JP2665316B2 - 半導体素子のシリコン絶縁膜形成方法 - Google Patents

半導体素子のシリコン絶縁膜形成方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体素子のシリコン
絶縁膜の形成方法に関し、特に熱処理炉内の雰囲気ガス
として従来技術に用いられているＯ2ガスに代えてＮＯ
ガスとＯ2ガスとを用い、それらの供給比率を制御する
ことによって、最適厚さの酸化膜を形成すると共にＳｉ
とＳｉＯ2との界面に適量の窒素を含有させ、高信頼度
の半導体素子シリコン絶縁膜を形成する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】一般に、ＭＯＳトランジスタにおいて
は、ゲート電極はソース領域とドレーン領域との間の絶
縁膜上に形成され、ソース領域とドレーン領域との間に
はチャネルが形成されるが、シリコン酸化膜はゲート電
極とチャネル領域とを絶縁する絶縁膜として主に用いら
れている。
【０００３】従来技術に於いては、シリコン酸化膜は、
シリコンをＯ2ガス雰囲気中で酸化することによって形
成されている。しかしながら、本願の発明者が共同発表
者の一人として最近発表したヒュンサング ハワング等
の１９９０年アプライド フィジィックス レター(App
l.Phys.Lett.)第５７巻１０１０頁及び１９９０年アイ
イーイーイー アイイーディーエム(IEEE IEDM)４２１
頁の論文には、Ｎ2Ｏガス雰囲気中においてゲート酸化
膜を成長させた場合には、ＳｉとＳｉＯ2との界面に相
当量の窒素を浸透させることが出来、半導体素子、ＭＯ
ＳＦＥＴの特性を向上させ得ること、及び、Ｐ+多結晶
シリコンゲート電極を用いるＭＯＳ素子の場合には、ゲ
ート酸化膜及びチャネル領域への硼素の浸透を抑制する
ことが出来ることが報告されている。
【０００４】Ｎ2Ｏガス雰囲気中においてゲート酸化膜
を成長させると半導体素子の信頼性が向上するのは、窒
素がＳｉとＳｉＯ2との界面の歪を部分的に緩和し、電
気的ストレスにより発生する界面におけるトラップの生
成を抑制することが出来るためであると考えられる。
【０００５】酸化工程において、Ｏ2ガス雰囲気の代わ
りにＮ2Ｏガス雰囲気を用いれば、Ｓｉ界面に容易に窒
素を含有させることが可能である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、Ｎ2Ｏ
ガス雰囲気を用いる上記酸化工程においては、極めて高
温の反応温度が必要であるので、従来の反応温度（約９
５０℃）を用いた場合には、形成される酸化膜の厚さは
極めて薄く、また、含有される窒素の量も相対的に少な
くなるという問題がある。
【０００７】最近の、ピー ジェイ トビンの１９９３
年 ＶＬＳＩ テクノロジー シンポジウムの論文の５
１頁（Ｐ．Ｊ．Ｔｏｂｉｎｎ，Ｓｙｍｐ．ｏｎ ＶＬＳ
Ｉｔｅｃｈ．，１９９３，Ｐ．５１）によれば、９５０
℃の温度において、Ｎ2Ｏは６４．３％のＮ2と、３１％
のＯ2と、４．７％のＮＯとに分解される。このとき、
ＳｉとＳｉＯ2との界面に侵入する窒素の量は、ＮＯの
量に直接関係する。従って、ＳｉとＳｉＯ2との界面に
より急速に適量の窒素を侵入させるためには、ＮＯの量
を増加する必要がある。
【０００８】現在までに知られている知識によれば、Ｎ
2Ｏの分解は極めて高温において生じるので、低温にお
いては反応に長時間を要し、それによって得られる窒素
の量も極めて少量となる。一方、温度と時間の積（温度
×時間）の値が大になると、ジャンクションが深く形成
され、次世代素子として実用することは困難となるとい
う問題がある。特に、Ｎ2Ｏの反応は約１０５０℃の温
度で行われるので、反応過程を急速熱工程で実施する必
要があるが、信頼性と効率に優れた半導体素子を得るこ
とは困難であるという問題がある。
【０００９】本発明の目的は、上記従来技術の問題点を
解決するために、Ｎ2Ｏが高温においてＮ2と、Ｏ2と、
ＮＯとに分解されるという事実に基づき、ＮＯガスとＯ
2ガスの流量をそれぞれ独立に制御して反応炉内に供給
