JP2003077913A - Method for nitriding workpiece and semiconductor element - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体ウエハ等の
被処理体の表面に対して窒化処理を施す被処理体の窒化
方法及び半導体素子に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for nitriding a target object such as a semiconductor wafer for nitriding the surface of the target object and a semiconductor device.
【０００２】[0002]
【従来の技術】一般に、半導体集積回路を製造するため
にはシリコン基板等よりなる半導体ウエハに対して、成
膜処理、エッチング処理、酸化処理、拡散処理、改質処
理、窒化処理等の各種の処理が行なわれる。上記各種の
処理の中で、例えば酸化処理を例にとれば、この酸化処
理は、単結晶或いはポリシリコン膜の表面等を酸化する
場合、金属膜を酸化処理する場合等が知られており、特
に、ゲート絶縁膜やキャパシタ等の絶縁膜を形成する時
に主に用いられる。2. Description of the Related Art Generally, in order to manufacture a semiconductor integrated circuit, various processes such as a film forming process, an etching process, an oxidation process, a diffusion process, a modification process, a nitriding process are performed on a semiconductor wafer made of a silicon substrate or the like. Processing is performed. Among the various treatments described above, for example, if oxidation treatment is taken as an example, this oxidation treatment is known to oxidize the surface of a single crystal or polysilicon film or the like, or to oxidize a metal film, Particularly, it is mainly used when forming an insulating film such as a gate insulating film or a capacitor.
【０００３】この酸化処理を行なう方法には、圧力の観
点からは、略大気圧と同等の雰囲気下の処理容器内で行
なう常圧酸化処理方法と真空雰囲気下の処理容器内で行
なう減圧酸化処理方法とがあり、また、酸化に使用する
ガス種の観点からは、例えば水素と酸素とを外部燃焼装
置にて燃焼させることによって水蒸気を発生させてこの
水蒸気を用いて酸化を行なうウェット酸化処理方法（例
えば特開平３−１４０４５３号公報等）と、酸素のみ
を、或いは酸素に不活性ガスを添加したガスを処理容器
内へ流すなどして水蒸気を用いないで酸化を行なうドラ
イ酸化処理方法（例えば特開昭５７−１２３２号公報
等）とが存在する。From the viewpoint of pressure, the method of performing this oxidation treatment is a normal pressure oxidation treatment method performed in a treatment container under an atmosphere substantially equal to atmospheric pressure and a reduced pressure oxidation treatment performed in a treatment container under a vacuum atmosphere. There is also a method, and from the viewpoint of the gas species used for oxidation, for example, a wet oxidation treatment method in which hydrogen and oxygen are burned in an external combustion device to generate steam, and the steam is used for oxidation. (For example, Japanese Patent Laid-Open No. 3-140453) and a dry oxidation treatment method in which only oxygen or a gas obtained by adding an inert gas to oxygen is flowed into a treatment container to perform oxidation without using steam (for example, JP-A-57-1232).
【０００４】[0004]
【発明が解決しようとする課題】ところで、絶縁膜とし
ては耐圧性、耐腐食性、信頼性等の膜質特性を考慮する
と、一般的には、ドライ酸化処理により形成された物よ
りも、ウェット進化処理により形成された物の方が比較
的優れている。また、形成される酸化膜（絶縁膜）の成
膜レートやウエハ面内の均一性の観点からは、一般的に
は、常圧のウェット酸化処理により形成された物は、酸
化レートは大きいが、膜厚の面内均一性に劣り、減圧の
ウェット酸化処理により形成された物は、逆に酸化レー
トは小さいが膜厚の面内均一性に優れている、という特
性を有している。In consideration of film quality characteristics such as pressure resistance, corrosion resistance, and reliability as an insulating film, generally, the wet evolution is more advanced than that formed by dry oxidation treatment. The product formed by the process is relatively superior. Further, from the viewpoint of the film formation rate of the oxide film (insulating film) to be formed and the uniformity within the wafer surface, generally, the product formed by the wet oxidation treatment at normal pressure has a high oxidation rate. The in-plane uniformity of the film thickness is poor, and the product formed by the wet oxidation treatment under reduced pressure has a characteristic that the oxidation rate is small but the in-plane uniformity of the film thickness is excellent.
【０００５】従来にあっては、半導体集積回路のデザイ
ンルールがそれ程厳しくなかったことから、酸化膜が適
用される用途やプロセス条件、装置コスト等を適宜勘案
して、上述したような種々の酸化方法が用いられてい
た。しかしながら、最近のように線幅や膜厚がより小さ
くなってデザインルールが厳しくなると、それに従っ
て、膜質の特性や膜厚の面内均一性等がより高いものが
要求されるようになってきており、酸化処理方法では、
この要求に十分に対応する絶縁膜を形成することができ
ない、といった問題が発生してきた。例えば、一般的に
温度が高い程、良質の絶縁膜が形成できるといわれてい
るが、昇温過程、降温過程、処理容器内の温度安定を図
る過程においても１ｎｍ以上の厚さの絶縁膜が形成され
てしまうことがあり、１．５ｎｍ以下の絶縁膜を制御性
良く形成するのは困難である。In the past, since the design rules of semiconductor integrated circuits were not so strict, various oxides such as those described above should be taken into consideration by appropriately considering the application to which the oxide film is applied, the process conditions, the apparatus cost, and the like. The method was used. However, as line widths and film thicknesses have become smaller and design rules have become stricter as in recent years, there has been a demand for higher film quality characteristics and film thickness in-plane uniformity. In the oxidation treatment method,
There has been a problem that it is not possible to form an insulating film that sufficiently meets this requirement. For example, it is generally said that the higher the temperature, the better the quality of the insulating film that can be formed, but the insulating film having a thickness of 1 nm or more can be formed in the temperature rising process, the temperature lowering process, and the process of stabilizing the temperature in the processing container. Since it may be formed, it is difficult to form an insulating film having a thickness of 1.5 nm or less with good controllability.
