JP2000150512A - Silicon nitride film, formation method therefor, and semiconductor device - Google Patents

Silicon nitride film, formation method therefor, and semiconductor device

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JP2000150512A
JP2000150512A JP13466099A JP13466099A JP2000150512A JP 2000150512 A JP2000150512 A JP 2000150512A JP 13466099 A JP13466099 A JP 13466099A JP 13466099 A JP13466099 A JP 13466099A JP 2000150512 A JP2000150512 A JP 2000150512A
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nitride film
silicon nitride
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silicon
bond
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JP13466099A
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Japanese (ja)
Inventor
Masaki Hirayama
Takehisa Nitta
Tadahiro Omi
Yuji Saito
Katsuyuki Sekine
忠弘 大見
昌樹 平山
祐司 斉藤
雄久 新田
克行 関根
Original Assignee
Tadahiro Omi
Ultra Clean Technology Kaihatsu Kenkyusho:Kk
忠弘 大見
株式会社ウルトラクリーンテクノロジー開発研究所
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To evenly and stably form a silicon nitride film with no electron or hole trap by introducing a mixed gas comprising nitrogen gas, inert gas, and hydrogen gas into a process chamber, causing plasma, and directly nitriding the surface of a silicon substrate to form Si-H bond and N-H bond. SOLUTION: A vacuum vessel 101 is vacuated using a turbo molecular pump 102, and the mixed gas of argon/nitrogen/hydrogen is introduced through a gas guiding port 103. With a silicon wafer 104 placed on a sample stage 105, a micro wave is supplied into the vacuum vessel 101 through a radial line slot antenna 107 from a coaxial waveguide 106, for generating a high-density plasma. Thus, the surface of silicon wafer 104 is directly nitrided so that a silicon nitride film comprising Si-H bond and N-H bond is formed. Thus, a silicon nitride film with no electron or hole trap is evenly and stably formed on the silicon wafer 104 by a few nm level.

Description

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

【0001】 [0001]

【産業上の利用分野】本発明は、シリコン窒化膜及びその形成方法並びに半導体装置に係り、特にトランジスタのゲート絶縁膜やキャパシタの誘電膜の薄膜化および高品質化を達成し、トランジスタのより一層の高速化・高信頼性化、キャパシタセル面積の微細化を可能とするシリコン窒化膜に関する。 The present invention relates to relates to a silicon nitride film and a method of forming the same, and a semiconductor device, in particular to achieve a thin and high-quality gate insulating film and the capacitor dielectric film of a transistor, even more transistors speed and reliability of, regarding the silicon nitride film that enables miniaturization of the capacitor cell area.

【0002】 [0002]

【従来の技術】現在、トランジスタのゲート絶縁膜には、主としてシリコン酸化膜が用いられているが、トランジスタの素子寸法の微細化、トランジスタの動作速度の高速化等の高特性化に伴い、ゲート絶縁膜にはシリコン酸化膜(誘電率3.9)よりも誘電率の大きいシリコン窒化膜(誘電率7.9)を採用する検討がなされている。 At present, the gate insulating film of the transistor is mainly a silicon oxide film is used, miniaturization of element dimensions of the transistor, with high characteristics of speed, such as the operating speed of the transistor, the gate the insulating film study employing a larger silicon nitride film of the dielectric constant than silicon oxide film (dielectric constant 3.9) (dielectric constant 7.9) have been made.

【0003】しかし、PCVDやCVD法等の通常の成膜法により成膜したシリコン窒化膜は、膜中に電子またはホールトラップが多く存在し、トランジスタのしきい値の経時変化が大きくなり信頼性に乏しいという問題がある。 However, the silicon nitride film formed by a conventional film formation method such as PCVD or CVD, electron or hole trap many exist in the film, the reliability aging of threshold value of the transistor is increased there is a problem of poor. また、トランジスタの高速化を達成し、かつ均一なしきい値を得るためには、数nm程度のシリコン窒化膜を安定して形成する必要があるが、従来の方法では均一な膜厚を再現性良く成膜するのは困難という問題がある。 Further, to achieve faster transistors, and in order to obtain a uniform threshold, it is necessary to stably form a silicon nitride film of about several nm, reproducibility uniform thickness by conventional methods there is a problem that it is difficult to be deposited.

【0004】 [0004]

【発明が解決しようとする課題】かかる状況に鑑み、本発明は、膜中の電子またはホールトラップのないシリコン窒化膜を提供することを目的とする。 In view of the INVENTION Problems to be Solved such circumstances, an object of the present invention to provide an electron or hole trap without silicon nitride film in the film. 即ち、例えば、 That is, for example,
しきい値に経時的変化のないMISトランジスタに不可欠なゲート絶縁膜に適用可能なシリコン窒化膜を提供することを目的とする。 And to provide the applicable silicon nitride film integral gate insulating film without MIS transistors change over time in the threshold.

