコン膜184の積層体を所定形状に加工した(図23(a))。
【0193】
つぎに、膜厚が10nmのシリコン窒化膜190を堆積する。情報処理部156のみのエッチングマスクを形成してシリコン窒化膜190を異方性ドライエッチングにより加工した。こうして、情報記憶部155のゲート電極の側壁にはシリコン窒化膜190が残存し、いわゆるサイドスペーサが形成される。
【0194】
更に、ゲート絶縁膜の形成方法として、上述した次の3つの方式によって下記方法を採用した。
【0195】
(1)方式1:方式1は、この状態で900℃、10分の酸素雰囲気中熱処理を行なう。
【0196】
(2)方式2:方式2は、情報記憶部155の上記ゲート酸化膜183をエッチングしたのちに900℃、10分の酸素雰囲気中熱処理を行なう。
【0197】
(3)方式3:方式3はさらにシリコン基板182を20nmエッチングしたのちに900℃、10分の酸素雰囲気中熱処理を行なう。
【0198】
各方式を採用した場合の半導体装置の断面構造は、図23(c)―図23(e)に各々対応している。
【0199】
なお、900℃、10分の酸素雰囲気中熱処理では、シリコン基板182表面におおよそ50nmのシリコン酸化膜が形成される。その後、情報記憶部155と情報処理部156のn型MOSトランジスタを形成する部分157にリンを25keV、5e13/cm2で打込んだ。 また、情報処理部156のp型MOSトランジスタを形成する部分158に二フッ化ボロンを25keVで2e13/cm2打込みした。
【0200】
ここで、上記リン打込み層以外の部分において、チャネル方向のゲート酸化膜183の膜厚分布は次の通りである。方式1(図23(c))では5nm乃至6nmの膜厚分布を、方式2(図23(d))では5nm乃至7nmの膜厚分布を、そして、方式3(図23(e))では5nm乃至9nmの膜厚分布を有している。
【0201】
次いで、ゲート電極の側壁に膜厚が50nmのシリコン窒化膜191でサイドスペーサを形成する。さらに、情報処理部156のn型MOSトランジスタを形成する部分157にヒ素を25keV、1e15/cm2で打込みを行う。また、情報処理部156のp型MOSトランジスタを形成158する部分に二フッ化ボロンを25keVで1e15/cm2打込みした。
【0202】
この後の工程は、第1の実施例で示した工程と同じである。
【0203】
上記方式1乃至方式3の本実施例によれば、それぞれのチャネル方向のゲート酸化膜の膜厚分布によって、必要とされるトランジスタのしきい値電圧を維持しながら基板濃度を低減することが可能である。その結果、全ビット中の最も情報保持時間の短いビットの情報保持時間を、おおよそ従来の0.05秒から長くすることが出来た。前記情報保持時間は、方式1では0.1秒、方式2では0.2秒、また方式3では0.4秒であった。
【0204】
また、本実施例によれば、耐圧不良が多くなる薄いゲート酸化膜部分を少なくできる方で耐圧不良の発生頻度を低減できた。
【0205】
<実施例の特性のまとめ>
情報記憶部のトランジスタのゲート酸化膜の構造として本発明を採用した場合の結果をまとめて、図24および図25に示す。図24は情報保持特性を示す。横軸はDRAMのリフレッシュ時間、縦軸は横軸に対応した累積度数を標準偏差で示したものである。また、図25はゲート酸化膜耐圧不良発生密度を示したものである。横軸はゲート絶縁膜の最小部分の膜厚、縦軸は耐圧不良発生密度を示す。図において「均一SiO2膜」と示したものは、ゲート絶縁膜が実質的に膜厚分布を有さないと見なされるものの結果、「バーズビークSiO2膜」と示したものは、ゲート絶縁膜がチャネル方向に膜厚分布を有するものの結果である。
【0206】
図24から、情報記憶部のトランジスタのゲート酸化膜を厚くすること、チャネル方向に膜厚分布を持たせることによって、情報保持時間が長くなることが理解される。ゲート酸化膜を厚くすることは基板濃度低減を可能とし、情報保持時間を長くすることにより有用である。
【0207】
また、図25から、チャネル方向に均一なゲート酸化膜の場合に比べて、チャネル方向の膜厚分布が大きい場合ほどゲート酸化膜耐圧不良発生密度が小さくなることが理解される。
【0208】
実施例5
図26は、第5の実施例を示した半導体装置の断面図である。図26では情報記憶部を155、情報処理部を156と模式的に示している。
【0209】
シリコン基板および工程は基本的に第3の実施例と同じであるが、イオン打ち込みの条件を下記の3つを選択した。
【0210】
(1)方式4:方式4は、情報記憶部155においてサイドスペーサ形成前のリン打込み量を減らした場合である。この状態を図26の(a)に示す。
【0211】
(2)方式5:方式5は、次の2つの手段を用いている。第1に情報記憶部155のトランジスタのしきい値電圧制御用にさらに浅いボロン打込みを加えたことである。加えて、第2に情報記憶部155においてサイドスペーサ形成後のヒ素打込みに引き続き、低濃度のリン打込みの加えた。この状態を図26の(b)に示す。
【0212】
(3)方式6:方式6は、前述の方式4と方式5とを組み合わせた場合である。
尚、これらの方式においては、これまでの実施例のイオン打ち込み方法とは若干の条件変更を行なった。具体的には、方式4では上記リン打込み量を実施例3の半分とし、方式5では25keVで5e11/cm2の二フッ化ボロン打込みおよび150keVで3e12/cm2のリン打込みを加えた。
【0213】
上記方式4-方式6の例によれば、トランジスタのしきい値電圧を維持しながらゲート電極と高濃度層の間の低濃度層の電界を低減できた。また、高濃度拡散層と基板とで構成されるp-n接合の空乏層中の電界強度を低減できた。その結果、全ビット中の最も情報保持時間の短いビットの情報保持時間を従来のおおよそ0.05秒から長くすることが出来た。前述の情報保持時間は、方式4では0.5秒、方式5では0.5秒、方式6では0.6秒であった。
【0214】
実施例6
図27は第6の実施例を説明する装置の断面図である。本実施例は情報処理部のMOS型トランジスタのゲート電極を多層構造とした例である。このゲート電極の例は、ゲート絶縁膜上にn型不純物をドープもしくはノン・ドープの多結晶シリコン層、この上部にp型不純物をドープした多結晶シリコン層の積層を少なくとも有するするものである。
【0215】
図27はDRAMセルを情報記憶部とし,その他に情報処理部を有した半導体集積回路の主要部を模式的に示したものである。図では溝型素子分離を用いた半導体装置が示されているが、本ゲート電極の実施においては、素子の分離は選択酸化膜(通例、LOCOSと称されている)によっても良い。
【0216】
素子分離が施された情報記憶部76のMOS型トランジスタのゲート酸化膜77を形成した後、リンが1016/cm3程度混入したn型多結晶Si層78を膜厚10nmに形成する。次いでn型多結晶Si層78の表面をアンモニア中で処理(700℃、10秒)して表面近傍に窒素を混入する。こうした処理を施したn型多結晶Si層78上にボロンが1020/cm3程度混入したp型多結晶Si層79を200nm堆積した。
【0217】
その後、上記実施例と同様に、積層した多結晶Si層を含めて所定形状に加工してゲート電極を形成した。
【0218】
尚、この実施例では情報記憶部以外のMOS型トランジスタのゲート電極部は通例の構造を有する。即ち、ゲート酸化膜77を形成した後、ボロンが1020/cm3程度混入したp型多結晶Si層79を200nm堆積した。
【0219】
情報記憶部に上記ゲート電極構造を適用することによって、次の3つの改善を施すことが出来た。
【0220】
(1)トランジスタがOFF時の等価的なゲート酸化膜厚を3nm程度増加させることができた。
【0221】
(2)基板濃度を約半分にすることが出来た。
【0222】
(3)接合電界を30%低減することが出来た。
【0223】
そして、結果として、同じゲート酸化膜厚の場合より、リフレッシュ時間を3倍にすることができた。
【0224】
また、ゲート酸化膜を形成した後、不純物を含まない多結晶Si層78を10nm堆積し、上記と同様のp型多結晶Si層79を200nm堆積した場合においても、上記と同様の効果を得ることができた。
【0225】
さらに、次の構造も取りうる。即ち、(1)上記10nmの多結晶Si層78上に膜厚が200nmのタングステン膜79を形成した場合、および、(2)膜厚が200nmのチタンシリサイド膜を形成した場合である。この場合、本実施例における上述の構造の場合と同じ接合電界を実現できる。一方、この場合、多少接合リーク電流が増加し、リフレッシュ時間は2倍程度であった。勿論、リフレッシュ時間は従来より長くできる利点を有することは変わりない。
【0226】
実施例7
図28は第7の実施例を示す半導体装置の主要部を示した断面図である。本例は、作成する半導体集積回路装置の要請に応じて、ゲート絶縁膜の厚さおよびゲート電極の導伝型を種々選択する例を示すものである。具体的には、本例は半導体集積回路における情報記憶部、情報処理部、あるいは高電圧発生回路や情報の入出力回路にこれら各種MOSトランジスタの形態を使い分けるものである。
【0227】
半導体基板にn型ウエル84、86およびp型ウエル85、87が形成された状態として示している。
【0228】
n型ウエル84の表面にpチャネルのMOSトランジスタを表面チャネル型として形成し、これを情報記憶部のMOSトランジスタとして用いる。この場合、厚いゲート絶縁膜80を用いる。
【0229】