【０００６】また、ウェット酸化処理方法により絶縁膜
を形成する例として例えば特開平４−１８７２７号公報
に示すように、縦型の石英反応管内の下端にＨ2 ガスと
Ｏ2ガスとを別個に導入し、これを石英キャップ内に設
けた燃焼部にて燃焼させて水蒸気を発生し、この水蒸気
をウエハの配列方向に沿って上昇させつつ酸化処理を行
なって絶縁膜を形成するようにした酸化装置も提案され
ている。しかしながら、この場合には、上記した燃焼部
にてＨ2 ガスを燃焼させるようにしているので、例えば
処理容器の下端では水蒸気リッチになり、そして、水蒸
気が上昇するに従ってこれが消費されて処理容器の上端
では逆に水蒸気不足の傾向となるので、ウエハ面上に形
成される絶縁膜の厚さがウエハの支持位置により大きく
異なる場合が生じ、この絶縁膜の厚さの面間均一性が劣
化する場合もあった。Further, as an example of forming an insulating film by a wet oxidation treatment method, as shown in, for example, JP-A-4-18727, H 2 gas and O 2 gas are separately provided at the lower end in a vertical quartz reaction tube. Introduced, burned in the combustion section provided in the quartz cap to generate water vapor, and the water vapor is raised along the wafer arranging direction and subjected to an oxidation treatment to form an insulating film. Devices have also been proposed. However, in this case, since the H 2 gas is burned in the above-mentioned combustion section, for example, the lower end of the processing container becomes rich in steam, and as the steam rises, this is consumed and On the contrary, the water vapor tends to be insufficient at the upper end, so that the thickness of the insulating film formed on the wafer surface may greatly vary depending on the supporting position of the wafer, and the inter-surface uniformity of the thickness of the insulating film deteriorates. In some cases.
【０００７】また、他の装置例として例えば特開昭５７
−１２３２号公報に開示されているように、横型のバッ
チ式の反応管内に複数の半導体ウエハを並べて設置し、
この反応管の一端側より、Ｏ2 ガスを導入したり、或い
はＯ2 ガスとＨ2 ガスとを同時に導入したりして、減圧
雰囲気化にて絶縁膜を生成するようにした酸化装置も提
示されている。しかしながら、この従来装置例の場合に
は、水素燃焼酸化法を用いて比較的高い圧力雰囲気下に
て成膜を行っていることから、水蒸気成分が反応の主体
となり、上述したように処理容器内のガス流の上流側と
下流側との間での水蒸気の濃度差が大きくなり過ぎ、絶
縁膜の厚さの面間均一性が劣化する恐れがあった。また
更に、他の装置例として例えば米国特許第６０３７２７
３号に開示されているように、ランプ加熱による枚葉式
のプロセスチャンバ内に酸素ガスと水素ガスとを供給
し、これらの両ガスをプロセスチャンバ内に設置した半
導体ウエハ表面の近傍にて反応させて水蒸気を生成し、
この水蒸気でウエハ表面のシリコンを酸化させて絶縁膜
を形成するようにした装置が示されている。Another example of the apparatus is, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 57-57.
As disclosed in Japanese Patent No. 1232, a plurality of semiconductor wafers are arranged side by side in a horizontal batch-type reaction tube,
An oxidizing device is also proposed in which O 2 gas is introduced from one end side of this reaction tube, or O 2 gas and H 2 gas are simultaneously introduced to generate an insulating film under a reduced pressure atmosphere. Has been done. However, in the case of this conventional apparatus example, since the film formation is performed under a relatively high pressure atmosphere by using the hydrogen combustion oxidation method, the water vapor component becomes the main component of the reaction, and as described above, There was a risk that the difference in water vapor concentration between the upstream side and the downstream side of the gas flow would become too large, and the inter-plane uniformity of the thickness of the insulating film would deteriorate. Further, as another example of the device, for example, US Pat. No. 6,033,727.
As disclosed in No. 3, oxygen gas and hydrogen gas are supplied into a single-wafer process chamber by lamp heating, and both of these gases react near the surface of a semiconductor wafer installed in the process chamber. To generate water vapor,
An apparatus is shown in which the water vapor oxidizes silicon on the wafer surface to form an insulating film.
【０００８】しかしながら、この装置例の場合には、ウ
エハから２０〜３０ｍｍ程度だけ離れたガス入口から酸
素ガスと水素ガスとをプロセスチャンバ内に導入し、半
導体ウエハ表面の近傍にてこれらの酸素ガスと水素ガス
とを反応させて水蒸気を発生させて、しかもプロセス圧
力も比較的高い領域で行うことから、膜厚の面内均一性
に劣る恐れが生ずる、といった問題があった。そこで、
本出願人は特願２００１−１２８３５０にて、水素基活
性種と酸素活性種とを主体として用いることにより特性
の良好な絶縁膜を形成する方法を提案してある程度の改
善を図ることができたが、特性上、更なる改良の余地が
あった。本発明は、以上のような問題点に着目し、これ
を有効に解決すべく創案されたものである。本発明の目
的は、特性の良好な窒化膜（絶縁層）を、膜厚の制御性
を高く維持した状態で形成することができる被処理体の
窒化方法及び半導体素子を提供することにある。However, in the case of this example of the apparatus, oxygen gas and hydrogen gas are introduced into the process chamber from a gas inlet which is separated from the wafer by about 20 to 30 mm, and the oxygen gas and the hydrogen gas are introduced in the vicinity of the surface of the semiconductor wafer. Since hydrogen gas is reacted with hydrogen gas to generate water vapor, and the process pressure is set in a relatively high region, there is a problem that the in-plane uniformity of the film thickness may be deteriorated. Therefore,
The applicant of the present application has proposed in Japanese Patent Application No. 2001-128350 a method of forming an insulating film having good characteristics by mainly using a hydrogen group active species and an oxygen active species, and was able to achieve some improvement. However, there was room for further improvement in characteristics. The present invention has been made to pay attention to the above problems and to solve them effectively. An object of the present invention is to provide a method for nitriding an object to be processed and a semiconductor element, which can form a nitride film (insulating layer) having good characteristics while maintaining high controllability of the film thickness.