【0005】また、本発明は、電子またはホールトラップのないシリコン窒化膜をシリコン基体上に数nm程度、均一且つ安定して形成することができるシリコン窒化膜の形成方法を提供することを目的とする。 [0005] The present invention also aims to provide a method of forming an electronic or about several nm to hole trapping free silicon nitride film on a silicon substrate, a uniform and stable silicon can be formed nitride film to.

【0006】さらに、本発明の他の目的は、上記シリコン窒化膜を用いることにより、超微細かつ高速なMIS Furthermore, another object of the present invention, by using the silicon nitride film, ultrafine and fast MIS
トランジスタ、微小DRAM等の高特性半導体装置を提供することにある。 Transistors, to provide a high performance semiconductor device such as a micro-DRAM.

【0007】 [0007]

【課題を解決するための手段】本発明のシリコン窒化膜は、処理室に窒素ガスを含む混合ガスを導入し、該処理室内に載置されたシリコン基体の表面を直接窒化して形成したシリコン窒化膜であって、Si−H結合および/ Means for Solving the Problems] silicon nitride film of the present invention is to introduce a mixed gas containing nitrogen gas into the processing chamber, formed by directly nitriding the surface of the placed silicon substrate into the processing chamber silicon a nitride film, Si-H bonds and /
またはN−H結合を有することを特徴とする。 Or characterized by having a N-H bond.

【0008】本発明の窒化シリコン膜の形成方法は、処理室に窒素ガス、不活性ガス及び水素ガスを含む混合ガスを導入して、プラズマを生起し、該処理室内に載置されたシリコン基体の表面を直接窒化することを特徴とする。 [0008] method of forming a silicon nitride film of the present invention, the nitrogen gas into the processing chamber, while introducing a mixed gas containing an inert gas and hydrogen gas, occurred the plasma, placed on the processing chamber silicon substrate characterized in that nitriding the surface of the directly.

【0009】また、本発明の半導体装置は、処理室に窒素ガスを含む混合ガスを導入し、該処理室内に載置されたシリコン基体の表面を直接窒化して形成したSi−H Further, the semiconductor device of the present invention is to introduce a mixed gas containing nitrogen gas into the processing chamber, the processing placed indoors to the surface of the silicon substrate is formed by direct nitriding was a Si-H
結合および/またはN−H結合を有するシリコン窒化膜を一部に含むことを特徴とする。 The binding and / or a silicon nitride film having a N-H bond, characterized in that it comprises a part. 即ち、MISトランジスタのゲート絶縁膜やDRAMの蓄積容量の絶縁膜に好適に用いられる。 That, is suitably used for the insulating film of the storage capacitor of the gate insulating film and DRAM MIS transistor.

【0010】以下に本発明を完成するに至った経緯とともに本発明の作用を説明する。 [0010] a description will be given of the operation of the present invention along with the events that led to the completion of the present invention will be described below.

【0011】本発明者らは、より高性能なMISトランジスタの開発を行う中で、ゲート絶縁膜として誘電率の大きい窒化シリコンを用いることが不可欠であることから、このシリコン窒化膜の薄膜を均一に、しかも低温で形成しうる方法を検討した。 [0011] The present inventors have found that in performing the development of more sophisticated MIS transistor, since it is essential to use a large silicon nitride dielectric constant as the gate insulating film, a uniform thin film of the silicon nitride film to, yet it was examined how that can form at low temperatures.

【0012】その中で、PCVD等のように膜を堆積する方法では、シリコン窒化膜中に電子やホールのトラップが多いこと、シリコンと膜との間に界面準位が多数存在すること、絶縁耐圧が低いこと、等の問題があり、これらの問題を解決するために、シリコン酸化膜との多層構造膜の検討も併せて行ったが、基本的な対策とはなりえず、逆に製造工程が複雑になり、膜全体の誘電率が低下してしまうという新たな問題も生じた。 [0012] Among them, the method of depositing the film as such PCVD, that traps electrons and holes in the silicon nitride film is high, the interface state there are many between the silicon and the film, the insulation withstand voltage is low, there are problems such, in order to solve these problems has been performed also to consider the multi-layer structure film of a silicon oxide film, manufactured Nariezu, contrary to the basic measures process becomes complicated, the dielectric constant of the entire film is also produced new lowered.

