JPH0433375A

JPH0433375A - Ｍｏｓトランジスタ

Info

Publication number: JPH0433375A
Application number: JP2138202A
Authority: JP
Inventors: Masataka Kato; 正高加藤; Taijo Nishioka; 西岡　泰城; Shizunori Oyu; 大湯　静憲; Takeaki Okabe; 岡部　健明
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1990-05-30
Filing date: 1990-05-30
Publication date: 1992-02-04

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は半導体装置におけるフィールド酸化膜の信頼性
向上方法に関する。

〔従来の技術〕

従来、電離性放射線照射などの外的要因によりＭＯＳト
ランジスタに特性劣化に劣化が生じることが知られてい
る。アイ・イー・イー・イー・トランザクションズ・オ
ン・ニュークリア・サイエンス、エヌ・ニス・３６．（
１９８９年）第２２０５頁から第２２１１頁（ＩＥＥＥ
　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　ＮｕｃｌｅａｒＳ
ｃｉｅｎｃｅ、ＮＳ−３６（１９８９）ｐｐ、２２０５
〜２２１１）において論じられているように、従来のｎ
チャネルＭＯＳトランジスタにおいては、電離性放射線
照射により、ゲート酸化膜領域におけるしきい値電圧が
低下し、さらに、ＭＯＳ）−ランジスタ領域を分離し、
厚い酸化膜を有するフィールド酸化膜およびＬＯＧＯ５
（Ｌｏｃａｌ　０ｘｉｄａｔｉｏｎ　ｏｆ　５ｉｌｉｃ
ｏｎ）酸化膜とゲート酸化膜の遷移領域であるバーズビ
ーク（ｂｉｒｄｓ’　ｂｅａｋ）領域においてしきい値
電圧変動が生じ、ソース・ドレイン端子間にリーク電流
が発生する。

また、ゲート酸化膜領域においては、しきい値電圧の変
動とともに、ゲート酸化膜／シリコン基板界面において
界面準位が発生し、ＭＯＳ）−ランジスタの駆動能力を
低下させる。

上記２つの問題点、即ち、フィールド酸化膜等の寄生領
域を通してのリーク電流の発生と、ゲート酸化膜／シリ
コン基板界面における界面準位の発生に関する対策が各
々なされている。

リーク電流発生への対処方法としては、特願昭６０−１
０３６７２において示されている。すなわち、ドレイン
領域が半導体基板表面においてゲート領域に包囲され、
ゲート領域の外周にソース領域を有するトランジスタ構
造とすることにより、寄生領域の影響を防止している。

また、界面準位の発生を防止する方法としては、ジャー
ナル・オブ・アプライド・フィジックス。

６６、音８　（１９８９）第３９０９頁から第３９１２
頁（Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓ
ｉｃｓ、ｖｏＱ　６６、　Ｎａ８（１，９８９）ｐｐ３
９０９〜３９１２）に示されているように、フッ素処理
を行ったゲート酸化膜形成方法が挙げられる。この方法
では、ＭＯＳトランジスタ形成領域にゲート酸化膜を形
成した後、多結晶シリコンを用いた電極を形成し、パタ
ーニングの後、低エネルギー（２５ＫｅＶ）条件でフッ
素をイオン打込み法により導入している。その後、９５
０℃条件で高温アニールを行い、フッ素イオンを、ゲー
ト酸化膜／シリコン基板界面に到達させている。これに
より、５ｉ−Ｆ結合を発生させ、界面準位の発生を防止
している。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術では、電離性放射線照射時に発生する個々
の問題点に関する解決の一手法を示しているものの、寄
生領域を通してのリーク電流の増加を防止するためには
、ＭＯ８ｈランジスタのレイアウトパターンの変更が必
要となること、また、フィールド酸化膜に蓄積する正電
量を抑制することはできない。

