JP3040556B2 - 半導体装置の絶縁膜形成方法 - Google Patents
半導体装置の絶縁膜形成方法Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置の絶縁膜形
成方法に係り、特に膜厚の薄い絶縁膜であって品質の優
れた絶縁膜を形成する方法に関するものである。
成方法に係り、特に膜厚の薄い絶縁膜であって品質の優
れた絶縁膜を形成する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】最先端技術により形成されるシリコン集
積回路では膜厚が極めて薄い酸化膜がゲート絶縁膜とし
て用いられる。とりわけ、１．０μｍ以下のゲート長を
有するサブミクロンＭＯＳデバイスでは、膜厚が例えば
１００Å以下となる酸化膜が用いられ、このように膜厚
を薄くすることで利得の向上が図られている。
積回路では膜厚が極めて薄い酸化膜がゲート絶縁膜とし
て用いられる。とりわけ、１．０μｍ以下のゲート長を
有するサブミクロンＭＯＳデバイスでは、膜厚が例えば
１００Å以下となる酸化膜が用いられ、このように膜厚
を薄くすることで利得の向上が図られている。
【０００３】従来の酸化膜の形成方法の一例としては、
例えば、「ＶＬＳＩ製造技術」，徳山 巍，橋本 哲一
編著，日経ＢＰ社，１９８９，ｐ．６５〜８４に開示さ
れるものがあった。この文献に開示されている方法で
は、まず、電気炉によって８００〜１２００℃に加熱し
た石英管内に、清浄化した基板が配置される。その後、
酸化膜形成のための酸化性ガスとして、例えば乾燥した
酸素ガス、或いは酸素及び水素の混合ガス等が用いられ
る。酸化性ガスの導入された石英管内に基板を、形成し
ようとする酸化膜の膜厚に見合った時間、一定温度で放
置しておくことによって、基板表面に均一な膜厚の酸化
膜が形成される。
例えば、「ＶＬＳＩ製造技術」，徳山 巍，橋本 哲一
編著，日経ＢＰ社，１９８９，ｐ．６５〜８４に開示さ
れるものがあった。この文献に開示されている方法で
は、まず、電気炉によって８００〜１２００℃に加熱し
た石英管内に、清浄化した基板が配置される。その後、
酸化膜形成のための酸化性ガスとして、例えば乾燥した
酸素ガス、或いは酸素及び水素の混合ガス等が用いられ
る。酸化性ガスの導入された石英管内に基板を、形成し
ようとする酸化膜の膜厚に見合った時間、一定温度で放
置しておくことによって、基板表面に均一な膜厚の酸化
膜が形成される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来の絶縁膜形成方法では、膜厚が例えば１００Å以
下の薄い酸化膜を形成する場合、膜厚制御が困難であっ
た。そのため、従来の絶縁膜形成方法で上述のような薄
い酸化膜を形成する場合は、石英管の加熱温度を９００
℃以下にする方法（以下、これを低温酸化法という）、
或いは、窒素で酸素を稀釈して酸化速度の低下を図る方
法（以下、これを稀釈酸化法という）をとらざるを得な
い。
た従来の絶縁膜形成方法では、膜厚が例えば１００Å以
下の薄い酸化膜を形成する場合、膜厚制御が困難であっ
た。そのため、従来の絶縁膜形成方法で上述のような薄
い酸化膜を形成する場合は、石英管の加熱温度を９００
℃以下にする方法（以下、これを低温酸化法という）、
或いは、窒素で酸素を稀釈して酸化速度の低下を図る方
法（以下、これを稀釈酸化法という）をとらざるを得な
い。
【０００５】しかし、低温酸化法では、シリコン酸化膜
／シリコン（基板）界面で数十Åオーダーで、シリコン
の突起や界面のうねりが発生し、絶縁耐圧が低下してし
まうという問題があった。また、稀釈酸化法では、一般
に１０００℃以上の高温で長時間熱処理を行なうため、
不純物の再分布が生じてしまう問題があった。また、低
温酸化法及び稀釈酸化法のいずれの方法でも、得られる
酸化膜は緻密でなくシリコン酸化膜／シリコン界面及び
酸化膜中に、例えばシリコン原子の不対結合や或いは歪
んだＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合が多く存在するものであり、こ
のためそもそもトラップ密度が増加する傾向があった。
／シリコン（基板）界面で数十Åオーダーで、シリコン
の突起や界面のうねりが発生し、絶縁耐圧が低下してし
まうという問題があった。また、稀釈酸化法では、一般
に１０００℃以上の高温で長時間熱処理を行なうため、
不純物の再分布が生じてしまう問題があった。また、低
温酸化法及び稀釈酸化法のいずれの方法でも、得られる
酸化膜は緻密でなくシリコン酸化膜／シリコン界面及び
酸化膜中に、例えばシリコン原子の不対結合や或いは歪
んだＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合が多く存在するものであり、こ
のためそもそもトラップ密度が増加する傾向があった。
【０００６】従って、このような酸化膜をＭＯＳ型電界
効果トランジスタのゲート絶縁膜として使用した場合、
上記の原因に起因する種々の問題が生じる。例えば、ゲ
ート長１μｍ以下の微細なＭＯＳ型電界効果トランジス
タの場合では、チャネル領域で発生したホットエレクト
ロンが酸化膜中に侵入した場合、電子はこのようなシリ
コン原子の不対結合や歪んだＳｉ−Ｏ結合にトラップさ