【0013】また、このような従来の成膜法では、高特性半導体装置に必要な数nm程度の薄い膜を均一に形成するのは容易でないことから、シリコン表面を直接窒化してシリコン窒化膜を形成する方法を考案し、その形成方法、形成条件、窒化用ガス等の検討を行った。 [0013] In such a conventional film forming method, high performance thin film of about several nm necessary for a semiconductor device since it is not easy to uniformly form the silicon nitride film silicon surfaces by direct nitriding devised a method of forming a method of forming the same, formed condition, a study by the gas nitriding was carried out. その結果、不活性ガスと窒素ガスの混合ガスを用いてプラズマを生起し、このプラズマでシリコン表面処理することにより数nmのシリコン窒化膜が均一に且つ安定して得られることが分かった。 As a result, the occurrence of the plasma using a mixed gas of inert gas and nitrogen gas, it was found that several nm of the silicon nitride film can be obtained by uniformly and stably by treating silicon surfaces with the plasma. また、プラズマはラジアルラインスロットアンテナを通してマイクロ波により生起することにより、400℃程度の低温であっても効率よくシリコン表面の窒化を行うことができることが分かった。 The plasma is by occurring by microwave through the radial line slot antenna, it was found that it is possible to perform nitriding also efficiently silicon surface a low temperature of about 400 ° C..

【0014】このようにしてして形成したシリコン窒化膜は、膜厚が均一で絶縁耐圧も高く、界面準位も少ないという優れた特性を有するものであったが、膜中に電子またはホールトラップは依然として存在し、トランジスタのゲート絶縁膜として用いると、トランジスタのしきい値に経時変化がみられた。 [0014] In this manner the silicon nitride film formed to the thickness uniform breakdown voltage is high, but had an excellent characteristics that interface state is small, electrons or holes trapped in the film It is still present, when used as the gate insulating film of a transistor, change over time in the threshold of the transistor was observed.

【0015】そこで、本発明者らは、さらに種々の条件をさらに詳細に検討する中で、プラズマ生起用の混合ガスに水素ガスを添加することにより、MISトランジスタのしきい値の経時安定性が向上することを発見し、この知見に基づいて本発明のシリコン窒化膜を完成するに至ったのである。 [0015] Therefore, the present inventors have further in that discussed in more detail the various conditions, by addition of hydrogen gas to the mixed gas plasma raw appointed, temporal stability threshold MIS transistor It discovered that improved, than is accomplished the silicon nitride film of the present invention based on this finding.

【0016】本発明において、不活性ガスと窒素ガスの混合ガスに水素ガスを添加することにより、MISトランジスタのしきい値特性が大きく向上したのは、水素ガスを加えることによりシリコン窒化膜中のダングリングボンドがSi−H、N−H結合を形成して終端され、その結果シリコン窒化膜中の電子またはホールトラップが無くなり、トランジスタの信頼性が向上したものと考えられる。 [0016] In the present invention, by adding hydrogen gas to the mixed gas of inert gas and nitrogen gas, the threshold characteristics of the MIS transistor has improved significantly, in the silicon nitride film by the addition of hydrogen gas dangling bonds Si-H, to form a N-H bond is terminated, so that there is no electrons or holes trapped in the silicon nitride film, it is considered that reliability of the transistor is improved.

【0017】なお、本発明において、処理室に導入する混合ガスとしては、不活性ガス、窒素ガス、及び水素ガスを少なくとも含むガスである。 [0017] In the present invention, the mixed gas introduced into the treatment chamber, including at least a gas inert gas, nitrogen gas, and hydrogen gas. ここで、不活性性ガスをしては、Ar,Heが好適に用いられるが、Ne,K Here, by the inert gas, Ar, but He is preferably used, Ne, K
r,Xeであってもよい。 r, it may be a Xe.

【0018】混合ガス中の窒素ガス分圧としては、窒化の効率の観点から1〜10%が好適に用いられ、4〜6 [0018] As the nitrogen gas partial pressure in the mixed gas, 1-10% from the viewpoint of efficiency of nitride are preferably used, 4-6
%がより好ましい。 % Is more preferable. また、水素ガスの添加量としては、 Further, the addition amount of hydrogen gas,
0.5%以上で窒素ガスの濃度以下とするのが好ましい。 Preferably not more than the concentration of nitrogen gas at 0.5% or more. 0.5%以上とすることで、膜中の電子やホールのとラップは急激に減少し、また、窒素ガス分圧以下とすることで放電を安定して持続でき、高特性シリコン窒化膜を再現性良く形成することができる。 With 0.5% or more, electrons and holes of the lap in the film rapidly decreased, also be sustained stably discharge by a nitrogen gas partial pressure, the higher property silicon nitride film it can be formed with good reproducibility.