することによって、適量の窒素を含有し、かつ充分な厚
さを有する酸化膜を成長させ得る半導体素子のシリコン
絶縁膜形成方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、半導体素子のシリコン絶縁膜形成方法に
おいて、シリコン絶縁膜を形成する半導体ウエハを熱処
理炉内に設置して酸化準備工程を終了した後、炉内温度
を７５０〜１０５０℃に維持し、ＮＯガスとＯ2ガスと
を、それらの供給比率を調節しながら一定時間供給して
酸化工程を施した後、更により高い温度でＮＯガスのみ
の雰囲気で熱処理して、ＳｉとＳｉＯ 2 との界面により
多くの窒素を含有させる工程を含んでなる。
【００１１】この場合、上記ＮＯガスと上記Ｏ2ガスと
の炉内への供給比率を、酸化工程の初期には上記Ｏ2ガ
スの供給比率を高め、酸化工程の末期には上記ＮＯガス
の供給比率を高める。
【００１２】またこの場合、炉内温度を約９００℃に維
持し、上記ＮＯガスと上記Ｏ2ガスとの炉内への供給比
率を一定にして、２０〜３０分間酸化工程を実施して、
厚さ約１００Åのシリコン絶縁膜を形成する。
【００１３】またこの場合、炉内温度を約９００℃に維
持し、上記ＮＯガスと上記Ｏ2ガスとの炉内への供給比
率を、酸化工程の初期には上記Ｏ2ガスの供給比率を高
め、酸化工程の末期には上記ＮＯガスの供給比率を高め
て、２０〜３０分間酸化工程を実施して、厚さ約１００
Åのシリコン絶縁膜を形成する。
【００１４】またこの場合、炉内温度を約９００℃に維
持し、上記ＮＯガスと上記Ｏ2ガスとの供給比率を調節
しながら２０〜３０分間酸化工程を実施して、厚さ約１
００Åのシリコン絶縁膜を形成した後、９００℃よりも
高い温度でＮＯガスのみの雰囲気で熱処理して、上記Ｓ
ｉと上記ＳｉＯ2との上記界面により多くの窒素を含有
させる。
【００１５】またこの場合、上記シリコン絶縁膜は、Ｍ
ＯＳトランジスタのゲート絶縁膜とする。
【００１６】またこの場合、上記シリコン絶縁膜は、Ｅ
ＰＲＯＭセルのトンネリング シリコン絶縁膜とする。
【００１７】またこの場合、上記シリコン絶縁膜は、Ｅ
ＥＰＲＯＭセルのトンネリング シリコン絶縁膜とす
る。
【００１８】またこの場合、上記シリコン絶縁膜は、フ
ラッシュ メモリ セルのトンネリング シリコン絶縁
膜とする。
【００１９】
【作用】ＳｉとＳｉＯ2との界面に相当量の窒素を浸透
させることが出来るので、半導体素子、ＭＯＳＦＥＴの
特性が向上する。Ｐ+多結晶シリコンゲート電極を用い
るＭＯＳ素子の場合には、ゲート酸化膜及びチャネル領
域への硼素の浸透を抑制することが出来、素子の信頼性
を向上し、歩留まりが向上する。
【００２０】更に、酸化膜の成長温度を低くすることが
出来るので、酸化膜の厚さを容易に調節することが可能
であり、また、各素子の特性に応じて所望量の窒素を含
有させることが出来る。即ち、従来技術に於いては、工
程温度が唯一の変数であったが、本願発明においては、
温度と雰囲気ガスの種類と雰囲気ガスの供給比率とが変
数となるので、工程の最適化が可能となる。
【００２１】
【実施例】本発明の実施例を以下に示す。
【００２２】最初に、準備工程として、ゲート絶縁膜を
形成する半導体ウエハをＣＶＤ（化学蒸着、Chemical V
apor Deposition）装置の反応炉内に設置した後、大気
圧の下で窒素ガスまたはアルゴンガスで反応炉をパージ
ングし、約７５０〜１０５０℃の温度に維持する。
【００２３】次に、ＮＯガスとＯ2ガスを供給して酸化
工程を実施する。この際、酸化膜の所望厚さ及びその用
途に応じて、炉内に流入するＮＯガスとＯ2ガスの流量
の比を望ましくは１００：１〜１：１００に制御する。
【００２４】厚さ約１００Åのゲート酸化膜を得るため
には、約９００℃の温度で、約２０〜３０分間酸化工程
を実施する。
【００２５】酸化膜の厚さを増すためには、Ｏ2ガスの
供給比率を高め、また、酸化膜の窒素含有量を増すため
には、ＮＯガスの供給比率を高める。
【００２６】ＳｉとＳｉＯ2との界面に含まれる窒素原
子の数を増すためには、酸化初期にはＯ2ガスの比率比
率を高め、酸化末期にはＮＯガスの供給比率を高めて、