他方、p型ウエル85の表面にnチャネルのMOSトランジスタを埋め込みチャネル型として形成し、これを高電圧発生回路や情報の入出力回路として用いる。この場合、高耐圧用として厚いゲート絶縁膜80を用いる。
【0230】
また、n型ウエル、p型ウエルの各々に薄いゲート絶縁膜80が形成されている。これらは、情報処理部のMOSトランジスタとして用いる。
【0231】
以下、ゲート電極部の形成に関する工程について説明する。その他の工程は通例の方法を用いれば良い。先ず、所定の準備がなされた半導体基板に厚いゲート絶縁膜を必要とする領域には、膜厚が10nmのゲート酸化膜80を形成する。そして、この上に実施例6において述べたものと同様のp型不純物を導入した多結晶シリコン層81を形成する。
【0232】
一方、薄いゲート絶縁膜を必要とする領域には、半導体基板上の所定領域に膜厚が5nmのゲート酸化膜82を形成する。そして、この上にリンが1020/cm3程度導入された多結晶シリコン層83を200nm堆積する。
【0233】
こうして、膜厚が10nmのゲート酸化膜を有するn型ウエル層84表面には、pチャネルMOSトランジスタの動作を表面チャネル型として情報記憶部のトランジスタに用いる。他方、膜厚が10nmのゲート酸化膜を有するp型ウエル層85表面には、nチャネルMOSトランジスタの動作を埋込みチャネル型とし高電圧発生回路および情報の入出力回路のトランジスタとして用いる。
【0234】
また、膜厚が5nmのゲート酸化膜を有するn型ウエル層86表面には、pチャネルMOSトランジスタの動作を埋込みチャネル型としたトランジスタとして用いる。他方、膜厚が5nmのゲート酸化膜を有するp型ウエル層87表面には、nチャネルMOSトランジスタの動作を表面チャネル型のトランジスタとして情報処理部に用いた。
【0235】
その結果、アクセス時間を従来の半分にでき、また、リフレッシュ時間を5倍にすることができた。なお、本実施例は一例であり、前述のように、ゲート酸化膜厚およびゲート電極の導電型の組み合わせは、それぞれの要求により、様々な半導体素子に実施できる。
【0236】
【発明の効果】
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下記の通りである。
【0237】
本願の第1の発明によれば、 DRAMセルを情報記憶部と情報処理部とを有した半導体集積回路装置を、より高集積度を実現することが出来ると共に、情報記憶部における信頼性を確保でき、情報処理部における高速性をも確保出来る。
【0238】
また、MOS型トランジスタのチャネル方向に膜厚分布を持つゲート酸化膜にすることで、ゲート耐圧不良の発生頻度を低減できた。
【0239】
本願の第2―第4の発明によれば、 DRAMセルを情報記憶部と情報処理部とを有した半導体集積回路装置を、より高集積度を実現することが出来ると共に、そのリフレッシュ特性を向上出来る。
【0240】
本願の第5の発明によれば、MOS型トランジスタのしきい値電圧を高くしながら、接合リーク電流とサブスレショルド電流を低減出来る。
【0241】
本願の第6の発明によれば、 MOS型トランジスタのしきい値電圧を高く保ちながら、接合電界を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は厚いゲート絶縁膜の役割の一つを説明するゲート電極部の断面図である。
【図2】図2は選択酸化膜を用いた場合の不純物濃度分布を説明する図である。
【図3】図3は選択酸化膜を用いた場合の不純物濃度分布を説明する図である。
【図4】図4は情報記憶部と情報処理部でのMOS型トランジスタの主要部断面図である。
【図5】図5は各種MOS型トランジスタのサブスレッシュ特性を比較した図である。
【図6】図6はイオン打込みの際のゲート電極端部での酸素のノックオン状態を説明する断面図である。
【図7】図7はゲート電極端部での空乏層と酸素析出物の関係を示す断面図である。
【図8】図8はゲート電極端部での空乏層と酸素析出物の関係を示す断面図である。
【図9】図9はゲート電極端部での電界分布と酸素析出物の関係を示す断面図である。
【図10】図10は素子分離端での電界分布と酸素析出物の関係を示す断面図である。
【図11】図11は情報記憶部と情報処理部でのMOS型トランジスタの主要部断面図である。
【図12】図12は改良されたゲート絶縁膜を有するMOS型トランジスタを有する情報記憶部と通例のゲート絶縁膜を有するMOS型トランジスタを有する情報処理部との主要部断面図である。
【図13】図13はゲート絶縁膜端と高濃度不純物領域との距離とゲート電極端の電界強度の関係を示す図である。
【図14】図14はゲート電極/酸化膜/半導体基板の系でのバンド構造を示す図である。
【図15】図15は本願発明に係わる各種トランジスタの配置を例示する平面図である。
【図16】図16は本発明の厚いゲート酸化膜形成方法を工程順に示す断面図である。
【図17】図17は本発明の厚いゲート酸化膜の別な形成方法を示す断面図である。
【図18】図18は本発明の膜厚分布を持つゲート酸化膜の形成方法を示す断面図である。
【図19】図19は本発明の膜厚分布を持つゲート酸化膜の別な形成方法を工程順示す断面図である。
【図20】図20は第1の実施例に示す半導体装置を説明する為の主要部の断面図である。
【図21】図21は第2の実施例に示す半導体装置を説明する為の主要部の断面図である。
【図22】図22は第3の実施例に示す半導体装置を説明する為の主要部の断面図である。
【図23】図23は第4の実施例に示す半導体装置を説明する為の主要部の断面図である。
【図24】図24は第1乃至第4の実施例に示した各種半導体装置の情報保持特性を示す図である。
【図25】図25はゲート絶縁膜に膜厚分布を持つ場合のゲート絶縁膜の膜厚とゲート耐圧不良発生密度の関係を示す図である。
【図26】図26は第5の実施例に示す半導体装置を説明する為の主要部の断面図である。
【図27】図27は第6の実施例に示す半導体装置を説明する為の主要部の断面図である。
【図28】図28は第7の実施例に示す半導体装置を説明する為の主要部の断面図である。
【符号の説明】
1…不純物イオン、2、9、28、37、43、54、57、60、69…ゲート電極、3、34、38、45、47、48、55、63、70…ゲート酸化膜、4…ノックオン酸素、5、64、71…半導体基板、6、12、25、27、44、51、53、59、62、65、68…拡散層、7、10、13、24…空乏化領域(空乏層)、8、11、20、23…酸素析出物、14、15、16、17、18…等電界線、19、26…選択酸化膜、29、36…冶金的接合位置、30、31、32…等不純物濃度線、33…強電界部分、35、49…溝型素子分離、39、41、46…ゲート端部、56、58、61…サイドスペーサ、66…基板の高濃度層、67…基板の低濃度層、74…第1の厚さのゲート酸化膜上に第1の導電型不純物を含む多結晶Si膜を有する領域、75…第2の厚さのゲート酸化膜上に第2の導電型不純物を含む多結晶Si膜を有する領域
42、50、120、128、140、146、155…情報記憶部、40、52、121、131、141、147、156…情報処理部、123、126、129、132、142、145、148、161、174、183…ゲート酸化膜、119、137、139…n型拡散層、21、171…蓄積電極、122、152、153、173、182…半導体基板、124、130、134、135、143、149、160、175、178、184…シリコン膜、125…マスク、22、127、133、136、150、162、164、177、181、187、189…シリコン酸化膜、138、165、166、168、170、188…絶縁膜、144、151、186、190、191…シリコン窒化膜、163、180、185…タングステンシリサイド膜、167、173…窒化チタン膜、169、171…タングステン膜、172…酸化タンタル膜。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device having memory cells, and more particularly to a semiconductor device having dynamic random access memory (hereinafter abbreviated as DRAM) cells and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
In a conventional semiconductor integrated circuit device having a DRAM cell as an information storage unit and an information processing unit in addition, the following consideration is made. That is, it answers the request for ensuring the withstand voltage and reliability in the information storage unit and the request for ensuring the high speed of information processing in the information processing unit. The following are some attempts.