本発明は、ＬＯＧＯ５酸化膜等をはじめとする現在のフ
ィールド酸化膜技術を用いたＭＯＳトランジスタ形成プ
ロセスにおいて、フィールド酸化膜中の正孔トラップを
抑制することによりソース・トレイン端子間リーク電流
の発生を防止し、同時にゲート酸化膜／シリコン基板間
に発生する界面準位密度の発生を防止することを目的と
している。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、フッ素または塩素イオンをフィールド酸化
膜中に導入し、固定化させることにより達成することが
できる。特に、バーズ・ピーク領域を有する半導体装置
においては、導入さ九たフッ素または塩素イオンの不純
物濃度の最大値を、フィールド酸化膜の膜厚の中心から
深い領域に設定し、シリコン酸化膜内のシリコン基板近
傍におけるストレスを緩和すると、より効果的に達成さ
れるものである。

〔作用〕

フッ素または塩素イオンをシリコン酸化膜／シリコン系
に導入すると、電離性放射線照射後やホットキャリア注
入後において発生する界面準位密度の増加が抑制される
。これは、シリコン酸化膜・シリコン界面およびその近
傍において存在する応力分布がフッ素または塩素イオン
の導入により緩和するためである。つまり、ストレスの
加わった元素間の結合は、電離性放射線や放射線により
誘起された正孔、水素イオン等により容易に切断され、
ｐｂセンタ等の界面準位を発生し易い。そこで、フッ素
または塩素イオンを界面近傍に導入し、元素間の結合の
ストレスを緩和させることにより、外知要因による結合
の接断を防止している。

これと同様に、ストレスの加り易いバーズ・ピーク領域
やフィールド酸化膜中のフッ素または塩素イオンを導入
することにより、シリコン酸化膜中のシリコン−シリコ
ン結合やシリコン−酸素結合におけるストレスを緩和す
ることが可能となる。

これにより、電離性放射線やホットキャリア注入後によ
る正孔トラップの発生を抑制することが可能となる。

〔実施例〕

以下９本発明の第１の実施例を第１図〜第３図により説
明する。第１図は、ｎ形ＭＯＳトランジスタのゲート幅
方向に断面構造を示している。ｐ形シリコン基板表面に
フィールド酸化膜２またはゲート酸化膜７を形成してい
る。また、ゲート酸化膜７及びフィールド酸化膜２上に
パターニングされたゲート電極３を形成し、絶縁膜４及
び配線６を形成している。ここで、フッ素イオン５を少
なくともゲート電極直下のフィールド酸化膜２中に導入
した。フッ素イオンの導入領域については第２図で、フ
ッ素イオンの導入方法については第３図を用いてそれぞ
れ説明する。

第２図は、相補形ＭＯＳトランジスタを用いたインバー
タ回路のレイアウトパターンを示している。（Ｉ）は、
ｐ形ＭＯＳトランジスタ領域を示し、（ｎ）は、ｎ形Ｍ
ＯＳトランジスタ領域を示している。フィールド酸化膜
形成境界１ｏに対し。

ゲート電極パターニング領域９、ｐ形つェル形成領域１
１．フッ素導入領域１２を配置している。

フッ素導入領域１２は、ゲート電極パターニング領域９
とＰ形つェル形成領域１１の重なり領域を少なくとも含
むように形成されている。これは、電離性放射線照射に
よるしきい値電圧変動が、放射線照射時の酸化膜中電界
方向に依存し、ゲート電極からシリコン基板方向に電界
が加わるときに、大きな負方向へのしきい値電圧変動を
生じるため、ｐ形シリコン層表面の反転が問題となる。