【０００９】[0009]
【課題を解決するための手段】本発明者等は、絶縁層の
形成について鋭意研究した結果、シリコン基板やシリコ
ン酸化膜（ＳｉＯ2 ）をＨ2 ガスとＮＨ3 ガスとを用い
て窒化処理することにより、比較的低温、例えば６００
度程度でも特性の良好な窒化膜を絶縁層として形成する
ことができる、という知見を得ることにより、本発明に
至ったものである。請求項１に規定する発明は、処理容
器内にて所定の温度になされた被処理体の表面を窒化す
る窒化方法において、減圧雰囲気下にてＨ2 とＮＨ3 と
を用いることにより前記窒化処理を行なって窒化膜を形
成したことを特徴とする被処理体の窒化方法である。こ
れにより、電気的特性の良好な窒化膜（絶縁層）を、膜
厚の制御性が良好な状態で形成することが可能となる。Means for Solving the Problems As a result of earnest studies on the formation of an insulating layer, the inventors of the present invention nitridize a silicon substrate or a silicon oxide film (SiO 2 ) using H 2 gas and NH 3 gas. This allows relatively low temperatures, eg 600
The present invention has been achieved by finding that a nitride film having excellent characteristics can be formed as an insulating layer even at a high degree. The invention defined in claim 1 is a nitriding method of nitriding a surface of an object to be treated, which has been brought to a predetermined temperature in a treatment container, by using H 2 and NH 3 under a reduced pressure atmosphere to perform the nitriding treatment. Is performed to form a nitride film. As a result, it becomes possible to form a nitride film (insulating layer) having good electrical characteristics in a state where the controllability of the film thickness is good.
【００１０】この場合、例えば請求項２に規定するよう
に、前記Ｈ2 及び／又はＮＨ3 の供給には、不活性ガス
のキャリアガスを用いるようにしてもよい。また、例え
ば請求項３に規定するように、前記窒化処理の温度は、
４００〜１０００℃の範囲内である。また、例えば請求
項４に規定するように、前記被処理体の表面の窒化対象
層は、シリコン酸化層である。また、例えば請求項５に
規定するように、前記被処理体の表面の窒化対象層は、
多結晶、或いは単結晶シリコン層である。また、例えば
請求項６に規定するように、前記被処理体の表面の窒化
対象層は、金属酸化膜である。この場合、例えば請求項
７に規定するように、前記金属酸化膜は、Ａｌ2 Ｏ3、
Ｔａ2 Ｏ5 、ＨｆＯ2 、ＺｒＯ2 、Ｌａ2 Ｏ3 及びＬｎ
2 Ｏ3 の内の１つである。請求項８に規定する発明は、
上記方法で形成された絶縁層を用いた半導体素子に係
り、すなわち、絶縁層を有する多層構造の半導体素子に
おいて、前記絶縁層として、上記本発明方法で形成され
た窒化膜を用いることを特徴とする半導体素子である。In this case, for example, as defined in claim 2, an inert gas carrier gas may be used to supply the H 2 and / or NH 3 . Further, for example, as defined in claim 3, the temperature of the nitriding treatment is
It is in the range of 400 to 1000 ° C. Further, for example, as defined in claim 4, the nitriding target layer on the surface of the object to be processed is a silicon oxide layer. Further, for example, as defined in claim 5, the nitriding target layer on the surface of the object is
It is a polycrystalline or single crystal silicon layer. Further, for example, as defined in claim 6, the nitriding target layer on the surface of the object to be processed is a metal oxide film. In this case, for example, as defined in claim 7, the metal oxide film is Al 2 O 3 ,
Ta 2 O 5 , HfO 2 , ZrO 2 , La 2 O 3 and Ln
It is one of 2 O 3 . The invention defined in claim 8 is
The present invention relates to a semiconductor device using an insulating layer formed by the above method, that is, in a semiconductor device having a multilayer structure having an insulating layer, using the nitride film formed by the method of the present invention as the insulating layer, It is a semiconductor device.
【００１１】請求項９に規定する発明は、絶縁層の下に
下地層を有する多層構造の半導体素子において、前記下
地層として、上記本発明方法で形成された窒化膜を用い
ることを特徴とする半導体素子である。ここで、例えば
請求項１０に規定するように、前記絶縁層は、高誘電体
物質よりなる。また、例えば請求項１１に規定するよう
に、前記絶縁層は、ゲート絶縁層である。According to a ninth aspect of the invention, in a semiconductor device having a multi-layer structure having an underlayer under an insulating layer, the nitride film formed by the method of the present invention is used as the underlayer. It is a semiconductor device. Here, for example, as defined in claim 10, the insulating layer is made of a high dielectric material. Also, for example, as defined in claim 11, the insulating layer is a gate insulating layer.
【００１２】[0012]
【発明の実施の形態】以下に、本発明に係る被処理体の
窒化方法及び半導体素子の一実施例を添付図面に基づい
て詳述する。図１は本発明の第１実施例の半導体素子の
一例を示す断面図、図２は本発明の第２実施例の半導体
素子を示す断面図、図３は本発明に係る被処理体の窒化
方法を実施するために用いる熱処理装置の一例を示す構
成図である。まず、本発明の窒化方法によって形成され
る窒化膜が用いられる用途について説明する。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION An embodiment of a method for nitriding an object to be processed and a semiconductor device according to the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. 1 is a cross-sectional view showing an example of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention, FIG. 2 is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a nitriding process target according to the present invention. It is a block diagram which shows an example of the heat processing apparatus used in order to implement the method. First, applications in which the nitride film formed by the nitriding method of the present invention is used will be described.