[0003]
First, there is an example in which the thicknesses of the gate oxide films of the MOS transistors in both portions are different. For example, it can be found in Japanese Patent Publication No. 3-220766 (Article 1). In this example, the gate oxide film of the MOS transistor of the information storage unit is used as an information processing unit so that the reliability of the gate oxide film under word line boosting can be ensured and high-speed information reading / writing can be performed. This is thicker than the gate oxide film of the MOS transistor. Similarly, in JP-A-4-165670, JP-A-5-102415, and JP-A-6-342891, JP-A-7-297298, the gate insulating film in the memory cell region is formed thicker than the gate insulating film in the peripheral circuit region. There is a structure disclosure.
[0004]
In addition, in the example shown in Japanese Published Patent Publication No. 56-120166 (Article 2) for the same type of semiconductor integrated circuit as described above, the threshold voltage is set independently in the information storage unit and the information processing unit. Yes. In order to realize this, two types of gate oxide films are used. That is, the impurity concentration of the semiconductor substrate under the thick gate oxide film is set lower than that under the thin gate oxide film.
[0005]
In Japanese Patent Laid-Open Publication No. 61-194770 (Article 3), a device for ensuring the reliability of the gate oxide film of a MOS transistor driven at high voltage is devised. That is, the MOS transistor of the input / output circuit section and the gate oxide film of the MOS transistor that requires a high threshold voltage of the memory cell section are replaced with the low threshold voltage of the MOS transistor of the internal circuit section and the memory cell section. This is thicker than the gate oxide film of the MOS type transistor that requires the transistor.
[0006]
On the other hand, the thickness of each gate oxide film is devised also in a semiconductor integrated circuit having a flash memory cell as an information storage unit and an information processing unit in addition. For example, an example can be seen in Japanese Published Patent Publication, JP-A-8-8350 (Article 4). In order to reduce the leakage current between the floating gate electrode and the drain diffusion layer, the gate oxide film on the drain diffusion layer is thickened. Even if such a method of increasing the thickness of the gate oxide film on the drain diffusion layer is applied to a semiconductor integrated circuit including a DRAM, the electric field at the junction end at the gate electrode end of the MOS transistor of the information storage section does not change. . That is, since the thickness of the gate oxide film, which is the distance from the end of the high concentration drain diffusion layer to the gate electrode, does not change at all, the electric field at the junction end does not change. Thus,
[0007]
In addition, in the semiconductor integrated circuit having a DRAM cell as an information storage unit and an information processing unit in addition, a device for impurity concentration of the semiconductor substrate is also seen. For example, Japanese Patent Publication No. JP-A-3-204969 (Article 5). The diffusion layer in contact with the charge storage electrode of the MOS transistor of the information storage unit is composed of only the low concentration layer of the diffusion layer in contact with the charge storage electrode, and the concentration is the source / drain diffusion layer of the MOS transistor of the information processing unit It was almost the same as the low concentration layer. This is to prevent an increase in leakage current affected by defects due to high concentration ion implantation when forming this layer.
[0008]
Further, in a semiconductor integrated circuit having a DRAM cell as an information storage unit and an information processing unit in addition, another device for improving the refresh characteristics of the DRAM can be seen. For example, Japanese Patent Laid-Open Publication No. 6-61486 (Article 6). That is, the same conductive type low concentration layer as that of the diffusion layer is formed under the high concentration layer of the diffusion layer only in the connection hole portion to the storage electrode in plan view. Then, the impurity concentration of the low concentration layer is set so as to be completely depleted when the reverse voltage applied to the pn junction composed of the high concentration diffusion layer and the substrate is large. However, the influence of the electric field at the junction end in DRAM is not considered.
[0009]
On the other hand, the element separation by the groove can be found in Japanese Patent Laid-Open Publication No. 5-44934 (Article 7). In other words, in order to realize a fine element isolation region, element isolation is performed in a trench in which an insulator is embedded.
[0010]
A method of manufacturing a MOS transistor by changing the thickness of the gate oxide film between the information storage unit and the information processing unit can be found in, for example, Japanese Patent Application No. 62-275815 (Article 8). It takes the following method. First, a thin gate oxide film necessary for the information storage unit is formed, and a silicon film to be a floating gate electrode of the information storage unit is deposited. Thereafter, the floating gate electrode silicon film is processed into a desired shape, and an insulating film serving as an interlayer insulating film is deposited between the floating gate electrode silicon film and the control gate electrode silicon film. Thereafter, the interlayer insulating film of the information processing unit is removed, and a thick gate oxide film necessary for the information processing unit is formed. In addition, in a MOSFET using an element isolation trench, a thick gate insulation film is formed at the edge of the element isolation trench to prevent electric field concentration and gate breakdown voltage degradation due to the thin gate insulation film at the edge of the isolation trench and the element formation region. Such structures are disclosed in JP-A-5-47919, JP-A-10-223747, and JP-A-10-254638. Further, in a MOSFET using an element isolation groove, a structure for increasing the breakdown voltage by forming the gate insulating film at the edge of the element isolation groove at the drain end where the electric field is concentrated, on the drain end side in the channel direction, is increased. No. 5-283680 is disclosed.
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to realize a higher degree of integration in a semiconductor integrated circuit using a groove type isolation method and having a DRAM cell as an information storage unit and an information processing unit in addition to the breakdown voltage in the information storage unit, It answers both the request for ensuring reliability and the request for ensuring high-speed information processing in the information processing department.
[0012]
A further problem of the present invention is to take measures against the difficulty caused by the electric field at the junction of the impurity region formed in the semiconductor substrate and to make DRAM refresh characteristics better.
[0013]
In particular, the trench type element isolation method generally has a tendency that the junction electric field in the impurity diffusion region becomes large, and the leakage current resulting from this electric field cannot be ignored. If sufficient consideration is not given to this problem, the DRAM refresh characteristics will deteriorate as a result.
[0014]
The present invention is particularly useful for a semiconductor integrated circuit device in which an insulated gate transistor of a DRAM cell is isolated using a trench isolation method. Furthermore, the present invention is particularly useful when applied to a DRAM having a high degree of integration of 256 Mbit or more and a semiconductor device having such a DRAM. A typical example of an insulated gate transistor is a so-called MOS transistor that is practically useful. In the specification of the present application, the insulated gate type is abbreviated as a MOS type as a representative example.
[0015]
An object of the present invention is to solve the problems of the conventional semiconductor device and the method for manufacturing the same, to achieve high integration, to ensure breakdown voltage and reliability in the information storage unit, and to process information in the information processing unit It is an object of the present invention to provide a semiconductor device and a method for manufacturing the same that ensure high speed. Furthermore, another object is to provide a semiconductor device having a DRAM cell with improved refresh characteristics and a method for manufacturing the same.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
Of the inventions disclosed in this specification, typical ones are listed as follows.
[0017]
(1) The first invention particularly relates to the thickness of the gate insulating film.
[0018]
In general, it is reasonable to change the element isolation method from the currently used selective oxide film (LOCOS (Local Oxidation of Silicon)) to the trench type isolation method from the viewpoint of integration of semiconductor integrated circuit devices. is there. However, in the case of a semiconductor device having both an information processing unit and a DRAM cell, it is necessary to set the threshold voltage of the MOS transistor in the information storage unit higher than the threshold voltage of the MOS transistor in the information processing unit. This is because it is necessary to reduce the subthreshold current when information is held.
[0019]
In the present specification, a method of positively separating a certain region by a groove is referred to as groove type separation or groove type element separation. In practice, an insulator, typically silicon oxide, is embedded in this groove provided in the semiconductor substrate.
[0020]
That is, the first invention has at least an information storage unit having a memory cell and an information processing unit, and at least the memory cell has a MOS transistor separated by a trench, and the MOS separated by the trench The gate insulating film corresponding to the boundary with the gate electrode of the impurity diffusion region serving as the source or drain of the type transistor has a gate electrode of the diffusion layer serving as the source or drain of the MOS transistor included in the information processing unit. This is a semiconductor device characterized in that it is larger than the thickness of the gate insulating film corresponding to the boundary portion.
[0021]
In this case, the thickness of the gate insulating film corresponding to the boundary portion with the gate electrode of the impurity diffusion region serving as the source or drain of the MOS transistor separated by the trench is substantially uniform in the channel spacing. May be. Further, a difference in film thickness, that is, a film thickness distribution may be provided in a region corresponding to a boundary portion with the gate electrode of the impurity diffusion region serving as a source or drain of the MOS transistor and other regions.