そこで、少なくとも上記型なり領域を含む領域にフッ素
を導入した。

第３図（ａ）〜（ｃ）に、フッ素イオン導入方法を示す
。第３図（ａ）〜（Ｃ）は、第２図の直線ＡＡ’　にお
ける素子の断面構造を示している。

（ａ）シリコン基板１３上に、ｐ形つェル領域１４及び
ｎ形つェル領域１５を形成し、ＬＯＣＯ５形成手法を用
いて、約５００ｎｍ厚のフィールド酸化膜２を形成して
いる。フィールド酸化膜２以外のシリコン基板表面は、
約２０ｎｍのシリコン酸化膜１９で覆われている。ここ
で、ホトレジスト膜１６を塗布し、第２図に示したフッ
素導入領域１２にしたがいパターニングを行った。その
後、フッ素イオン１７をイオン打込み手法を用いて導入
した。ここで、フッ素イオン打込みエネルギーを約１０
０ｋｅνとし、イオン打込み量を１０１４〜１０”ａｎ
−２とした。これにより、フッ素イオン５は。

厚いフィールド酸化膜２中に注入されるとともに薄いシ
リコン酸化膜１９の領域ではｐ形つェル領域１４内にも
注入される。フッ素イオン１７はバーズビーク領域１８
にも導入されるが、酸化膜中のフッ素イオンの不純物濃
度の最大値が、フィールド酸化膜２中の膜厚の中央から
深い領域に位置するように、打込みエネルギーを調整し
た。

（ｂ）ホトレジスト膜１６を除去し洗浄後、Ｎ２雰囲気
中で、９００℃１０′の高温アニールを行いフッ素イオ
ンの拡散を行った。さらに、薄いシリコン酸化膜１９を
除去した後、８５０℃の温度で。

新たに、ゲート酸化膜７を形成した。続いて、多結晶シ
リコン層を堆積し不純物を拡散させた後、パターニング
を行うことによりゲート電ｔｒｉ７Ａ３を形成した。

（ｃ）　ｐ形ＭＯＳトランジスタ及びｎ形ＭＯＳトラン
ジスタの各々のソース・ドレイン領域形成用のイオン打
込みを行い、不活性ガス中で高温アニルを行った後、絶
縁膜２０の形成、電極６の形成を行った。

フッ素イオン導入後の熱処理温度は、フッ素イオンの拡
散を防止するために、９５０℃以下で行うことが必要で
ある。熱処理条件により、フィールド酸化膜中における
フッ素イオン不純物プロファイルが変わるために、フッ
素イオンの打込み量は、１０１４〜ｌ　０１５ａ！、−
２の範囲で検討を行った。

第４図に、上記の方法で形成したＭＯＳトランジスタに
Ｘ線を照射した後の直流特性を示している。フッ素イオ
ンの打込み量Ｉ　Ｏ”ａｎ−２の特性では、３２０Ｇｙ
のＸ線照射後においても、ドしｌイン端子リーク電流が
０．１ｎＡ以下に抑えられたが、フッ素イオンの打込み
を行わない素子の特性では、同一照射量で１μ八へ度の
リーク電流の発生がみられた。また、フィールド酸化膜
を用いた寄生ＭＯＳトランジスタに関しても、フッ素イ
オンを１０１５１−２導入することにより、Ｘ線照射後
のしきい値電圧変動が、フッ素イオンを導入しない場合
に比べ、約５０％に抑えられ、ゲート直下のフィールド
酸化膜中へのフッ素イオンの導入が、しきい値電圧劣化
対策に対しても有効である。

本発明の第２の実施例を第５図に示す。第５図はｎ形ト
ランジスタのゲート幅方向の断面構造図である。シリコ
ン基板１．シリコン酸化膜２３及びＰ形シリコン基板２
４の３層構造を有する基板上に、第３図に示した方法で
ｎ形ＭＯＳトランジスタを形成した。特に、フィールド
酸化膜２を形成後、フッ素イオンを、約２　ＭｅＶの高
エネルギーによるイオン打込み法を用いて、シリコン酸
化膜２３中に導入した。このときのフッ素イオンの注入
量は１０ｔｓ、−ｚとした。さらに、ゲート酸化膜７形
成前に、１００ＫｅＶの打込みエネルギーで、フッ素イ
オンを、少なくともゲート電極下のフィールド酸化膜２
中および、フッ素イオン打込み後に形成されるゲート酸
化膜７下のｐ形シリコン基板２４中に導入した。