【００１３】図１において、Ｗは被処理体としてのシリ
コン基板等よりなる半導体ウエハであり、例えばＰ型或
いはＮ型の不純物がドープされている。そして、この半
導体ウエハＷの上面に例えば半導体素子７０が形成され
る。この半導体素子７０は、ゲート素子であり、ウエハ
Ｗの表面と例えばポリシリコン等よりなるゲート電極７
２との間に、ゲート絶縁層７４が介在されて多層構造に
なっている。この第１実施例ではこのゲート絶縁層７４
として後述する本発明方法によって形成される窒化膜７
６が用いられることになる。この窒化膜７６は、シリコ
ン膜、或いはシリコン酸化膜（ＳｉＯ2 ）を本発明方法
によって窒化処理することにより形成される。この時の
窒化膜７６よりなるゲート絶縁層７４の厚さは、デバイ
スの仕様にもよるが、例えば１．５ｎｍ以下の厚さであ
る。In FIG. 1, W is a semiconductor wafer made of a silicon substrate or the like as an object to be processed, and is doped with, for example, P-type or N-type impurities. Then, for example, the semiconductor element 70 is formed on the upper surface of the semiconductor wafer W. This semiconductor element 70 is a gate element, and the surface of the wafer W and the gate electrode 7 made of, for example, polysilicon or the like.
A gate insulating layer 74 is interposed between the first and second electrodes to form a multi-layer structure. In the first embodiment, the gate insulating layer 74
A nitride film 7 formed by the method of the present invention described later.
6 will be used. The nitride film 76 is formed by nitriding a silicon film or a silicon oxide film (SiO 2 ) by the method of the present invention. The thickness of the gate insulating layer 74 made of the nitride film 76 at this time is, for example, 1.5 nm or less, although it depends on the specifications of the device.
【００１４】また、図２は第２実施例の半導体素子７８
を示しており、この半導体素子７８もゲート素子であ
る。ここでは、ゲート絶縁層７４としては窒化膜を用い
ておらず、例えば高誘電体物質を用いている。尚、これ
に限定されず、絶縁層として通常の酸化膜等を用いても
よい。そして、このゲート絶縁層７４の下面にウエハ表
面との境界層として、すなわち、下地層８０が設けられ
て多層構造になっている。この第２実施例ではこの下地
層８０として後述する本発明方法によって形成される窒
化膜８２が用いられることになる。この時の窒化膜８２
よりなる下地層８０の厚さは、例えば数Å程度である。
また、多層構造として、シリコン基板上に、酸化膜、高
誘電体物質の薄膜、ゲート電極を順次積層した構造にも
本発明を適用することができる。更には、ゲート絶縁層
７４として後述するような金属酸化膜よりなる高誘電体
物質の薄膜を含む場合には、この金属酸化膜に対して下
記に示すような窒化処理を施すことができる。これによ
れば、高誘電体物質の薄膜中の、ゲート電極に近い側に
窒素元素のピークが存在するようになり、この素子の電
気特性を更に向上させることが可能となる。Further, FIG. 2 shows a semiconductor device 78 of the second embodiment.
The semiconductor element 78 is also a gate element. Here, a nitride film is not used as the gate insulating layer 74, and for example, a high dielectric substance is used. The insulating layer is not limited to this, and a normal oxide film or the like may be used as the insulating layer. The lower surface of the gate insulating layer 74 is provided with a base layer 80 as a boundary layer with the wafer surface, that is, a base layer 80 to form a multi-layer structure. In this second embodiment, a nitride film 82 formed by the method of the present invention described later is used as the base layer 80. The nitride film 82 at this time
The underlying layer 80 made of, for example, has a thickness of about several Å.
The present invention can also be applied to a multilayer structure in which an oxide film, a thin film of a high dielectric material, and a gate electrode are sequentially stacked on a silicon substrate. Furthermore, when the gate insulating layer 74 includes a thin film of a high dielectric material made of a metal oxide film as described later, this metal oxide film can be subjected to a nitriding treatment as described below. According to this, the peak of the nitrogen element exists in the thin film of the high dielectric material on the side close to the gate electrode, and it becomes possible to further improve the electrical characteristics of this element.
【００１５】次に、上述したような窒化膜７６、８２を
形成するための熱処理装置の構造について図３を参照し
て説明する。この熱処理装置２は、内筒４と外筒６とよ
りなる石英製の２重管構造の縦型の所定の長さの処理容
器８を有している。上記内筒４内の処理空間Ｓには、被
処理体を保持するための支持手段としての石英製のウエ
ハボート１０が収容されており、このウエハボート１０
には被処理体としての半導体ウエハＷが所定のピッチで
多段に保持される。尚、このピッチは、一定の場合もあ
るし、ウエハ位置によって異なっている場合もある。Next, the structure of the heat treatment apparatus for forming the above-mentioned nitride films 76 and 82 will be described with reference to FIG. The heat treatment apparatus 2 has a vertical processing container 8 of a double tube structure made of quartz and having an inner cylinder 4 and an outer cylinder 6 and having a predetermined length. The processing space S in the inner cylinder 4 accommodates a wafer boat 10 made of quartz as a support means for holding the object to be processed.
The semiconductor wafer W as the object to be processed is held in multiple stages at a predetermined pitch. The pitch may be constant or may be different depending on the wafer position.
【００１６】この処理容器８の下方を開閉するためにキ
ャップ１２が設けられ、これには磁性流体シール１４を
介して貫通する回転軸１６が設けられる。そして、この
回転軸１６の上端に回転テーブル１８が設けられ、この
テーブル１８上に保温筒２０を設け、この保温筒２０上
に上記ウエハボート１０を載置している。そして、上記
回転軸１６は昇降可能なボートエレベータ２２のアーム
２４に取り付けられており、上記キャップ１２やウエハ
ボート１０等と一体的に昇降可能にしており、ウエハボ
ート１０は処理容器８内へその下方から挿脱可能になさ
れている。尚、ウエハボート１０を回転せずに、これを
固定状態としてもよい。上記処理容器８の下端開口部
は、例えばステンレス製のマニホールド２６が接合され
ており、このマニホールド２６には、流量制御されたＮ
Ｈ3 ガスとＨ2 ガスとを処理容器８内へ導入するための
ＮＨ3 ガス供給系２８とＨ2 ガス供給系３０がそれぞれ
個別に設けられている。A cap 12 is provided to open and close the lower portion of the processing container 8, and a rotary shaft 16 which penetrates through the magnetic fluid seal 14 is provided on the cap 12. A rotary table 18 is provided on the upper end of the rotary shaft 16, a heat retaining cylinder 20 is provided on the table 18, and the wafer boat 10 is mounted on the heat retaining cylinder 20. The rotary shaft 16 is attached to an arm 24 of a boat elevator 22 that can be raised and lowered, and can be raised and lowered integrally with the cap 12, the wafer boat 10, etc., and the wafer boat 10 is placed in the processing container 8. It can be inserted and removed from below. The wafer boat 10 may be fixed without rotating. A manifold 26 made of, for example, stainless steel is joined to the lower end opening of the processing container 8, and the manifold 26 has a flow rate-controlled N.