【0019】また、本発明において、プラズマの発生には、ラジアルラインスロットアンテナを通して、マイクロ波を導入して行うのが好ましい。 Further, in the present invention, the generation of plasma through the radial line slot antenna, preferably carried out by introducing the microwaves. これにより、高密度のプラズマを生起することができ、一層低温(200〜 Thus, it is possible to rise to high-density plasma, even the low temperature (200
500℃)で窒化を行うことが可能となる。 It is possible to perform nitriding at 500 ° C.).

【0020】 [0020]

【実施例】以下に本発明の実施例を挙げてより詳細に説明する。 EXAMPLES Hereinafter to examples of the present invention will be described in more detail.

【0021】図1は、本発明のシリコン窒化膜を形成するための装置の一例を示す概念図である。 [0021] FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating an example of an apparatus for forming a silicon nitride film of the present invention.

【0022】真空容器(処理室)101を、ターボ分子ポンプ102を用いて真空にし、ガス導入口103から、アルゴン/窒素/水素混合ガスを導入し、例えば真空容器内の圧力を50mTorrに設定する。 [0022] The vacuum vessel (processing chamber) 101, and a vacuum using a turbomolecular pump 102, through the gas inlet 103, introducing argon / nitrogen / hydrogen mixed gas, is set, for example the pressure in the vacuum chamber to 50mTorr . シリコンウェハ104を、加熱機構を持つ試料台105に置き、 The silicon wafer 104 is placed on the sample stage 105 having a heating mechanism,
例えば試料の温度が430℃になるように設定する。 For example the temperature of the sample is set to be 430 ° C.. 同軸導波管106から、ラジアルラインスロットアンテナ107を通して、真空容器内に、8.3GHzのマイクロ波を供給し、真空容器内に高密度のプラズマを生成する。 From the coaxial waveguide 106, through the radial line slot antenna 107, a vacuum chamber, supplying a microwave of 8.3 GHz, to generate high density plasma in the vacuum vessel. この時、供給するマイクロ波の周波数は2.45G At this time, the frequency of supply microwave 2.45G
Hzとしてもよい。 It may be used as Hz. 本実施例では、ラジアルラインスロットアンテナを用いたプラズマ装置を用いて成膜した例を示したが、一般的な平行平板型高周波プラズマ装置を用いても良く、またECRプラズマ、ICP等の他のプラズマ源を用いても同様な効果を得ることができる。 In this embodiment, an example of film formation using a plasma apparatus using a radial line slot antenna, even by using a general parallel plate RF plasma apparatus may also ECR plasma, other of ICP etc. even using a plasma source can produce the same effect.

【0023】また、比較のため、混合ガスとして、アルゴン/窒素ガス混合ガスを用いた場合についても同様に行った(比較例)。 Further, for comparison, a mixed gas was carried out in the same manner on the case of using an argon / nitrogen gas mixture gas (Comparative Example).

【0024】図2に、形成したシリコン窒化膜のX線光電子分光スペクトルを示す。 [0024] FIG. 2 shows an X-ray photoelectron spectrum of the formed silicon nitride film. 混合ガスに水素ガスを含まない比較例のシリコン窒化膜には、Si に起因するピーク201のみが存在するが、本実施例のシリコン窒化膜の膜中には、Si に起因するピーク202 The silicon nitride film in the comparative example containing no hydrogen gas to the mixed gas, but only the peak 201 due to Si 3 N 4 is present, in the film of the silicon nitride film of this embodiment, the Si 3 N 4 due to peak 202
の他に、N−Hに起因するピーク203が観測された。 In addition to the peak 203 due to N-H were observed.
このことから、シリコン窒化膜中のダングリングボンドを水素が終端していることが確認された。 Therefore, it was confirmed that the dangling bonds in the silicon nitride film is hydrogen terminates.

【0025】図3に、シリコン窒化膜の赤外吸収スペクトルを示す。 [0025] FIG 3 shows the infrared absorption spectrum of the silicon nitride film. 比較例のシリコン窒化膜には、Si−Hに起因する吸収ピークは観測されていないが、本実施例のシリコン窒化膜には、Si−Hに起因する吸収301が観測された。 The silicon nitride film in the comparative example, although the absorption peak attributable to Si-H is not observed in the silicon nitride film of this example, absorption 301 due to the Si-H was observed. このことから、シリコン窒化膜中のダングリングボンドを水素が終端していることが確認された。 Therefore, it was confirmed that the dangling bonds in the silicon nitride film is hydrogen terminates.