本実施例では、シリコン基板中にシリコン酸化膜２３が
形成されているため、高エネルギー重粒子線照射環境下
においても、シリコン基板内で発生する電荷量が抑制さ
れる。このため、スタティック型ランダムアクセスメモ
リに本実施例を適用することにより、高エネルギー重粒
子線によるデータ保持状態の反転（ソフト・エラー、シ
ングル・イベント・アップセット）を防止できる。さら
に、電離性放射線環境下においても、シリコン酸化膜２
３中に発生し、固定化する正電荷により発生する、ｐ形
シリコン基板２４のシリコン酸化膜２３界面近傍での不
純物極性の反転または空乏化を抑制することが可能とな
る。このため、本実施例を用いた相補形ＭＯＳトランジ
スタ回路において、ラッチアップ耐圧の増加が達成でき
る。

本発明の第３の実施例を第６図を用いて説明する。第６
図はｎ形ＭＯＳトランジスタのゲート幅方向の断面構造
を示している。本実施例では、第５図に示した本発明の
第２の実施例において、ｐ形シリコン基板２４の厚さが
１μｍ以下の３層構造（シリコン基板１／シリコン酸化
膜２３／ｐ形シリコン基板２４）を用いてｎ形ＭＯ８）
−ランジスタを形成した。フィールド酸化膜２を形成す
る前に、ＩＫｅｌ／の高エネルギー条件でフッ素イオン
をイオン打込みし、シリコン酸化膜中にフッ素イオンの
導入を行った。このとき、フッ素イオンの注入量は１０
１ｓｃ＋＋−２である。ｎ形ＭＯＳトランジスタの形成
方法は第３図に示した第１の実施例に準する。以下に、
変更点・重要な点を示す。フィールド酸化膜２は、ｐ形
シリコン基板２４をエツチングし、熱酸化することによ
り形成され、シリコン酸化膜２３と接している。

また、ゲート酸化膜７を形成する前に、１００ＫｅＶの
エネルギーで再びフッ素イオンをゲート電極３直下のフ
ィールド酸化膜２内およびフッ素イオン打込み後に形成
されるゲート酸化膜７下のｐ形シリコン基板２４中にも
導入した。

本実施例では、シリコン酸化膜２３中に導入したフッ素
イオンにより、シリコン酸化膜２３をゲート酸化膜とす
るバックチャネルトランジスタのしきい値電圧変動の抑
制に効果がある。すなわち、電離性放射線環境下におい
ては、フィールド酸化膜２やゲート酸化膜７のみならず
、シリコン酸化膜２３中にも正電荷の蓄積が生じる。特
に、シリコン酸化膜２３はゲート酸化膜７よりも膜厚が
厚いために、正電荷の蓄積量が多く、しきい値電圧の変
動を生じ易い。このため、バックチャネルトランジスタ
を通してソース・ドレイン間にリーク電流が発生する。

フッ素イオンをシリコン酸化膜２３に導入した素子では
、しきい値電圧の変動が抑えられ、バックチャネルトラ
ンジスタを通したノーク電流の発生が防止できる。

以上、第２及び第３の実施例では、シリコン酸化膜中に
フッ素が導入され、また、フッ素イオンが拡散工程によ
り、シリコン基板２４との界面においても固定化するた
め、シリコン基板２４とシリコン酸化膜２３の界面にお
ける界面準位量が抑えられ、生成・再結合電流の増加が
防止できる。

尚、本発明の各実施例では、フッ素イオンを用いて実施
例を説明したが、同族元素である塩素イオンにおいても
有効である。

また、フッ素イオンの導入方法として、イオン打込み方
法により直接フッ素イオンをフィールド酸化膜中に導入
したが、ゲート電極用多結晶シリコン層を堆積後に、さ
らに高い打込みエネルギーを用いて、多結晶シリコン層
を通してフィールド酸化膜中にフッ素を導入することも
可能である。