[0022]
Among these forms, a form in which the gate insulating film has a substantially uniform thickness in the channel corresponding portion is very advantageous in manufacturing. When the gate insulating film has a film thickness distribution, it is necessary to sufficiently manage the manufacturing conditions in order to adjust the film thickness distribution in each cell to be the same.
[0023]
In the present invention, the use of a thick gate insulating film has the following effects in consideration of the substantial configuration.
[0024]
FIG. 1 shows a cross-sectional view of the main part in this state. A
[0025]
According to the trench type element isolation method, after the
[0026]
Therefore, in addition to the original channel region, a channel also exists on the side wall of the groove portion, and the source-drain current increases. As a result, when information is held (that is, when the gate voltage is 0 V), the leakage current is effectively increased, and the information holding characteristic (that is, the refresh characteristic) is deteriorated.
[0027]
On the other hand, when a thick gate insulating film is used as in the present invention, the end face portion that transitions from the original channel region to the groove also becomes a thick insulating film as compared with the above case. Therefore, there is no problem as described above. As a result, it is possible to prevent an increase in leakage current during information retention.
[0028]
In the following description and examples, the description and illustration are omitted for more detailed points such as that the silicon oxide film embedded in the trenches recedes slightly lower during the planarization process.
[0029]
<Technical background to be further considered for ensuring refresh characteristics>
Next, the physical background will be described in order to help understanding of the present invention described below. First, as a method for element isolation, a method using a selective oxide film and a method using a trench type isolation are compared, and a specific problem in the case of the trench type isolation is clarified specifically.
[0030]
A more detailed background that occurs in the MOS transistor of the information storage unit with respect to the refresh characteristics of DRAM is summarized as follows.
[0031]
(1) Consider the phenomenon that the electric field determined by the distance between the high impurity concentration region of the impurity diffusion region and the gate electrode leaks into the depletion layer of the junction and increases the junction electric field.
[0032]
(2) Consider the effect of an increase in electric field due to precipitates resulting from knock-on oxygen atoms. This knock-on atom is related to the thickness of the gate insulating film.
[0033]
(3) Consider the leakage current caused by the electric field at the gate electrode end.
[0034]
And in terms of configuration, they consider three points: (1) impurity concentration at the end of the junction, (2) the position of the region where the electric field increases, and (3) the distance between the gate electrode and the high concentration portion of the junction. There is a need to.
[0035]
<Electric field strength in the vicinity of impurity region junction>
2 and 3 are diagrams illustrating the distribution of the electric field strength at the junction end between the gate electrode and the high impurity concentration region. From these, the difference between the trench type separation and the separation by the usual selective oxide film can be easily understood. 2A and 2B show the case of separation by a selective oxide film. FIG. 2A is a plan view of the main part, and FIG. 2B is a cross-sectional view taken along AB in FIG. FIG. 3 shows the case of groove type separation. FIG. 3A is a plan view of the main part, and FIG. 3B is a cross-sectional view taken along AB in FIG.
[0036]
In the case of the selective oxide film, an intrusion portion into the semiconductor region of the oxide film, which is usually called a bird's beak, is generated at the end of the selective oxide film. For this reason, the edge part comprised by this selective oxide film is not steep, and a semiconductor region becomes a shape which spreads below. Accordingly, the diffusion of impurities under the gate electrode expands in the lateral direction. On the other hand, in the case of groove type separation, although there is a displacement due to processing, it has an end face that is much steeper than that of the selective oxide film. For this reason, even if the impurity region is formed by the same method as in the case of using the selective oxide film, there is no impurity diffusion in the lateral direction. Therefore, the impurity concentration distribution in the semiconductor substrate is steeper than in the case of the selective oxide film.
[0037]
First, a case where element isolation is performed using a selective oxide film will be described with reference to FIG. In FIG. 2A, an
[0038]
The impurity concentration in the vicinity of the surface of the impurity region under the
[0039]
In addition, each line of the impurity concentration in FIG. 18 cm -3 Iso-
[0040]
As can be understood from FIG. 2A, when the selective oxide film is used, the
[0041]
On the other hand, the case of FIG. 3 in which the trench
[0042]
At this time, as shown in FIG. 3 a), the position of the
[0043]
As described above, the position of the portion where the junction electric field is large is different between the case where the above-described selective oxide film is used and the case where the groove type separation is used, which causes an inherent problem in the case of the groove type separation. As described above, when the element isolation is changed from the selective oxide film to the trench, the junction electric field becomes large, and the leak current caused by the electric field cannot be ignored. As a result, the refresh characteristics of the DRAM are degraded.
[0044]
<Groove element isolation and thick gate insulating film>
Each of (a) and (b) of FIG. 4 shows two examples of a semiconductor integrated circuit device having a DRAM cell having a trench-type separated MOS transistor as an information storage unit, and further having an information processing unit. It is sectional drawing which shows the principal part typically. 4A shows an example in which the gate insulating film has a difference in thickness between the central portion of the channel and the boundary portion thereof, and FIG. 4B substantially shows the portion in which the gate insulating film corresponds to the channel. An example having a uniform thickness is shown.
[0045]
In FIG. 4, the information storage unit is denoted by 42, the information processing unit is denoted by 40, and the element isolation groove is denoted by 35. When the gate insulating film has a film thickness distribution, the boundary portions of the gate insulating film are indicated as 39 and 41, and the central portions of the gate insulating film are indicated as 38 and 49. When the gate insulating film is uniform, the entire gate insulating film is shown as 47 and 48. Further,
[0046]
4A and 4B, the thickness of the gate insulating film corresponding to the boundary portion with the gate electrode of the diffusion layer serving as the source or drain of the MOS transistor included in the information storage unit 42 (see FIG. 4). 4 (a) is 39, and FIG. 4 (b) is 47), the gate insulating film corresponding to the boundary portion with the gate electrode of the impurity diffusion layer serving as the source or drain of the MOS transistor included in the
[0047]
In an example in which the thickness of the gate insulating film is different between the central portion and the boundary portion, the following advantages can be obtained in addition to configuring the impurity diffusion region serving as the source or drain as a region having a plurality of impurity concentrations. Can have it. The first is useful in preventing leakage of the electric field of the gate insulating film to the junction region at the gate end. Second, since the center of the gate insulating film is thin, the threshold voltage can be reduced while reducing the leakage current between the source and the drain.
[0048]
FIG. 4C is a sectional view of the device for explaining this effect. In the
[0049]
Therefore, although the electric field in the
[0050]
Since the
[0051]
In this case, since the gate oxide film near the center of the gate electrode is thinned, the drain current-gate voltage characteristics can reduce the threshold voltage while reducing the source-drain leakage current. As a result, the gate voltage can be lowered when reading or writing information, so that a booster circuit is not required or a slight boost is required. In this way, DRAM word lines can be driven at high speed and with low power.
[0052]
In FIG. 4C, the semiconductor substrate is 1040, the low impurity concentration impurity regions are 1046 and 1076, the high impurity concentration impurity regions are 1047 and 1077, and the insulating films on the
[0053]
FIG. 5 shows various comparisons of drain current-gate voltage characteristics. (A) In the case of a thin gate insulating film (6 nm), (b) In the case of a thick gate insulating film (8 nm), and (c) When the gate insulating film has a film thickness distribution in the channel direction (over 6-8 nm) Examples of changing) are shown. FIG. 5 shows characteristics of an example in which the substrate and source are grounded and the drain is applied with 3V. From the viewpoint of drain current-gate voltage characteristics, it is most preferable that the gate insulating film has a film thickness distribution in the channel direction.
[0054]
<Local electric field concentration near the drain junction and knock-on atoms>
In addition to the application of the above-described invention, it is practically important to avoid the problems that may newly arise by increasing the thickness of the gate insulating film.
[0055]
First of all, the problem of knock-on atoms and local electric field concentration can be considered. Therefore, the relationship between the thickness of the gate insulating film and the knock-on atom is considered.
[0056]
FIG. 6 is a cross-sectional view showing the state of knock-on atoms in implantation of
[0057]
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a state in which a low concentration impurity region after ion implantation is formed. A
[0058]
FIG. 7 illustrates a general situation when the gate insulating film is thin. When the
[0059]
However, as shown in FIG. 8, when the
[0060]
In such a phenomenon, if the gate oxide film of the transistor in the DRAM cell portion is thickened as described above, the probability that the precipitate 11 is generated near the substrate surface at the end of the gate electrode increases.