【0026】図4に、形成したシリコン窒化膜のC−V [0026] FIG. 4, C-V of the formed silicon nitride film
カーブを示す。 It shows the curve. C−Vカーブは図5に示した測定系を用いて行った。 C-V curve was performed using the measurement system shown in FIG. 図5において、C−Vカーブを測定した素子は、n型シリコンウェハ、面方位(100)、基板濃度5〜10Ω・cmからなる被処理体501、フィールド酸化膜502、ゲートシリコン窒化膜503、ゲート電極504から構成される。 5, elements of the measurement of the C-V curve, n-type silicon wafer, surface orientation (100), the object to be processed 501 consisting of substrate concentration 5~10Ω · cm, the field oxide film 502, a gate silicon nitride film 503, composed of the gate electrode 504. また、505は探針、50 In addition, 505 probe, 50
6は電流計、507は直流電圧印加手段、508は高周波電流印加手段である。 6 ammeter 507 DC voltage applying unit, 508 is a high-frequency current applying means.

【0027】図5に示す素子の形成は、次に示す手順で行った。 The formation of the device shown in FIG. 5 was carried out in the procedure shown below.

【0028】(1)n型Siウェハ501上に、シリコン酸化膜からなるフィールド酸化膜502(厚さ:80 [0028] (1) on the n-type Si wafer 501, a field oxide film 502 (thickness of a silicon oxide film: 80
0nm)を熱酸化法[(H +O )ガス、H =1l 0 nm) thermal oxidation method [(H 2 + O 2) gas, H 2 = 1l
/min、O =1l/min、ウェハ温度=1000 / Min, O 2 = 1l / min, wafer temperature = 1000
℃]で形成後、フィールド酸化膜502の一部をウェットエッチング処理し、n型Siウェハ501の表面を露出させた。 After formation in ° C.], a portion of the field oxide film 502 by wet etching to expose the surface of n-type Si wafer 501.

【0029】(2)n型Siウェハ501の露出させた表面のみ、本発明の方法を用いて直接窒化させ、シリコン窒化膜からなるゲートシリコン窒化膜503(面積= [0029] (2) n-type Si only exposed so the surface of the wafer 501, thereby directly nitrided using the method of the present invention, a gate silicon nitride film 503 composed of a silicon nitride film (area =
1.0×10 −4 cm 、厚さ=5.0nm)を形成した。 1.0 × 10 -4 cm 2, = 5.0nm) was formed in thickness. その際の成膜条件は、例えば、成膜ガスはアルゴン/窒素/水素混合ガス、ガス圧は50mTorr,分圧比はアルゴン/窒素/水素=93%/5%/2%(比較例の場合は、アルゴン/窒素=95%/5%)、マイクロ波パワーは5W/cm 、窒化処理時間は30分、ウェハは電気的にフローティング状態に保持し、ウェハ温度は430℃とした。 The film formation conditions for the, for example, the deposition gas is argon / nitrogen / hydrogen mixed gas, the gas pressure is 50 mTorr, the partial pressure ratio argon / nitrogen / hydrogen = 93% / 5% / 2% (in the case of the comparative example , argon / nitrogen = 95% / 5%), microwave power is 5W / cm 2, nitriding treatment time is 30 minutes, the wafer is electrically held in the floating state, the wafer temperature was 430 ° C..

【0030】(3)フィールド酸化膜502およびゲート窒化膜503の上に、Alからなるゲート電極504 [0030] (3) over the field oxide film 502 and the gate nitride film 503, a gate electrode 504 made of Al
(厚さ=1000nm)を蒸着法で形成した。 It was formed (thickness = 1000 nm) evaporation method.

【0031】(4)探針505をゲート電極504に接触させ、ゲート電極504を介して電圧をシリコン窒化膜503に印加し、流れる電流を電流計506を測定し容量を求めた。 [0031] (4) contacting the probe 505 to the gate electrode 504, through a gate electrode 504 by applying a voltage to the silicon nitride film 503, to determine the capacity to measure the ammeter 506 a current flowing.

【0032】図5から明らかなように、比較例のシリコン窒化膜のC−Vカーブには、膜中の電子またはホールトラップに起因するヒステリシスが存在するが、本実施例のシリコン窒化膜のC−Vカーブには、ヒステリシスは存在しない。 As is apparent from FIG. 5, the C-V curve of the silicon nitride film in the comparative example, although hysteresis due to electron or hole traps in the film there, C of the silicon nitride film in this Example the -V curve, hysteresis does not exist. このことから本実施例のシリコン窒化膜には膜中電子またはホールトラップがないことが分かる。 The silicon nitride film of this example because it is found there is no film in the electron or hole trap.

【0033】図6に、アルゴン/窒素雰囲気に、水素を添加した添加量と、C−Vカーブのヒステリシスの幅を示す。 [0033] FIG. 6 shows in an argon / nitrogen atmosphere, the amount of hydrogen was added, the width of the hysteresis of the C-V curve. C−Vカーブは図5に示す測定系で上記方法を用いて測定した。 C-V curve was measured using the method described above in the measurement system shown in FIG. なお、窒素分圧は一定とした。 It should be noted that the nitrogen partial pressure was constant.