An NH 3 gas supply system 28 and an H 2 gas supply system 30 for introducing the H 3 gas and the H 2 gas into the processing container 8 are individually provided.
【００１７】具体的には、まず、上記ＮＨ3 ガス供給系
２８は、上記マニホールド２６を貫通して設けられるガ
スノズル３２を有しており、このノズル３２には途中に
例えばマスフローコントローラのような流量制御器３４
を介設したガス供給路３６が接続される。そして、この
ガス供給路３６には、ＮＨ3 ガスを貯留するＮＨ3 ガス
源３８が接続されている。また、上記Ｈ2 ガス供給源３
０は、同様に上記マニホールド２６を貫通して設けられ
るガスノズル４０を有しており、このノズル４０には途
中に例えばマスフローコントローラのような流量制御器
４２を介設したガス供給路４４が接続される。そして、
このガス供給路４４には、Ｈ2 ガスを貯留するＨ2 ガス
源４６が接続されている。Specifically, first, the NH 3 gas supply system 28 has a gas nozzle 32 which is provided so as to penetrate the manifold 26, and the nozzle 32 has a flow rate in the middle thereof, such as a mass flow controller. Controller 34
Is connected to the gas supply path 36. Then, this gas supply channel 36, the NH 3 gas source 38 that stores the NH 3 gas is connected. Further, the H 2 gas supply source 3
Similarly, 0 has a gas nozzle 40 which is provided so as to penetrate through the manifold 26, and a gas supply path 44 having a flow rate controller 42 such as a mass flow controller interposed therein is connected to the nozzle 40. It And
The gas supply path 44, the H 2 gas source 46 that stores the H 2 gas is connected.
【００１８】従って、上記各ノズル３２、４０より供給
された各ガスは、内筒４内の処理空間Ｓであるウエハの
収容領域を上昇して天井部で下方へ折り返し、そして内
筒４と外筒６との間隙内を流下して排出されることにな
る。また、外筒６の底部側壁には、排気口５０が設けら
れており、この排気口５０には、排気路５２に真空ポン
プ５４を介設してなる真空排気系５６が接続されてお
り、処理容器８内を真空引きするようになっている。こ
こで処理空間Ｓとしてのウエハの収容領域と各ガスの導
入位置との間の距離Ｈ１、具体的にはウエハの収容領域
の下端部、すなわちウエハボート１０の下端部と各ノズ
ル３２、４０の先端のガス出口との間の距離Ｈ１は所定
の距離だけ離間されている。このように距離Ｈ１を設け
た第１の理由は、この距離Ｈ１の長さを各ガスが上昇す
る間に、加熱ヒータ６２により加熱されてホットウォー
ル状態になさされた処理容器８からの放熱により、上記
各ガスを予備的に加熱させるためである。すなわち、一
般的にはウエハボート１０の長さ方向に沿った処理空間
Ｓの温度は精度良く略一定に維持されているが、もし、
例えば室温程度の各ガスをウエハボート１０の下部近傍
に導入すると、この部分における温度が低下して処理空
間Ｓ内の全体における温度分布に悪影響を与えるからで
ある。また、第２の理由は、距離Ｈ１の長さに亘って両
ガスが上昇する際に、これらの両ガスを良好に混合させ
るためである。Therefore, the gases supplied from the nozzles 32 and 40 rise in the wafer accommodation area, which is the processing space S in the inner cylinder 4, and fold back downward at the ceiling, and then the inner cylinder 4 and the outside. It will flow down in the gap between the cylinder 6 and be discharged. An exhaust port 50 is provided on the bottom side wall of the outer cylinder 6, and a vacuum exhaust system 56 having an exhaust passage 52 and a vacuum pump 54 is connected to the exhaust port 50. The inside of the processing container 8 is evacuated. Here, the distance H1 between the wafer accommodation area as the processing space S and the introduction position of each gas, specifically, the lower end portion of the wafer accommodation area, that is, the lower end portion of the wafer boat 10 and the nozzles 32, 40. A distance H1 between the tip and the gas outlet is separated by a predetermined distance. The first reason for providing the distance H1 in this manner is that heat is released from the processing container 8 that is heated by the heater 62 and is brought into a hot wall state while each gas rises the length of the distance H1. This is to preheat each of the above gases. That is, in general, the temperature of the processing space S along the length of the wafer boat 10 is accurately maintained at a substantially constant level.
This is because, for example, when each gas having a temperature of about room temperature is introduced near the lower portion of the wafer boat 10, the temperature in this portion is lowered and the temperature distribution in the entire processing space S is adversely affected. The second reason is that when both gases rise over the length of the distance H1, these gases are mixed well.
【００１９】従って、上記距離Ｈ１は、ウエハの収容領
域（処理空間Ｓ）における温度分布に悪影響を与えない
で、且つ導入されたＮＨ3 ガスとＨ2 ガスとの混合を十
分に行う得る長さ、例えば１００ｍｍ以上、好ましくは
３００ｍｍ以上に設定する。尚、本実施例の場合は、距
離Ｈ１は３５０ｍｍ程度に設定されている。また、処理
容器８の外周には、断熱層６０が設けられており、この
内側には、加熱手段として加熱ヒータ６２が設けられて
内側に位置するウエハＷを所定の温度に加熱するように
なっている。ここで、処理容器８の全体の大きさは、例
えば処理すべきウエハＷのサイズを８インチ、ウエハボ
ート１０に保持されるウエハ枚数を１５０枚程度（製品
ウエハを１３０枚程度、ダミーウエハ等を２０枚程度）
とすると、内筒４の直径は略２６０〜２７０ｍｍ程度、
外筒６の直径は略２７５〜２８５ｍｍ程度、処理容器８
の高さは略１２８０ｍｍ程度である。Therefore, the distance H1 is a length that can sufficiently mix the introduced NH 3 gas and H 2 gas without adversely affecting the temperature distribution in the wafer accommodation area (processing space S). For example, it is set to 100 mm or more, preferably 300 mm or more. In the case of this embodiment, the distance H1 is set to about 350 mm. Further, a heat insulating layer 60 is provided on the outer periphery of the processing container 8, and a heater 62 as a heating means is provided inside the heat insulating layer 60 to heat the wafer W located inside to a predetermined temperature. ing. Here, the overall size of the processing container 8 is, for example, the size of the wafer W to be processed is 8 inches, the number of wafers held in the wafer boat 10 is about 150 (about 130 product wafers, 20 dummy wafers, etc.). (About one sheet)
Then, the diameter of the inner cylinder 4 is about 260 to 270 mm,
The outer cylinder 6 has a diameter of about 275 to 285 mm, and the processing container 8
Has a height of about 1280 mm.