[0061]
FIG. 9 shows the relationship between the electric field distribution at the end of the gate electrode and the problem of oxygen precipitates. In the figure, an
[0062]
If the oxygen precipitates 11 are present in the portion where the electric field is large (the shaded
[0063]
In the element isolation method using the selective oxide film, the influence of knock-on atoms must be taken into consideration. FIG. 10 shows an example of element isolation by a selective oxide film. FIG. 10B shows an example in which the
[0064]
However, in the example where the
[0065]
For example, even if two types of gate oxide films are set so that the threshold voltage can be set independently in the information storage unit and information processing unit, further measures are required for more advanced characteristics requirements. It is. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 56-120166 shows a semiconductor integrated circuit device including a DRAM having a gate oxide film having two types of film thickness and a method of lowering the substrate concentration below the thick oxide film than that below the thin oxide film. (Article 9) is considered the same situation.
[0066]
That is, the threshold voltage increases as the gate oxide film of the MOS transistor in the information storage section is thickened to lower the impurity concentration of the semiconductor substrate. Therefore, it becomes impossible to reduce the leakage current between the source and the drain when holding information. Further, when the gate oxide film of the MOS transistor of the information storage unit is thinned to increase the impurity concentration of the semiconductor substrate, the electric field at the junction end at the gate electrode end increases. For this reason, the leakage current resulting from the electric field cannot be reduced. As a result, the refresh characteristic which is an important characteristic of the DRAM is affected.
[0067]
The invention described below avoids the more detailed problems described above.
[0068]
<Further enumeration of representative ones of inventions disclosed in this specification>
(2) The second invention relates to the impurity concentration of the impurity region in the semiconductor substrate.
[0069]
That is, the main point is that it has at least an information storage unit having a DRAM cell and an information processing unit, and at least the DRAM cell has a MOS transistor separated by a groove, and the MOS transistor separated by the groove. The concentration of the impurity region at the boundary between the impurity region serving as the source or drain and the gate electrode is set lower than the concentration of the impurity region at the boundary of the MOS transistor of the information processing section.
[0070]
FIG. 11 is a cross-sectional view schematically showing the main part of the second invention. That is, in FIG. 11, the
[0071]
The impurity concentration of the impurity diffusion layer serving as the source or drain of the MOS transistor is determined at the
[0072]
By implementing this technique in combination with the first invention, a more useful semiconductor device can be realized.
[0073]
In this case, as described with respect to the first invention, the gate insulating film of the MOS transistor separated by the trench may have a substantially equivalent thickness at the channel corresponding portion, and becomes the source or drain. There may be a form in which there is a difference in film thickness between the region corresponding to the boundary portion of the diffusion layer and the gate electrode and the other region. As described above, it is advantageous in manufacturing that the gate insulating film has a substantially uniform thickness at the channel-corresponding portion.
[0074]
(3) The third invention further relates to the distance between the high concentration region of the source region or the drain region and the gate electrode.
[0075]
That is, the point is that the distance between the high concentration impurity region on the channel side of the diffusion layer serving as the source or drain of the MOS transistor and the gate electrode is the channel of the diffusion layer serving as the source or drain of the MOS transistor in the information processing section. It is characterized by being larger than the distance between the high concentration impurity region on the side and the gate electrode.
[0076]
The third invention is summarized as follows. That is, it has at least an information storage unit having a DRAM cell and an information processing unit, and at least the DRAM cell has a MOS transistor separated by a groove, and the source of the MOS transistor separated by the groove Alternatively, the thickness of the gate insulating film corresponding to the boundary between the impurity region serving as the drain and the gate electrode corresponds to the boundary between the gate electrode of the diffusion layer serving as the source or drain of the MOS transistor included in the information processing unit. The distance between the high-concentration impurity region on the channel side of the impurity region which is larger than the thickness of the gate insulating film to be separated and is the source or drain of the MOS transistor separated by this groove and the gate electrode is the MOS type of the information processing unit From the distance between the high concentration impurity region on the channel side of the impurity region that becomes the source or drain of the transistor and the gate electrode A wherein a heard.
[0077]
As described with respect to the first invention, the gate insulating film of the MOS transistor separated by the trench may have substantially the same thickness in the channel corresponding portion. In addition, the film thickness may be different between a region corresponding to the boundary between the impurity region serving as the source or drain and the gate electrode and the other region. As described above, it is advantageous in manufacturing that the gate insulating film has substantially the same thickness in the channel corresponding portion.
[0078]
In addition, as for the distance between the high concentration region of the source region or the drain region and the gate electrode, element isolation can be applied to a method using a selective oxide film. In FIG. 11 described above, the
[0079]
(4) The fourth invention relates to a form having a structure having side spacers in particular with respect to the gate electrode.
[0080]
That is, it includes at least an information storage unit having a DRAM cell and an information processing unit. At least the DRAM cell has an element-isolated MOS transistor, and the element-isolated MOS transistor The thickness of the gate insulating film corresponding to the boundary portion with the gate electrode of the impurity region which has a side spacer portion on both sides of the electrode and which is the source or drain of the element-isolated MOS transistor The side spacer of the gate electrode of the MOS transistor that is larger than the film thickness of the gate insulating film corresponding to the boundary portion with the gate electrode of the diffusion layer serving as the source or drain of the MOS transistor included in the MOS transistor The impurity concentration of the low-concentration diffusion region of the semiconductor region located substantially corresponding to the lower part of the part is the gate of the MOS transistor of the information A wherein a lower concentration of the impurity concentration of the low concentration diffusion region of the semiconductor region located in substantially corresponding to the lower of the side spacer of the electrode.
[0081]
The gate insulating film of the MOS transistor separated by the trench may have a substantially equivalent thickness at the channel corresponding portion, and a region corresponding to the boundary portion with the gate electrode of the impurity region serving as the source or drain. A form having a difference in film thickness with other regions may also be used. As described above, it is advantageous in manufacturing that the gate insulating film has substantially the same thickness in the channel corresponding portion.
[0082]
In the case of the fourth invention, element isolation can also be performed by groove type isolation or isolation by a selective oxide film.
[0083]
An example of the fourth invention will be specifically described with reference to FIG. The concentration of the low-
[0084]
A
[0085]
According to the present invention, it is possible to answer the request for ensuring the breakdown voltage and reliability in the information storage unit and the request for ensuring the high speed of information processing in the information processing unit.
[0086]
(5) The fifth invention further relates to an impurity concentration in the semiconductor substrate. In the case of the fifth invention, element isolation can also be performed by groove type isolation or isolation by a selective oxide film.
[0087]
In a semiconductor integrated circuit having a DRAM cell as an information storage unit and an information processing unit in addition, a low-concentration diffusion layer formed under the side spacer of the gate electrode of the MOS transistor of the element-isolated information storage unit. When the concentration is lower than the concentration of the low concentration diffusion layer formed under the side spacer of the gate electrode of the MOS transistor of the information processing unit, the substrate concentration under the gate oxide film of the MOS transistor of the information storage unit is To the same depth as the low-concentration diffusion layer, low from about the same depth as the low-concentration diffusion layer to about the same depth as the high-concentration diffusion layer, and higher than about the same depth as the high-concentration diffusion layer. It is a semiconductor device characterized by the above.
[0088]
As shown in FIG. 12A, the lower portion of the
[0089]
Thereby, the junction electric field between the low
[0090]
FIG. 12A shows an example in which the thickness of the gate insulating film has a distribution, whereas FIG. 12B shows an example in which the gate insulating film has a substantially uniform thickness in a region corresponding to the channel. It is. Other configurations are the same as in FIGS. 12A and 12B.
[0091]
(C) of FIG. 12 shows an example in which the distance of the high concentration impurity region is made larger than that of the gate electrode by making the thickness of the side spacer of the information storage unit larger than that of the information processing unit. FIG. 12B is an example in which the thickness of the side spacer is the same in the information storage unit and the information processing unit. Each side spacer is 58 and 61. In the figure, the other regions of the semiconductor device are indicated by the same reference numerals as in FIG.
[0092]
FIG. 12C shows an example in which the thickness of the
[0093]
FIG. 13 is a diagram showing the relationship between the distance between the high-
[0094]
<Multilayer gate electrode for improvement of refresh characteristics>
The invention described below relates to a gate electrode. This electrode structure reduces the junction electric field while keeping the threshold voltage of the MOS transistor high. It is practically preferable to use these gate electrode inventions in combination with the above-mentioned inventions.
[0095]
(6) The sixth invention relates to an improvement in which the gate electrode of the MOS transistor of the information storage section has a multilayer structure.
[0096]
This gate electrode has at least a stacked layer of a polycrystalline silicon layer doped with an n-type impurity or a non-doped polycrystalline silicon layer on a gate insulating film, and a polycrystalline silicon layer doped with a p-type impurity thereon. It is. This improvement ensures a long DRAM refresh time. The polycrystalline silicon layer doped with the p-type impurity described above can also use metal or so-called metal silicide. In the present invention, element isolation can also be performed by groove type isolation or isolation by a selective oxide film.