【0034】図6が示すように、水素を添加しないで形成したシリコン窒化膜には、電子またはホールトラップに起因するヒステリシスが存在するが、水素を添加することによりヒステリシスの幅は急激に減少し、水素添加量を0.5%以上にすると、電子またはホールトラップに起因するヒステリシスは無くなることが分かる。 [0034] As Figure 6 shows, in the silicon nitride film formed without addition of hydrogen, although hysteresis due to electron or hole traps present, the hysteresis width by the addition of hydrogen decreases sharply , when the amount of hydrogen addition to 0.5% or more, hysteresis due to electron or hole traps can be seen that no.

【0035】図7に、シリコン窒化膜について100M [0035] Figure 7, 100M for silicon nitride film
Hzで測定した誘電率を示す。 Showing the dielectric constant measured in Hz. 比較例のシリコン窒化膜の誘電率が5.3なのに対し、本実施例のシリコン窒化膜の誘電率は7.9を示し、誘電率が大幅に増加した。 While the dielectric constant of the silicon nitride film in the comparative example is 5.3, the dielectric constant of the silicon nitride film of this example showed a 7.9, dielectric constant is increased significantly.

【0036】従って、本実施例のシリコン窒化膜をトランジスタのゲート絶縁膜として使用すると、トランジスタの動作速度を、シリコン酸化膜をゲート絶縁膜として使用した場合と比較して2倍程度、比較例のシリコン窒化膜を使用した場合と比較して、1.5倍程度の高速化ができることになる。 [0036] Thus, in this embodiment the silicon nitride film used as a gate insulating film of the transistor, the operation speed of the transistors, about twice the silicon oxide film as compared with the case of using as a gate insulating film of Comparative Example as compared with the case of using silicon nitride film, so that it is faster about 1.5 times.

【0037】また、本実施例のシリコン窒化膜をDRA Further, a silicon nitride film of this example DRA
Mの誘電膜として用いた場合に、同じ電荷量を蓄えるのに、シリコン酸化膜ゲートを用いた場合と比較して、 When used as a dielectric film of M, to store the same amount of charge, as compared with the case of using the silicon oxide film gate,
0.5倍程度セル面積を縮小することができる。 It can be reduced 0.5 times the cell area. また、 Also,
比較例のシリコン窒化膜を用いた場合と比較して、0. As compared with the case of using the silicon nitride film in the comparative example, 0.
67倍にセル面積縮小することができる。 It can be reduced cell area 67 times.

【0038】図8に、シリコン窒化膜の注入電荷量としきい値の関係を示す。 [0038] FIG. 8 shows the relationship between the injection charge amount and the threshold of the silicon nitride film. シリコン窒化膜に電荷を注入する系を図9に示す。 A system for injecting charges into the silicon nitride film shown in FIG. 901は電圧計、902は電流計、9 901 voltmeter 902 ammeter, 9
03は定電流源である。 03 is a constant current source. 測定は以下の手順で行った。 The measurement was carried out by the following procedure.

【0039】(1)探針505をゲート電極504に接触させ、ゲート電極504を介して一定電流をシリコン窒化膜503に注入した。 [0039] (1) contacting the probe 505 to the gate electrode 504, was injected constant current to the silicon nitride film 503 through the gate electrode 504.

【0040】(2)図5の測定系を用いて、C−Vカーブを測定しC−Vカーブからしきい値電圧を求めた。 [0040] (2) using the measurement system of Figure 5 to determine the threshold voltage from the C-V curve measured C-V curve.

【0041】図9が示すように、比較例のシリコン窒化膜では、注入電荷量に対するしきい値変化量は大きいが、本実施例のシリコン窒化膜は、注入電荷量に対するしきい値の変化量は小さい。 As shown in FIG. 9, the silicon nitride film in the comparative example, although the threshold value variation to the injected charge amount is large, a silicon nitride film of this example, the amount of change in threshold for injection charge amount It is small. この結果から、本発明のシリコン窒化膜はしきい値電圧の経時変化が小さく、信頼性が向上していることが分かる。 From the results, the silicon nitride film of the present invention has a small change with time in the threshold voltage, that the reliability is improved.