【００２０】また、ウエハＷのサイズが１２インチの場
合には、ウエハボート１０に保持されるウエハ枚数が２
５〜５０枚程度の場合もあり、この時、内筒４の直径は
略３８０〜４２０ｍｍ程度、外筒６の直径は略４４０〜
５００ｍｍ程度、処理容器８の高さは略８００ｍｍ程度
である。そして、ウエハボート１０の高さＨ２は、ウエ
ハ枚数に依存し、例えば２００〜１０００ｍｍ程度の範
囲内となる。尚、これらの数値は単に一例を示したに過
ぎない。尚、図中、６４はキャップ１２とマニホールド
２６との間をシールするＯリング等のシール部材であ
り、６６はマニホールド２６と外筒６の下端部との間を
シールするＯリング等のシール部材である。When the size of the wafer W is 12 inches, the number of wafers held in the wafer boat 10 is 2.
In some cases, the diameter of the inner cylinder 4 is approximately 380 to 420 mm, and the diameter of the outer cylinder 6 is approximately 440 to 440.
The height of the processing container 8 is about 500 mm and about 800 mm. The height H2 of the wafer boat 10 depends on the number of wafers and falls within a range of, for example, about 200 to 1000 mm. Note that these numerical values are merely examples. In the figure, 64 is a sealing member such as an O-ring that seals between the cap 12 and the manifold 26, and 66 is a sealing member such as an O-ring that seals between the manifold 26 and the lower end of the outer cylinder 6. Is.
【００２１】次に、以上のように構成された熱処理装置
を用いて行なわれる本発明方法について説明する。ま
ず、未処理の多数枚の半導体ウエハＷをウエハボート１
０に所定のピッチで多段に保持させ、この状態でボート
エレベータ２２を上昇駆動することにより、ウエハボー
ト１０を処理容器８内へその下方より挿入し、処理容器
８内を密閉する。この処理容器８内は予め予熱されてお
り、また、例えば半導体ウエハＷの表面は窒化対象とな
るシリコン酸化膜等が前工程にて形成されている。ま
た、単結晶のシリコンウエハ自体の表面を窒化する場合
もある。上述のようにウエハＷが挿入されたならば、加
熱ヒータ６２への供給電圧を増加してウエハＷを所定の
プロセス温度まで昇温すると共に、真空排気系５６によ
り処理容器８内を真空引きする。Next, the method of the present invention which is carried out by using the heat treatment apparatus constructed as described above will be explained. First, a large number of unprocessed semiconductor wafers W are transferred to the wafer boat 1
The wafer boat 10 is inserted into the processing container 8 from below and the inside of the processing container 8 is sealed by driving the boat elevator 22 upwardly in this state by holding the wafer boat 10 in multiple stages at a predetermined pitch. The inside of the processing container 8 is preheated in advance, and a silicon oxide film or the like to be nitrided is formed on the surface of the semiconductor wafer W in the previous step. In addition, the surface of the single crystal silicon wafer itself may be nitrided. When the wafer W is inserted as described above, the supply voltage to the heater 62 is increased to raise the temperature of the wafer W to a predetermined process temperature, and the inside of the processing container 8 is evacuated by the vacuum exhaust system 56. .
【００２２】所定の温度及び圧力設定に達した後に、Ｎ
Ｈ3 ガス供給系２８のガスノズル３２から流量制御され
たＮＨ3 ガスを処理容器８内へ導入すると共に、Ｈ2 ガ
ス供給系３０のガスノズル４０から流量制御されたＨ2
ガスを処理容器８内へ導入する。このように、処理容器
８内へ別々に導入されたＮＨ3 ガスとＨ2 ガスはこの処
理容器８内を上昇しつつＮＨ3 ガスは、分解されて活性
化し、この時、この活性化はＨ2 ガスにより促進され、
この活性種によってウエハ表面を窒化することになる。
この時発生する活性種はＮＨ、ＮＨ2 Ｎ等が存在する。
また、この時の窒化処理のプロセス条件は、ウエハ温度
が４００〜９００℃の範囲内、好ましくは下層の素子の
耐熱性等を考慮して４００〜８００℃の範囲内、圧力は
１３３Ｐａ（１Ｔｏｒｒ）未満、好ましくは濃度分布を
考慮して６．７Ｐａ（０．０５Ｔｏｒｒ）〜６６．５Ｐ
ａ（０．５Ｔｏｒｒ）の範囲内である。After reaching the predetermined temperature and pressure settings, N
H 3 is introduced from the gas nozzle 32 of the gas supply system 28 to the flow controlled NH 3 gas processing vessel 8, H 2 whose flow rate is controlled from the gas nozzle 40 of the H 2 gas supply system 30
The gas is introduced into the processing container 8. As described above, the NH 3 gas and the H 2 gas separately introduced into the processing container 8 rise in the processing container 8, and the NH 3 gas is decomposed and activated. At this time, the activation is H Promoted by 2 gases,
The surface of the wafer is nitrided by this active species.
The active species generated at this time include NH, NH 2 N and the like.