[0097]
In a semiconductor integrated circuit having a DRAM cell as an information storage unit and an information processing unit in addition, the gate electrode of the MOS transistor of the information storage unit which is separated from each other has a multilayer structure. The lower part has at least two layers. Then, the upper part is a polycrystalline silicon layer into which p-type impurities are introduced, and the lower layer, that is, the gate oxide film is formed into a polycrystalline silicon layer into which n-type impurities are introduced or a polycrystalline silicon layer without introducing impurities. The featured semiconductor device is useful.
[0098]
FIG. 14 is a diagram showing a band structure of a cross section perpendicular to the semiconductor substrate of the gate electrode portion when the present invention is applied. An example using a polycrystalline silicon layer into which an n-type impurity is introduced as a lower layer of the gate electrode and an example using a polycrystalline silicon layer without introducing an impurity are shown.
[0099]
FIGS. 14 (a) and 14 (c) show the case when the transistor is in the ON state, and FIGS. 14 (b) and 14 (d) show the case when the transistor is in the OFF state. In the figure, the gate electrode is shown as 69, the gate insulating film as 70, and the semiconductor substrate as 71. The lower ends of the conduction bands are indicated as 80 and 81, and the upper ends of the valence bands are indicated as 83 and 84, respectively.
[0100]
As shown in FIG. 14A, when the transistor is in the ON state, it operates in the same manner as a normal gate. An inversion (channel)
[0101]
On the other hand, when the transistor is in the OFF state, as shown in FIG. 14B, the band bend is reversed at the junction of the p layer and the n layer of the
[0102]
As a result, the junction electric field can be effectively reduced while keeping the threshold voltage high.
[0103]
FIGS. 14C and 14D show band structures in the case where a polycrystalline silicon layer without introduction of impurities is used. FIG. 14C shows that when the transistor is in the ON state, and FIG. 14D shows that when the transistor is in the OFF state. Also in this case, the above-described embodiment has the same effect.
[0104]
Further, here, by including nitrogen in the interface between the polycrystalline silicon layer into which the p-type impurity is introduced and the polycrystalline silicon layer immediately above the gate oxide film, the p-type impurity is subjected to heat treatment during the manufacturing process of the semiconductor device. Can be prevented from diffusing into the polycrystalline silicon layer immediately above the gate oxide film. This makes it possible to obtain the above effect more effectively. It should be noted that the influence of the impurity diffusion can be ignored by making the polycrystalline silicon layer into which the p-type impurity is introduced into a metal or metal silicide.
[0105]
Furthermore, the above-described electrode structure can be used properly in various regions of the semiconductor integrated circuit device. FIG. 15 schematically shows the state of proper use. In the figure,
[0106]
The basis of the proper use is the portion 74 where the gate electrode having the polycrystalline silicon layer containing the impurity of the first conductivity type exists on the gate oxide film of the first thickness, and the gate of the second thickness. A
[0107]
(1) The first embodiment uses a polycrystalline silicon layer in which the first thickness is made larger than the second thickness and a p-type impurity is introduced on the thick first gate oxide film. In this case, a polycrystalline silicon layer in which an n-type impurity is introduced on the
[0108]
In this case, the operation of the p-channel MOS transistor having the first thickness gate oxide film is a surface channel type, and the operation of the n-channel MOS transistor having the first thickness gate oxide film is a buried channel type. On the other hand, the operation of the p-channel MOS transistor having the second thickness gate oxide film is the buried channel type, and the operation of the n-channel MOS transistor having the second thickness gate oxide film is the surface channel type.
[0109]
In this configuration, the speed of the surface channel type transistor can be increased, and the buried channel type n channel transistor can avoid the increase in the substrate concentration because the gate oxide film can be thickened. For example, if a buried channel type n-channel transistor is used as a transistor in the information storage section, the junction electric field can be reduced as described above. It is obvious that transistors having various operating speeds can be realized.
[0110]
(2) The second embodiment uses a polycrystalline silicon layer in which the first thickness is made larger than the second thickness and an n-type impurity is introduced on the thick first gate oxide film. In this case, a polycrystalline silicon layer in which a p-type impurity is introduced on the
[0111]
In this case, the operation of the n-channel MOS transistor having the first thickness gate oxide film is a surface channel type, and the operation of the p-channel MOS transistor having the first thickness gate oxide film is a buried channel type. On the other hand, the operation of the n-channel MOS transistor having the second thickness gate oxide film is the buried channel type, and the operation of the p-channel MOS transistor having the second thickness gate oxide film is the surface channel type. In this embodiment, an n-channel transistor using a thin gate oxide film can be realized, and an ultra-high speed operation is possible.
[0112]
Next, a method for forming the gate oxide film of the MOS transistor of the information storage unit having the above characteristics will be described.
[0113]
First, a method for manufacturing a transistor having a gate oxide film that is thick in the information storage unit and thin in the information processing unit will be described with reference to FIGS.
[0114]
<First Method for Forming Thick Oxide Film>
FIG. 16 is a cross-sectional view in order of steps for explaining the first method. The figure shows only the part of the method for forming the gate insulating film. Therefore, it goes without saying that various circuit element regions are formed in the semiconductor substrate in accordance with a usual method for manufacturing a semiconductor device.
[0115]
(1) A
[0116]
(2) A
[0117]
(3) An
[0118]
(4) Oxygen ions are implanted into the semiconductor substrate thus prepared, and then heat treatment is performed to thicken the
[0119]
(5) After obtaining each gate insulating film having a plurality of desired thicknesses, the
[0120]
<Second Method for Forming Thick Oxide Film>
FIG. 17 is a cross-sectional view in the order of steps for explaining the second method. The figure shows only the part of the method for forming the gate insulating film. Therefore, it goes without saying that various circuit element regions are formed in the semiconductor substrate in accordance with a usual method for manufacturing a semiconductor device.
[0121]
(1) A first
[0122]
(2) A
[0123]
(3) Next, the
[0124]
(4) A second
[0125]
(5) The gate of the
[0126]
(6) A
[0127]
(7) Finally, gate electrode processing, low-
[0128]
In this system, a processing mask for obtaining the structure shown in FIG. 17B can be used as an ion implantation mask for controlling the substrate concentration of the
[0129]
Next, a method for providing the gate insulating film with a film thickness distribution will be described. That is, this is a method in which the thickness distribution in the channel direction of the gate oxide film of the MOS transistor in the information storage section is made larger than the thickness distribution in the channel direction of the gate oxide film of the MOS transistor in the information processing section.
[0130]
<First method for providing gate insulating film with thickness distribution>
FIG. 18 is a cross-sectional view in order of steps for explaining a first method for providing a gate insulating film thickness distribution. The figure shows only the part of the method for forming the gate insulating film. Therefore, it goes without saying that various circuit element regions are formed in the semiconductor substrate in accordance with a usual method for manufacturing a semiconductor device.
[0131]
(1) The
[0132]
(2) A
[0133]
(3) A
[0134]
(4) By thermally oxidizing the semiconductor substrate thus prepared, the thickness of the
[0135]
Since the
[0136]
<Second Method of Giving Gate Insulating Film to Film Thickness Distribution>
FIG. 19 is a cross-sectional view in the order of steps for explaining a second method for providing a gate insulating film thickness distribution.
[0137]
(1) A
[0138]
(2) Next, the
[0139]
(3) Thereafter, a
[0140]
(4) Cover the
[0141]
(5) Next, the
[0142]
There are three possible methods for the following steps.
[0143]
(6) The first is a method of thermal oxidation and thermal oxidation in the state (5) described above ((c) in FIG. 19).
[0144]
(7) Second, a method in which the
[0145]
(8) Third, a method in which the
[0146]
After this step, a transistor is manufactured by forming a diffusion layer to be a source and a drain. In this method, the film thickness distribution in the channel direction can be controlled by a method before thermal oxidation.
[0147]
According to the manufacturing method of the present invention, gate oxide films having different thicknesses can be obtained with good quality.
[0148]
To date, gate oxide films having different film thicknesses between the information storage unit and the information processing unit have been used in, for example, conventional flash memories. However, before the gate oxide film is formed, the information processing section is affected by the processing damage of the floating gate electrode silicon film and the removal damage of the interlayer insulating film of the information processing section. As a result, a high-quality gate oxide film cannot be formed. Usually, since dry etching is used for processing a silicon film and removing an interlayer insulating film, dry etching damage occurs on a semiconductor surface. Since an oxide film is formed on the damaged portion by thermal oxidation, the quality of the oxide film is deteriorated under the influence of the damage. The present invention does not have such a problem.