【0042】上記に示した、窒化膜中のSi−H結合およびN−H結合の存在、窒化膜中のトラップの減少(C The indicated above, the presence of Si-H bonds and N-H bond in the nitride film, a decrease in traps in the nitride film (C
−Vカーブ中のヒステリシス幅の減少)、注入電荷量に対するしきい値のシフト量の減少、誘電率の増加は、不活性ガスにアンモニアガスを2%以上添加した場合に、 Decrease of the hysteresis width in -V curves), reduction of the shift amount of threshold for injected charge amount, the increase in dielectric constant, the addition of ammonia gas 2% or more inert gases,
同様の効果があることがある。 There is that there is a similar effect.

【0043】 [0043]

【発明の効果】本発明により、膜中の電子またはホールトラップのない薄層のシリコン窒化膜を安定して提供することが可能となり、かかる窒化シリコン膜をゲート絶縁膜に用いることにより、高速で、且つしきい値に経時変化のない信頼性の高いMISトランジスタ等の高性能半導体装置を提供することが可能となる。 According to the present invention, a silicon nitride film of the electron or hole trap without a thin layer of the film stably becomes possible to provide, by using such a silicon nitride film as the gate insulating film, a high speed and it is possible to provide a high-performance semiconductor device such as a high MIS transistor with no reliable change over time threshold.

【0044】また、本発明のシリコン窒化膜を用いることにより、半導体素子のより高密度かを達成することができる。 [0044] Also, by using the silicon nitride film of the present invention, it is possible to achieve a higher density of semiconductor devices.

【図面の簡単な説明】 BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

【図1】本発明のシリコン窒化膜を形成するための装置の一例を示す概念図である。 1 is a conceptual diagram illustrating an example of an apparatus for forming a silicon nitride film of the present invention.

【図2】シリコン窒化膜のX線光電子分光スペクトルを示すグラフである。 2 is a graph showing the X-ray photoelectron spectrum of the silicon nitride film.

【図3】シリコン窒化膜の赤外吸収スペクトルを示すグラフである。 3 is a graph showing the infrared absorption spectrum of the silicon nitride film.

【図4】シリコン窒化膜のC−Vカーブを示すグラフである。 4 is a graph showing the C-V curve of the silicon nitride film.

【図5】C−Vカーブの測定系を示す概念図である。 5 is a conceptual diagram illustrating a measurement system of the C-V curve.

【図6】水素添加量とC−Vカーブのヒステリシスの幅の関係を示すグラフである。 6 is a graph showing the relationship between the hysteresis width of the amount of hydrogen addition and C-V curve.

【図7】成膜方法の違いによるシリコン窒化膜の誘電率を示すグラフである。 7 is a graph showing the dielectric constant of the silicon nitride film due to the difference in film forming method.

【図8】シリコン窒化膜の注入電荷量としきい値の関係を示すグラフである。 8 is a graph showing the relationship between the injection charge amount and the threshold of the silicon nitride film.

【図9】シリコン窒化膜に電荷を注入する系を示す概念図である。 9 is a conceptual diagram showing a system for injecting charges into the silicon nitride film.

【符号の説明】 DESCRIPTION OF SYMBOLS

101 真空容器、 102 ターボ分子ポンプ、 103 ガス導入口、 104 シリコンウエハ、 105 試料台、 106 同軸導波管、 107 ラジアルラインスロットアンテナ、 108 マイクロ波透過用石英窓、 109 シールド(石英/Al製)、 110 石英製の試料台カバー、 111 ビューポート、 112 ゲートバルブ、 201,202 Si に起因するピーク、 203 N−H結合に起因するピーク、 301 Si−Hに起因するピーク、 501 シリコンウエハ、 502 フィールド酸化膜、 503 ゲートシリコン窒化膜、 504 ゲート電極、 505 探針、 506 電流計、 507 直流電圧印加手段、 508 高周波電流印加手段、 901 電圧計、 902 電流計、 903 定電流源。 101 vacuum chamber 102 turbomolecular pump, 103 a gas inlet, 104 a silicon wafer, 105 sample stage 106 coaxial waveguide, 107 radial line slot antenna, 108 a microwave transmissive quartz window, 109 shield (quartz / Al) , 110 quartz sample table cover, 111 viewports, 112 a gate valve, a peak attributable to 201,202 Si 3 N 4, peaks attributed to 203 N-H bond, a peak attributable to 301 Si-H, 501 silicon wafer, 502 a field oxide film, 503 a gate silicon nitride film, 504 a gate electrode, 505 probe, 506 ammeter 507 DC voltage applying unit, 508 high-frequency current applying means, 901 voltmeter, 902 ammeter, 903 constant current source.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 関根 克行 宮城県仙台市青葉区荒巻字青葉(無番地) 東北大学内 (72)発明者 斉藤 祐司 宮城県仙台市青葉区荒巻字青葉(無番地) 東北大学内 (72)発明者 平山 昌樹 宮城県仙台市青葉区荒巻字青葉(無番地) 東北大学内 (72)発明者 新田 雄久 東京都文京区本郷4丁目1番4号株式会社 ウルトラクリーンテクノロジー開発研究所 内 Fターム(参考) 5F058 BA06 BA11 BC08 BF30 BF54 BF60 BF74 BJ01 BJ10 ────────────────────────────────────────────────── ─── of the front page continued (72) inventor Katsuyuki Sekine Sendai, Miyagi Prefecture, Aoba-ku, Aramaki Aoba (no address) Tohoku University in (72) inventor Yuji Saito Miyagi Prefecture, Aoba-ku, Sendai, Aramaki Aoba (no address) in the Tohoku University (72) inventor Masaki Hirayama Sendai, Miyagi Prefecture, Aoba-ku, Aramaki Aoba (no address) Tohoku University in (72) inventor Katsuhisa Nitta Hongo, Bunkyo-ku, Tokyo 4 chome No. 4, Inc. Ultra clean technology development Institute in the F-term (reference) 5F058 BA06 BA11 BC08 BF30 BF54 BF60 BF74 BJ01 BJ10