Further, the process conditions of the nitriding treatment at this time are such that the wafer temperature is in the range of 400 to 900 ° C., preferably in the range of 400 to 800 ° C. in consideration of the heat resistance of the lower layer element, and the pressure is 133 Pa (1 Torr). Less, preferably 6.7 Pa (0.05 Torr) to 66.5 P considering the concentration distribution
It is within the range of a (0.5 Torr).
【００２３】ここで、Ｈ2 ガスとＮＨ3 ガスのいずれか
一方、或いは両方に不活性ガス、例えばＮ2 ガスやＡｒ
ガスをキャリアガスとして加えるようにしてもよい。こ
のように、Ｏ2 等の酸化性ガスを加えることなく還元性
ガスであるＮＨ3 ガスとＨ2 ガスのみを用い、しかもＨ
2 ガスを僅かな量だけ添加することにより、ＮＨ3 ガス
の分解・活性化が大幅に促進されて、例えば６００℃程
度の低温でもシリコンやシリコン酸化膜を十分に、且つ
膜厚の制御性良く窒化して窒化膜を形成することができ
る。換言すれば、一般的に、酸化膜に対して窒化処理を
行う時に、Ｎ2 ＯやＮＯ等の酸化性ガスを用いて窒化す
る場合は、ウエハの界面付近に窒素が多量に分布する、
いわゆる窒素パイルアップ現象が生じて膜中の窒素濃度
分布の制御ができなくなるのが現状であり、このような
状態で形成されたデバイスは電子移動度が極端に低下し
てしまうが、本発明方法のようにＮＨ3 ガスと僅かなＨ
2 ガスを用いて酸化膜を窒化することにより、ウエハと
の界面ではなく、ゲート電極との界面に窒素パイルアッ
プ部を形成できる、などの理由から特性が良好なデバイ
スを得ることができる。Here, one or both of H 2 gas and NH 3 gas is an inert gas such as N 2 gas or Ar.
Gas may be added as a carrier gas. In this way, only the reducing gases NH 3 gas and H 2 gas are used without adding an oxidizing gas such as O 2 , and
By adding a small amount of 2 gas, the decomposition and activation of NH 3 gas is greatly promoted, and for example, even at a low temperature of about 600 ° C., silicon and a silicon oxide film can be sufficiently controlled with good film thickness controllability. Nitriding can be performed to form a nitride film. In other words, in general, when nitriding the oxide film using an oxidizing gas such as N 2 O or NO, a large amount of nitrogen is distributed near the interface of the wafer.
It is the current situation that the so-called nitrogen pile-up phenomenon occurs and the nitrogen concentration distribution in the film cannot be controlled. The electron mobility of the device formed in such a state is extremely lowered. Like NH 3 gas and a little H
By nitriding the oxide film using 2 gas, a device having good characteristics can be obtained because, for example, a nitrogen pile-up portion can be formed at the interface with the gate electrode instead of the interface with the wafer.
【００２４】このように形成した窒化膜を、図１に示す
ようなゲート絶縁層７４の窒化膜７６として用いること
により、膜厚の制御性の高い窒化膜を形成でき、しか
も、リーク電流が少なくて良好な電気的特性を維持した
半導体素子とすることができる。また、このように形成
した窒化膜を、図２に示すようなゲート絶縁層７４の下
地層８０を形成する窒化膜８２として用いることによ
り、例えば後工程における熱処理時に、ゲート絶縁層７
４とウエハ上面との熱的安定性を向上できると共に、例
えばゲート電極７２中に注入された不純物、例えばボロ
ン等がゲート絶縁層７４を透過してウエハ側へ突き抜け
ることを大幅に阻止することが可能となる。特に、ゲー
ト絶縁層７４として、高誘電体物質、例えばＡｌ2 Ｏ
3 、Ｔａ2 Ｏ5、ＨｆＯ2 、ＺｒＯ2 、Ｌａ2 Ｏ3 、Ｌ
ｎ2 Ｏ3 等を用いる場合があるが、このような場合に、
上述したような効果を顕著に表すことができる。By using the nitride film thus formed as the nitride film 76 of the gate insulating layer 74 as shown in FIG. 1, a nitride film having a high controllability of the film thickness can be formed and the leak current is small. It is possible to obtain a semiconductor element that maintains excellent electrical characteristics. Further, by using the nitride film thus formed as the nitride film 82 for forming the base layer 80 of the gate insulating layer 74 as shown in FIG. 2, for example, during the heat treatment in a later step, the gate insulating layer 7 is formed.
4 and the upper surface of the wafer can be improved in thermal stability, and impurities, for example, boron implanted in the gate electrode 72 can be largely prevented from penetrating through the gate insulating layer 74 to the wafer side. It will be possible. Particularly, as the gate insulating layer 74, a high dielectric material such as Al 2 O is used.
3 , Ta 2 O 5 , HfO 2 , ZrO 2 , La 2 O 3 , L
n 2 O 3 etc. may be used. In such a case,
The effects as described above can be remarkably exhibited.
【００２５】尚、上述したガス流量や温度等は、単に一
例を示したに過ぎず、これに限定されない。また、ここ
ではゲート絶縁層自体やゲート絶縁層の下地層に本発明
方法による窒化膜を用いる場合を例にとって説明した
が、これに限定されず、例えばキャパシタの絶縁膜等に
用いてもよい。また、ここで示した縦型の熱処理装置は
単に一例を示したに過ぎず、処理容器の天井部よりガス
を供給する形式の熱処理装置、単管式の熱処理装置等に
も本発明を適用できるのは勿論である。また、ここでは
バッチ式の縦型の熱処理装置を例にとって本発明方法を
説明したが、これに限定されず、ランプ加熱式の或いは
抵抗加熱式の枚葉の熱処理装置を用いてもよい。また、
被処理体としては、半導体ウエハに限定されず、ＬＣＤ
基板、ガラス基板等にも適用することができる。The above-mentioned gas flow rates, temperatures, etc. are merely examples, and the present invention is not limited to these. Although the case where the nitride film according to the method of the present invention is used for the gate insulating layer itself or the underlayer of the gate insulating layer has been described as an example here, the present invention is not limited to this and may be used for an insulating film of a capacitor or the like. Further, the vertical heat treatment apparatus shown here is merely an example, and the present invention can be applied to a heat treatment apparatus of a type in which a gas is supplied from a ceiling portion of a processing container, a single tube heat treatment apparatus, or the like. Of course. Further, although the method of the present invention has been described by taking the batch type vertical heat treatment apparatus as an example, the present invention is not limited to this, and a lamp heating type or resistance heating type single-wafer heat treatment apparatus may be used. Also,
The object to be processed is not limited to a semiconductor wafer, but LCD
It can also be applied to substrates, glass substrates and the like.