[0149]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Example 1
FIG. 20 is a cross-sectional view of the semiconductor device showing the manufacturing steps of the first embodiment. The information storage unit is schematically shown as 155 and the information processing unit as 156, respectively.
[0150]
As the
[0151]
Next, boron was ion-implanted into the
[0152]
These three types of ion implantation are for the following purpose which is usually performed in the manufacture of a semiconductor device. (1) Lower substrate resistance. (2) A well is formed in a semiconductor substrate. (3) A channel stopper for preventing parasitic MOS is formed.
[0153]
Next, a
[0154]
A photoresist film having a thickness of 1 μm was formed only on the
[0155]
Thereafter, a heat treatment was performed at 1000 ° C. for 20 minutes in a nitrogen atmosphere containing 1% oxygen to thicken the
[0156]
Next, for controlling the threshold voltage of the n-
[0157]
These ion implantations are customary.
[0158]
In the case of a conventional structure that does not implement the present invention, boron is 25 keV, 4.5 e for controlling the threshold voltage of the n-
[0159]
Next, the
[0160]
Thereafter, phosphorus is added to the portions where the n-type MOS transistors of the
[0161]
Further, arsenic is added at 25 keV, 1e to the
[0162]
A
[0163]
Next, a
[0164]
A
[0165]
Thereafter, a tantalum pentoxide film 172 having a thickness of 2.5 nm in terms of silicon oxide film thickness is formed as a capacitor insulating film. Further, a
[0166]
After this state, the same wiring manufacturing process as that in the conventional method is used. In this way, a semiconductor integrated circuit device having the DRAM cell of the present invention as an information storage unit and also having an information processing unit is realized.
[0167]
According to this embodiment, the trench type element isolation is used and the gate oxide film of the transistor of the information storage unit can be thickened, so that the p-type impurity concentration on the substrate surface can be lowered to obtain the necessary threshold voltage. Can do. As a result, when information is held in a state where positive charges are stored in the capacitor, the electric field strength in the depletion layer of the pn junction composed of the n-type layer and the n-type substrate in contact with the storage electrode can be reduced. And the junction leakage current resulting from this electric field can be reduced. As a result, the information holding time of the bit having the shortest information holding time among all bits can be increased from about 0.05 seconds to 0.1 seconds.
[0168]
Example 2
FIG. 21 is a sectional view showing the apparatus showing the second embodiment in the order of steps. In the example of FIG. 21, the information storage unit is schematically shown as 155 and the information processing unit as 156.
[0169]
As the
[0170]
Next, a
[0171]
Ion implantation of boron is performed in the
[0172]
Then, the
[0173]
In this embodiment, the thickness of the
[0174]
Next, a
[0175]
The
[0176]
Thereafter, the photoresist film was removed, and a
[0177]
According to this embodiment, the threshold voltage necessary for the transistor of the information storage unit can be secured, and the substrate surface concentration can be reduced to half or less than the conventional one. Therefore, when information is held in a state where positive charges are stored in the capacitor, the electric field strength in the depletion layer of the pn junction composed of the n-type layer and the n-type substrate in contact with the storage electrode can be reduced. And the junction leakage current resulting from this electric field can be reduced. As a result, the information holding time of the bit having the shortest information holding time among all the bits can be increased from about 0.05 seconds to 0.3 seconds.
[0178]
Further, a gate oxide film can be formed before ion implantation for substrate concentration control or heat treatment. For this reason, the breakdown voltage deterioration of the gate oxide film can be prevented and the reliability thereof can be improved. Since ion implantation for controlling the substrate concentration can be performed before patterning of the silicon film to be the gate electrode, there is no problem of charge up at the time of implantation.
[0179]
Example 3
FIG. 22 is a cross-sectional view of the apparatus showing the third embodiment. In this example, the information storage unit is schematically shown as 155 and the information processing unit as 156. In this example, the gate insulating film has a film thickness distribution in the channel direction.
[0180]
As the
[0181]
In this embodiment, boron is set to 25 keV, 2e for threshold voltage control of the n-
[0182]
In addition, for controlling the threshold voltage of the p-
[0183]
Next, a stacked body of the
[0184]
Thereafter, heat treatment was performed at 1000 ° C. for 10 minutes in an oxygen atmosphere. By this heat treatment, the
[0185]
Thereafter, phosphorus is supplied to the
[0186]
The subsequent steps are the same as those shown in the first embodiment.
[0187]
According to this embodiment, when information is held in a state where positive charges are stored in the capacitor, a leakage current (subthreshold current) of a pn junction composed of an n-type layer and an n-type substrate in contact with the storage electrode is obtained. Therefore, the substrate concentration for obtaining the required threshold voltage can be reduced. As a result, the electric field strength in the depletion layer of the junction can be reduced. By reducing the junction leakage current due to the electric field, the information holding time of the bit having the shortest information holding time among all bits can be increased from the conventional 0.05 seconds to 0.1 seconds.
[0188]
In addition, since the thin gate oxide film portion where the withstand voltage failure increases is reduced, the occurrence frequency of the withstand voltage failure can be reduced.
[0189]
Example 4
FIG. 23 is a sectional view showing a semiconductor device according to the fourth embodiment. FIG. 23 schematically shows the information storage unit as 155 and the information processing unit as 156. This example is another example in which the thickness of the gate insulating film has a thickness distribution in the channel direction.
[0190]
The steps up to deposition of the
[0191]
It should be noted that the amount of implantation with boron implantation having the lowest implantation energy for controlling the threshold voltage of the transistor of the
[0192]
A
[0193]
Next, a
[0194]
Furthermore, as a method for forming the gate insulating film, the following method was adopted by the following three methods.
[0195]
(1) Method 1:
[0196]
(2) Method 2: In
[0197]
(3) Method 3: In
[0198]
The cross-sectional structure of the semiconductor device when each method is adopted corresponds to FIGS. 23 (c) to 23 (e).
[0199]
In the heat treatment in an oxygen atmosphere at 900 ° C. for 10 minutes, a silicon oxide film of approximately 50 nm is formed on the surface of the
[0200]
Here, the film thickness distribution of the
[0201]
Next, side spacers are formed with a
[0202]
The subsequent steps are the same as those shown in the first embodiment.
[0203]
According to this embodiment of the above-described
[0204]
In addition, according to the present embodiment, the frequency of occurrence of the breakdown voltage failure can be reduced by reducing the thin gate oxide film portion where the breakdown voltage failure increases.
[0205]
<Summary of characteristics of examples>
FIG. 24 and FIG. 25 collectively show the results when the present invention is adopted as the structure of the gate oxide film of the transistor in the information storage section. FIG. 24 shows information retention characteristics. The horizontal axis represents the DRAM refresh time, and the vertical axis represents the cumulative frequency corresponding to the horizontal axis in standard deviation. FIG. 25 shows the gate oxide film breakdown voltage occurrence density. The horizontal axis indicates the thickness of the minimum portion of the gate insulating film, and the vertical axis indicates the breakdown voltage occurrence density. In the figure, “uniform SiO2 film” indicates that the gate insulating film has substantially no film thickness distribution. As a result, the “bird's beak SiO2 film” indicates that the gate insulating film is in the channel direction. It is a result of having a film thickness distribution.
[0206]
From FIG. 24, it can be understood that the information holding time is increased by increasing the thickness of the gate oxide film of the transistor in the information storage portion and by providing a film thickness distribution in the channel direction. Increasing the thickness of the gate oxide film is useful by making it possible to reduce the substrate concentration and extending the information holding time.
[0207]
Further, it can be seen from FIG. 25 that the density of occurrence of defective breakdown voltage of the gate oxide film becomes smaller as the film thickness distribution in the channel direction is larger than in the case of the gate oxide film uniform in the channel direction.
[0208]
Example 5
FIG. 26 is a cross-sectional view of the semiconductor device showing the fifth embodiment. In FIG. 26, the information storage unit is schematically illustrated as 155 and the information processing unit is illustrated as 156.
[0209]
The silicon substrate and the process are basically the same as those in the third embodiment, but the following three ion implantation conditions were selected.
[0210]
(1) Method 4:
[0211]
(2) Method 5:
[0212]
(3) Method 6:
In these methods, the conditions were slightly changed from those of the ion implantation methods of the previous examples. Specifically, in the
[0213]
According to the examples of the
[0214]
Example 6
FIG. 27 is a sectional view of an apparatus for explaining the sixth embodiment. This embodiment is an example in which the gate electrode of the MOS transistor of the information processing unit has a multilayer structure. An example of this gate electrode is one having at least a stacked layer of a polycrystalline silicon layer doped with n-type impurities or non-doped on a gate insulating film, and a polycrystalline silicon layer doped with p-type impurities thereon.