比較的厚い酸化膜を低温で形成して、所望量の窒素をそ
の中に含有させることが可能となる。
【００２７】ＳｉとＳｉＯ2との界面に含まれる窒素の
量を更に増すためには、酸化工程後に、酸化工程時より
も高い温度でＮＯガスのみの雰囲気で熱処理する。
【００２８】上記実施例においては、シリコン絶縁膜を
形成する方法についてのみ説明したが、本方法は、ゲー
ト絶縁膜が必要なＭＯＳＦＥＴの製造時にも活用するこ
とが出来、ＥＰＲＯＭ（再書き込み可能プログラム可能
呼出し専用メモリ、ErasableProgrammable Read Only M
emory）、ＥＥＰＲＯＭ（電気的に再書き込み可能プロ
グラム可能呼出し専用メモリ、Electrically Erasable
Programmable Read Only Memory）、フラッシュメモリ
（Flash Memory）等の非揮発性素子のトンネリング酸化
膜の形成に応用した場合には良好な特性上の効果が得ら
れる。
【００２９】これらＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッ
シュメモリ等の製造方法は既に広く知られているのでそ
の説明は省略するが、これらの素子の絶縁膜は、ゲート
酸化膜またはトンネリング酸化膜の形成における従来の
方法に代えて、本発明の方法によって形成することが可
能である。
【００３０】図１（１）は、酸化時間の経過による酸化
膜の成長厚さを示すグラフである。９５０℃以下の温度
で酸化工程を施した場合に、Ｎ2Ｏガスのみの雰囲気中
で酸化する従来技術に於いては、図の曲線（Ａ）に示す
ように酸化膜は比較的ゆっくり成長する。一方、ＮＯガ
スとＯ2ガスの雰囲気中で酸化する本願発明の方法にお
いては、図の曲線（Ｂ）に示すように酸化膜は急速に成
長する。
【００３１】図１（２）は、工程温度と、シリコン基板
及びシリコン酸化膜に含まれる窒素濃度との関係を示す
グラフである。Ｎ2Ｏガスのみの雰囲気中で酸化する従
来技術に於いては、図の曲線（Ｃ）に示すように、比較
的低い窒素含有濃度となる。一方、ＮＯガスとＯ2ガス
の雰囲気中で酸化する本願発明の方法においては、図の
曲線（Ｄ）に示すように、著しく高い窒素含有濃度とな
る。
【００３２】本願発明は、シリコン酸化膜を持つＭＯＳ
ＦＥＴの製造工程に利用することが出来る。また、ＭＯ
ＳＦＥＴを持つ全ての製品に応用可能であり、特に、非
揮発性素子であるＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシ
ュメモリセル等のトンネリング酸化膜の形成に応用する
と、素子の寿命を著しく向上することが出来る上記実施
例においては、説明を簡単にするために、数例の実施例
についてのみ言及したが、上記説明した概念の変更ある
いは修正は、特許請求の範囲に記載した本願発明の範囲
内にあることはいうまでもない。
【００３３】
【発明の効果】上記説明した本願発明の半導体素子のシ
リコン絶縁膜形成方法によって形成された絶縁膜が素子
の特性に及ぼす効果は、上記言及した論文において公開
された効果と類似である。即ち、ＳｉとＳｉＯ2との界
面に相当量の窒素を浸透させることが出来るので、半導
体素子、ＭＯＳＦＥＴの特性が向上するという効果があ
る。また、Ｐ+多結晶シリコンゲート電極を用いるＭＯ
Ｓ素子の場合には、ゲート酸化膜及びチャネル領域への
硼素の浸透を抑制することが出来るので、素子の信頼性
を向上し、製作歩留まりが向上するという効果がある。
【００３４】更に、本願発明の半導体素子のシリコン絶
縁膜形成方法が、上記論文で言及されている方法よりも
優れている点は、酸化膜の成長温度を低くすることがで
きるので、酸化膜の厚さを容易に調節することが可能で
あり、また、各素子の特性に応じて所望量の窒素を含有
させることが可能であるという点である。即ち、従来技
術に於いては、工程温度が唯一の変数であったが、本願
発明においては、温度と雰囲気ガスの種類と雰囲気ガス
の供給比率とが変数となるので、工程の最適化が可能と
なるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】（１）は酸化時間と酸化膜の成長厚さとの関係