【００２６】[0026]
【発明の効果】以上説明したように、本発明の被処理体
の窒化方法及び半導体素子によれば、次のように優れた
作用効果を発揮することができる。電気的特性の良好な
窒化膜（絶縁層）を、膜厚の制御性が良好な状態で形成
することができる。As described above, according to the method for nitriding the object to be processed and the semiconductor element of the present invention, the following excellent operational effects can be exhibited. A nitride film (insulating layer) having good electric characteristics can be formed in a state in which film thickness controllability is good.
【図１】本発明の第１実施例の半導体素子の一例を示す
断面図である。FIG. 1 is a sectional view showing an example of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention.
【図２】本発明の第２実施例の半導体素子を示す断面図
である。FIG. 2 is a sectional view showing a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.
【図３】本発明に係る被処理体の窒化方法を実施するた
めに用いる熱処理装置の一例を示す構成図である。FIG. 3 is a configuration diagram showing an example of a heat treatment apparatus used for carrying out a method of nitriding an object to be treated according to the present invention.
２ 熱処理装置 ４ 内筒 ６ 外筒 ８ 処理容器 １２ 支持手段（ウエハボート） ２８ ＮＨ3 ガス供給系 ３０ Ｈ2 ガス供給系 ３２ ガスノズル ３８ ＮＨ3 ガス源 ４０ ガスノズル ４６ Ｈ2 ガス源 ５６ 真空排気系 ６２ 加熱ヒータ（加熱手段） ７０ 半導体素子 ７２ ゲート電極 ７４ ゲート絶縁層 ７６ 窒化膜 ７８ 半導体素子 ８０ 下地層 ８２ 窒化膜 Ｗ 半導体ウエハ（被処理体）2 Heat Treatment Device 4 Inner Cylinder 6 Outer Cylinder 8 Processing Container 12 Supporting Means (Wafer Boat) 28 NH 3 Gas Supply System 30 H 2 Gas Supply System 32 Gas Nozzle 38 NH 3 Gas Source 40 Gas Nozzle 46 H 2 Gas Source 56 Vacuum Evacuation System 62 Heater (heating means) 70 Semiconductor element 72 Gate electrode 74 Gate insulating layer 76 Nitride film 78 Semiconductor element 80 Underlayer 82 Nitride film W Semiconductor wafer (object to be processed)
Claims (11)
処理体の表面を窒化する窒化方法において、減圧雰囲気
下にてＨ2 とＮＨ3 とを用いることにより前記窒化処理
を行なって窒化膜を形成したことを特徴とする被処理体
の窒化方法。1. A nitriding method for nitriding the surface of an object to be treated, which has been heated to a predetermined temperature in a treatment container, wherein H 2 and NH 3 are used in a reduced pressure atmosphere to perform the nitriding treatment. A method for nitriding an object to be processed, which comprises forming a film.
不活性ガスのキャリアガスを用いることを特徴とする請
求項１記載の被処理体の窒化方法。 2. The supply of H 2 and / or NH 3 comprises:
2. The method for nitriding an object to be processed according to claim 1, wherein an inert gas carrier gas is used.
０℃の範囲内であることを特徴とする請求項１または２
記載の被処理体の窒化方法。3. The temperature of the nitriding treatment is 400 to 100.
It is in the range of 0 ° C. 3.
A method for nitriding an object to be processed as described above.
リコン酸化層であることを特徴とする請求項１乃至３の
いずれかに記載の被処理体の窒化方法。4. The method for nitriding a target object according to claim 1, wherein the nitriding target layer on the surface of the target object is a silicon oxide layer.
結晶、或いは単結晶シリコン層であることを特徴とする
請求項１乃至３のいずれかに記載の被処理体の窒化方
法。5. The method for nitriding an object to be processed according to claim 1, wherein the nitriding target layer on the surface of the object is a polycrystalline or single crystal silicon layer.
属酸化膜であることを特徴とする請求項１乃至３のいず
れかに記載の被処理体の窒化方法。6. The method for nitriding a target object according to claim 1, wherein the nitriding target layer on the surface of the target object is a metal oxide film.
Ｏ5 、ＨｆＯ2 、ＺｒＯ2 、Ｌａ2 Ｏ3 及びＬｎ2 Ｏ3
の内の１つであることを特徴とする請求項６記載の被処
理体の窒化方法。7. The metal oxide film is formed of Al 2 O 3 , Ta 2
O 5 , HfO 2 , ZrO 2 , La 2 O 3 and Ln 2 O 3
7. The method for nitriding an object to be processed according to claim 6, wherein the nitriding method is one of the following.
おいて、 前記絶縁層として、請求項１乃至７のいずれかに記載す
る方法で形成された窒化膜を用いることを特徴とする半
導体素子。8. A semiconductor device having a multilayer structure having an insulating layer, wherein the nitride film formed by the method according to any one of claims 1 to 7 is used as the insulating layer.
半導体素子において、 前記下地層として、請求項１乃至５のいずれかに記載す
る方法で形成された窒化膜を用いることを特徴とする半
導体素子。9. A semiconductor device having a multi-layer structure having an underlayer under an insulating layer, wherein a nitride film formed by the method according to any one of claims 1 to 5 is used as the underlayer. Semiconductor device that does.
ことを特徴とする請求項９記載の半導体素子。10. The semiconductor device of claim 9, wherein the insulating layer is made of a high dielectric material.
とを特徴とする請求項８乃至１０のいずれかに記載の半
導体素子。11. The semiconductor device according to claim 8, wherein the insulating layer is a gate insulating layer.
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