[0215]
FIG. 27 schematically shows a main part of a semiconductor integrated circuit having a DRAM cell as an information storage unit and an information processing unit. In the figure, a semiconductor device using trench type element isolation is shown. However, in the implementation of this gate electrode, element isolation may be performed by a selective oxide film (usually referred to as LOCOS).
[0216]
After forming the
[0217]
Thereafter, similarly to the above example, the gate electrode was formed by processing into a predetermined shape including the laminated polycrystalline Si layer.
[0218]
In this embodiment, the gate electrode portion of the MOS transistor other than the information storage portion has a usual structure. That is, after forming the
[0219]
By applying the gate electrode structure to the information storage unit, the following three improvements could be made.
[0220]
(1) The equivalent gate oxide film thickness when the transistor is OFF can be increased by about 3 nm.
[0221]
(2) The substrate concentration was able to be halved.
[0222]
(3) The junction electric field could be reduced by 30%.
[0223]
As a result, the refresh time could be tripled compared to the case of the same gate oxide film thickness.
[0224]
Further, after forming the gate oxide film, the
[0225]
Furthermore, the following structure can also be taken. That is, (1) a case where a
[0226]
Example 7
FIG. 28 is a sectional view showing the main part of a semiconductor device according to the seventh embodiment. This example shows an example in which the thickness of the gate insulating film and the conductivity type of the gate electrode are variously selected according to the demand of the semiconductor integrated circuit device to be produced. Specifically, in this example, various types of MOS transistors are properly used for an information storage unit, an information processing unit, a high voltage generation circuit, and an information input / output circuit in a semiconductor integrated circuit.
[0227]
In the figure, n-
[0228]
A p-channel MOS transistor is formed as a surface channel type on the surface of the n-
[0229]
On the other hand, an n-channel MOS transistor is formed as a buried channel type on the surface of the p-
[0230]
A thin
[0231]
Hereinafter, processes related to the formation of the gate electrode portion will be described. Other steps may be performed using usual methods. First, a
[0232]
On the other hand, in a region requiring a thin gate insulating film, a
[0233]
Thus, on the surface of the n-
[0234]
In addition, on the surface of the n-
[0235]
As a result, the access time can be reduced to half of the conventional time, and the refresh time can be increased to five times. Note that this embodiment is an example, and as described above, the combination of the gate oxide film thickness and the conductivity type of the gate electrode can be implemented in various semiconductor elements according to respective requirements.
[0236]
【The invention's effect】
The effects obtained by the representative ones of the inventions disclosed in the present application will be briefly described as follows.
[0237]
According to the first invention of the present application, a semiconductor integrated circuit device having a DRAM cell having an information storage unit and an information processing unit can realize higher integration and ensure reliability in the information storage unit. And high speed in the information processing unit can be secured.
[0238]
In addition, by using a gate oxide film having a film thickness distribution in the channel direction of the MOS transistor, the occurrence frequency of gate breakdown voltage failure can be reduced.
[0239]
According to the second to fourth inventions of the present application, a semiconductor integrated circuit device having a DRAM cell having an information storage unit and an information processing unit can realize a higher degree of integration and improve its refresh characteristics. I can do it.
[0240]
According to the fifth aspect of the present invention, the junction leakage current and the subthreshold current can be reduced while increasing the threshold voltage of the MOS transistor.
[0241]
According to the sixth invention of the present application, the junction electric field can be reduced while keeping the threshold voltage of the MOS transistor high.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a gate electrode portion for explaining one of the roles of a thick gate insulating film.
FIG. 2 is a diagram illustrating an impurity concentration distribution when a selective oxide film is used.
FIG. 3 is a diagram illustrating an impurity concentration distribution when a selective oxide film is used.
FIG. 4 is a cross-sectional view of a main part of a MOS transistor in an information storage unit and an information processing unit.
FIG. 5 is a diagram comparing sub-threshold characteristics of various MOS transistors.
FIG. 6 is a cross-sectional view for explaining a knock-on state of oxygen at an end portion of the gate electrode at the time of ion implantation.
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a relationship between a depletion layer and an oxygen precipitate at an end portion of a gate electrode.
FIG. 8 is a cross-sectional view showing the relationship between a depletion layer and oxygen precipitates at the end of a gate electrode.
FIG. 9 is a cross-sectional view showing the relationship between the electric field distribution at the edge of the gate electrode and oxygen precipitates.
FIG. 10 is a cross-sectional view showing the relationship between the electric field distribution at the element isolation end and oxygen precipitates.
FIG. 11 is a cross-sectional view of a main part of a MOS transistor in an information storage unit and an information processing unit.
FIG. 12 is a cross-sectional view of the main part of an information storage unit having a MOS type transistor having an improved gate insulating film and an information processing unit having a MOS type transistor having a usual gate insulating film.
FIG. 13 is a diagram showing the relationship between the distance between the gate insulating film edge and the high-concentration impurity region and the electric field strength at the gate electrode edge.
FIG. 14 is a diagram showing a band structure in a gate electrode / oxide film / semiconductor substrate system;
FIG. 15 is a plan view illustrating the arrangement of various transistors according to the present invention.
FIG. 16 is a cross-sectional view showing a thick gate oxide film forming method according to the present invention in the order of steps.
FIG. 17 is a cross-sectional view showing another method of forming a thick gate oxide film according to the present invention.
FIG. 18 is a cross-sectional view showing a method for forming a gate oxide film having a film thickness distribution according to the present invention.
FIG. 19 is a cross-sectional view showing another method of forming a gate oxide film having a film thickness distribution according to the present invention in the order of steps.
FIG. 20 is a cross-sectional view of a main part for explaining the semiconductor device shown in the first embodiment;
FIG. 21 is a cross-sectional view of a main part for explaining the semiconductor device shown in the second embodiment;
FIG. 22 is a cross-sectional view of the main part for explaining the semiconductor device shown in the third embodiment;
FIG. 23 is a cross-sectional view of the main part for explaining the semiconductor device shown in the fourth embodiment;
FIG. 24 is a diagram showing information retention characteristics of various semiconductor devices shown in the first to fourth embodiments.
FIG. 25 is a diagram showing the relationship between the gate insulating film thickness and the gate breakdown voltage density when the gate insulating film has a film thickness distribution.
FIG. 26 is a cross-sectional view of the main part for explaining the semiconductor device shown in the fifth embodiment;
FIG. 27 is a cross-sectional view of the main part for explaining the semiconductor device shown in the sixth embodiment;
FIG. 28 is a cross-sectional view of the main part for explaining the semiconductor device shown in the seventh embodiment;
[Explanation of symbols]
1 ... impurity ions, 2, 9, 28, 37, 43, 54, 57, 60, 69 ... gate electrodes, 3, 34, 38, 45, 47, 48, 55, 63, 70 ... gate oxide films, 4 ... Knock-on oxygen, 5, 64, 71 ... semiconductor substrate, 6, 12, 25, 27, 44, 51, 53, 59, 62, 65, 68 ... diffusion layer, 7, 10, 13, 24 ... depletion region (depletion Layer), 8, 11, 20, 23 ... oxygen precipitates, 14, 15, 16, 17, 18 ... isoelectric lines, 19, 26 ... selective oxide films, 29, 36 ... metallurgical bonding positions, 30, 31, 32 ... iso-impurity concentration line, 33 ... strong electric field part, 35, 49 ... groove type element isolation, 39, 41, 46 ... gate end, 56, 58, 61 ... side spacer, 66 ... high concentration layer of substrate, 67 ... Low concentration layer of substrate, 74 ... First conductivity type on gate oxide film of first thickness A region having a polycrystalline Si film containing an impurity, 75... A region having a polycrystalline Si film containing a second conductivity type impurity on a gate oxide film having a second thickness
42, 50, 120, 128, 140, 146, 155 ... Information storage unit, 40, 52, 121, 131, 141, 147, 156 ... Information processing unit, 123, 126, 129, 132, 142, 145, 148, 161, 174, 183 ... gate oxide film, 119, 137, 139 ... n-type diffusion layer, 21, 171 ... storage electrode, 122, 152, 153, 173, 182 ... semiconductor substrate, 124, 130, 134, 135, 143 149, 160, 175, 178, 184 ... silicon film, 125 ... mask, 22, 127, 133, 136, 150, 162, 164, 177, 181, 187, 189 ... silicon oxide film, 138, 165, 166, 168, 170, 188 ... insulating film, 144, 151, 186, 190, 191 ... silicon nitride film, 163, 180, 185 ... tungsten silicide film, 167, 173 ... titanium nitride film, 169, 171 ... tungsten film, 172 ... Tantalum oxide film.
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