を示すグラフ、（２）は工程温度と、シリコン基板及び
酸化シリコンに含有される窒素濃度との関係を示すグラ
フである。
フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 29/792

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】半導体素子のシリコン絶縁膜形成方法にお
    いて、シリコン絶縁膜を形成する半導体ウエハを熱処理
    炉内に設置して酸化準備工程を終了した後、炉内温度を
    ７５０〜１０５０℃に維持し、ＮＯガスとＯ2ガスと
    を、それらの供給比率を調節しながら一定時間供給して
    酸化工程を施した後、更により高い温度でＮＯガスのみ
    の雰囲気で熱処理して、ＳｉとＳｉＯ 2 との界面により
    多くの窒素を含有させる工程を含んでなることを特徴と
    する半導体素子のシリコン絶縁膜形成方法。
  2. 【請求項２】請求項１に記載の半導体素子のシリコン絶
    縁膜形成方法において、上記ＮＯガスと上記Ｏ2ガスと
    の炉内への供給比率を、酸化工程の初期には上記Ｏ2ガ
    スの供給比率を高め、酸化工程の末期には上記ＮＯガス
    の供給比率を高めることを特徴とする半導体素子のシリ
    コン絶縁膜形成方法。
  3. 【請求項３】請求項１に記載の半導体素子のシリコン絶
    縁膜形成方法において、炉内温度を約９００℃に維持
    し、上記ＮＯガスと上記Ｏ2ガスとの炉内への供給比率
    を一定にして、２０〜３０分間酸化工程を実施して、厚
    さ約１００Åのシリコン絶縁膜を形成することを特徴と
    する半導体素子のシリコン絶縁膜形成方法。
  4. 【請求項４】請求項１に記載の半導体素子のシリコン絶
    縁膜形成方法において、炉内温度を約９００℃に維持
    し、上記ＮＯガスと上記Ｏ2ガスとの炉内への供給比率
    を、酸化工程の初期には上記Ｏ2ガスの供給比率を高
    め、酸化工程の末期には上記ＮＯガスの供給比率を高め
    て、２０〜３０分間酸化工程を実施して、厚さ約１００
    Åのシリコン絶縁膜を形成することを特徴とする半導体
    素子のシリコン絶縁膜形成方法。
  5. 【請求項５】請求項１に記載の半導体素子のシリコン絶
    縁膜形成方法において、炉内温度を約９００℃に維持
    し、上記ＮＯガスと上記Ｏ2ガスとの供給比率を調節し
    ながら２０〜３０分間酸化工程を実施して、厚さ約１０
    ０Åのシリコン絶縁膜を形成した後、９００℃よりも高
    い温度でＮＯガスのみの雰囲気で熱処理して、上記Ｓｉ
    と上記ＳｉＯ2との上記界面により多くの窒素を含有さ
    せることを特徴とする半導体素子のシリコン絶縁膜形成
    方法。
  6. 【請求項６】請求項１に記載の半導体素子のシリコン絶
    縁膜形成方法において、上記シリコン絶縁膜は、ＭＯＳ
    トランジスタのゲート絶縁膜であることを特徴とする半
    導体素子のシリコン絶縁膜形成方法。
  7. 【請求項７】請求項１に記載の半導体素子のシリコン絶
    縁膜形成方法において、上記シリコン絶縁膜は、ＥＰＲ
    ＯＭセルのトンネリング シリコン絶縁膜であることを
    特徴とする半導体素子のシリコン絶縁膜形成方法。
  8. 【請求項８】請求項１に記載の半導体素子のシリコン絶
    縁膜形成方法において、上記シリコン絶縁膜は、ＥＥＰ
    ＲＯＭセルのトンネリング シリコン絶縁膜であること
    を特徴とする半導体素子のシリコン絶縁膜形成方法。
  9. 【請求項９】請求項１に記載の半導体素子のシリコン絶
    縁膜形成方法において、上記シリコン絶縁膜は、フラッ
    シュ メモリ セルのトンネリング シリコン絶縁膜で
    あることを特徴とする半導体素子のシリコン絶縁膜形成
    方法。
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