さらに、第２及び第３の実施例では、シリコン酸化膜２
３上にＰ形シリコン基板２４が形成されているが、これ
を低濃度ｎ形シリコン基板中にボロンを導入しＰ形つェ
ル領域とした構成によって実現することも可能である。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明では、ゲート電極直下のフ
ィールド酸化膜中にフッ素イオンを導入し、さらに同時
に、ゲート酸化膜直下のシリコン基板中にもフッ素イオ
ンの導入を行った。フィールド酸化膜中においては、密
度１０１Ｇａｎ−’以上のフッ素イオンの導入により、
フィールド酸化膜内のストレスが緩和されると考えられ
る。これにより、電離性放射線照射によるフィールド酸
化膜内の正電荷の発生が抑制され、しきい値電圧変動が
、フッ素をイオン打込みしない素子に比べて約５０％に
抑制された。さらに、ゲート酸化膜直下のシリコン基板
中にも、同時にフッ素イオンが注入されているため、フ
ッ素イオン導入後の熱処理工程により、フッ素イオンが
ゲート酸化膜／シリコン界面に拡散し、ＭＯＳトランジ
スタのしきい値電圧変動に対しても効果がみられている
。尚、本発明は電離性放射線照射による劣化のみならず
、素子製造工程における各損傷の低減化に関しても有効
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の第１の実施例を示すＭＯＳトランジ
スタのゲート幅方向の断面構造図、第２図は第１の実施
例におけるインバータ回路のレイアウトパターン略図、
第３図は第２図のＡＡ’線の断面構造図、第４図は、第
１の実施例のｎ形ＭＯＳトランジスタにおける直流特性
、第５図は、本発明の第２の実施例を示すＭＯＳ）−ラ
ンジスタのゲート幅方向の断面構造図、第６図は、本発
明の第３の実施例を示すＭＯＳトランジスタのゲート幅
方向の断面構造図である。１．１３・・・シリコン基板、２・・・フィールド酸化
膜、３・・・ゲート電極、４・・・絶縁膜、５・・・酸
化膜中に導入されたフッ素、６・・・電極、７・・・ゲ
ート酸化膜、８・・・シリコン基板中に導入されたフッ
素、９・・・ゲート電極パターン、１０・・・フィール
ド酸化膜境界パターン、１１・・・ｐ形つェル領域パタ
ーン、１２・・フッ素イオン打込み領域パターン、１４
・・・ｐ形つェル領域、１５・・・ｎ形つェル領域、１
６・・・ホトレジスト、１７・・・フッ素のイオン打込
み、１８・・・バーズビーク領域、１９・・・シリコン
酸化膜、２０゜２１・・・絶縁膜、２３・・・シリコン
酸化膜・・、２４・・・ｐ形シリコン基板、２５・・・
高エネルギーイオン打込みで導入されたフッ素。

Claims

【特許請求の範囲】１、ＭＯＳトランジスタにおいて、少なくともゲート電
極下のフィールド酸化膜中に、フッ素または塩素を導入
したことを特徴とするＭＯＳトランジスタ。２、特許請求の範囲第１項のＭＯＳトランジスタにおい
て、ゲート酸化膜下のシリコン基板中にフッ素または塩
素を導入したことを特徴とするＭＯＳトランジスタ。３、特許請求の範囲第１項のＭＯＳトランジスタにおい
て、フッ素または塩素密度最大値が、フィールド酸化膜
の膜厚中心から深い位置に存在することを特徴とするＭ
ＯＳトランジスタ。４、シリコン／シリコン酸化膜／シリコン基板構造を用
いたＭＯＳトランジスタにおいて、該シリコン酸化膜中
にフッ素または塩素を導入したことを特徴とするＭＯＳ
トランジスタ。