Claims (8)

    【特許請求の範囲】 [The claims]
  1. 【請求項1】 処理室に窒素ガスを含む混合ガスを導入し、該処理室内に載置されたシリコン基体の表面を直接窒化して形成したシリコン窒化膜であって、 Si−H結合および/またはN−H結合を有することを特徴とするシリコン窒化膜。 [Claim 1] introducing a mixed gas containing nitrogen gas into the processing chamber, a silicon nitride film formed by directly nitriding the surface of the placed silicon substrate to the processing chamber, Si-H bonds and / or silicon nitride film and having a N-H bond.
  2. 【請求項2】 処理室に窒素ガス、不活性ガス及び水素ガスを含む混合ガスを導入して、プラズマを生起し、該処理室内に載置されたシリコン基体の表面を直接窒化することを特徴とするシリコン窒化膜の形成方法。 2. A nitrogen into the processing chamber gas, while introducing a mixed gas containing an inert gas and hydrogen gas, to rise to plasma, characterized in that directly nitriding the surface of the placed silicon substrate into the processing chamber method of forming a silicon nitride film to.
  3. 【請求項3】 処理室にアンモニアガス及び不活性ガスを含む混合ガスを導入して、プラズマを生起し、該処理室内に載置されたシリコン基体の表面を直接窒化することを特徴とするシリコン窒化膜の形成方法。 Wherein by introducing a mixed gas containing ammonia gas and an inert gas into the processing chamber, silicon occurred the plasma, characterized by directly nitriding the surface of the placed silicon substrate into the processing chamber method of forming a nitride film.
  4. 【請求項4】 前記混合ガス中の水素ガス分圧は0.5 Wherein the partial pressure of hydrogen gas in the mixed gas is 0.5
    %以上であることを特徴とする請求項2に記載のシリコン窒化膜の形成方法。 Method of forming a silicon nitride film according to claim 2, characterized in that at least percent.
  5. 【請求項5】 前記混合ガス中のアンモニアガス分圧は2.0%以上であることを特徴とする請求項3に記載のシリコン窒化膜の形成方法。 5. A method of forming a silicon nitride film according to claim 3, wherein the ammonia gas partial pressure of the mixed gas is 2.0% or more.
  6. 【請求項6】 前記プラズマはラジアルラインスロットアンテナを通してマイクロ波を導入して生起したものであることを特徴とする請求項2又は3に記載のシリコン窒化膜の形成方法。 Wherein said plasma forming method of the silicon nitride film according to claim 2 or 3, characterized in that those have occurred by introducing a microwave through a radial line slot antenna.
  7. 【請求項7】 処理室に窒素ガスを含む混合ガスを導入し、該処理室内に載置されたシリコン基体の表面を直接窒化して形成したSi−H結合および/またはN−H結合を有するシリコン窒化膜を一部に含むことを特徴とする半導体装置。 7. introducing a mixed gas containing nitrogen gas into the process chamber, having a surface directly nitrided Si-H bond was formed and / or N-H bonds placed silicon substrate into the processing chamber a semiconductor device comprising a silicon nitride film on a part.
  8. 【請求項8】 処理室にアンモニアガスを含む混合ガスを導入し、該処理室内に載置されたシリコン基体の表面を直接窒化して形成したSi−H結合および/またはN 8. introducing a mixed gas containing ammonia gas into the processing chamber, the processing Si-H bonds formed by directly nitriding the surface of the placed silicon substrate into the room and / or N
    −H結合を有するシリコン窒化膜を一部に含むことを特徴とする半導体装置。 Wherein a partially including a silicon nitride film having a -H bond.
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