れ、そのためＭＯＳ型トランジスタにおける閾値電圧の
変動や、伝達コンダクタンスの低下を引き起こすという
問題が生じる。
効果トランジスタのゲート絶縁膜として使用した場合、
上記の原因に起因する種々の問題が生じる。例えば、ゲ
ート長１μｍ以下の微細なＭＯＳ型電界効果トランジス
タの場合では、チャネル領域で発生したホットエレクト
ロンが酸化膜中に侵入した場合、電子はこのようなシリ
コン原子の不対結合や歪んだＳｉ−Ｏ結合にトラップさ
れ、そのためＭＯＳ型トランジスタにおける閾値電圧の
変動や、伝達コンダクタンスの低下を引き起こすという
問題が生じる。
【０００７】また、このような酸化膜を用いてＭＯＳ構
造を構成し、これの耐圧試験を行なうと、シリコン原子
の不対結合や歪んだＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合等のような結合
が切れることにより、新たなトラップが当該酸化膜中に
発生し絶縁破壊の原因になる。本発明は、上記問題点を
除去し、膜質の優れた絶縁膜を形成することができる半
導体装置の絶縁膜形成方法を提供することを目的とす
る。
造を構成し、これの耐圧試験を行なうと、シリコン原子
の不対結合や歪んだＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合等のような結合
が切れることにより、新たなトラップが当該酸化膜中に
発生し絶縁破壊の原因になる。本発明は、上記問題点を
除去し、膜質の優れた絶縁膜を形成することができる半
導体装置の絶縁膜形成方法を提供することを目的とす
る。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、半導体装置の絶縁膜形成方法において、
窒素を含有する反応性ガス雰囲気中で加熱処理を行い、
シリコン基板上にシリコン窒化膜を形成し、連続して、
窒素を含有する酸化性ガス雰囲気中で加熱処理を行い、
窒素を含有するシリコン酸化膜を形成するようにしたも
のである。
成するために、半導体装置の絶縁膜形成方法において、
窒素を含有する反応性ガス雰囲気中で加熱処理を行い、
シリコン基板上にシリコン窒化膜を形成し、連続して、
窒素を含有する酸化性ガス雰囲気中で加熱処理を行い、
窒素を含有するシリコン酸化膜を形成するようにしたも
のである。
【０００９】
【作用】本発明によれば、反応炉内で基板に対し絶縁膜
を形成するに当り、最初にアンモニア（ＮＨ3 ）ガス乃
至は窒素（Ｎ2 ）雰囲気中の加熱処理により、基板とな
るシリコンの表層を窒化し、その後、絶縁膜形成用のガ
スとして、窒素を含有する酸化性ガス雰囲気中の加熱処
理を行い、前記の窒化シリコン層を酸窒化し、薄い絶縁
膜を形成する。
を形成するに当り、最初にアンモニア（ＮＨ3 ）ガス乃
至は窒素（Ｎ2 ）雰囲気中の加熱処理により、基板とな
るシリコンの表層を窒化し、その後、絶縁膜形成用のガ
スとして、窒素を含有する酸化性ガス雰囲気中の加熱処
理を行い、前記の窒化シリコン層を酸窒化し、薄い絶縁
膜を形成する。
【００１０】このように、シリコン窒化膜形成後、連続
してＮ2 Ｏ雰囲気中で加熱処理を行うようにしたので、
Ｎ2 Ｏガスに含まれる酸素及び窒素がＳｉ3 Ｎ4 膜中に
侵入し、新たにシリコン酸化膜が形成される。更にはＳ
ｉ3 Ｎ4 膜中に混入した水素原子はこの処理で吐き出さ
れて、膜中の水素原子を低減することができる。なお、
ここで言う基板とは、シリコン基板等のような基板その
ものである場合は勿論のこと、基板上にエピタキシャル
層が形成されたもの、基板やエピタキシャル層に素子が
作り込まれている中間体、絶縁膜が形成されるべき下地
を広く意味している。
してＮ2 Ｏ雰囲気中で加熱処理を行うようにしたので、
Ｎ2 Ｏガスに含まれる酸素及び窒素がＳｉ3 Ｎ4 膜中に
侵入し、新たにシリコン酸化膜が形成される。更にはＳ
ｉ3 Ｎ4 膜中に混入した水素原子はこの処理で吐き出さ
れて、膜中の水素原子を低減することができる。なお、
ここで言う基板とは、シリコン基板等のような基板その
ものである場合は勿論のこと、基板上にエピタキシャル
層が形成されたもの、基板やエピタキシャル層に素子が
作り込まれている中間体、絶縁膜が形成されるべき下地
を広く意味している。
【００１１】
【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
ながら詳細に説明する。なお、図は、本発明を理解でき
る程度に各構成部分の寸法、形状及び配設位置を概略的
に示しているにすぎない。従って、各構成部分の寸法、
形状及び配設位置は図示例に限定されるものではない。
また、以下の説明では特定の材料及び特定の数値的条件
を挙げて説明するが、これら材料及び条件は単なる好適
例にすぎず、従って、本発明はこれら材料及び条件に限
定されるものではない。
ながら詳細に説明する。なお、図は、本発明を理解でき
る程度に各構成部分の寸法、形状及び配設位置を概略的
に示しているにすぎない。従って、各構成部分の寸法、
形状及び配設位置は図示例に限定されるものではない。
また、以下の説明では特定の材料及び特定の数値的条件
を挙げて説明するが、これら材料及び条件は単なる好適
例にすぎず、従って、本発明はこれら材料及び条件に限
定されるものではない。
【００１２】図１は本発明の実施例を示す半導体装置の
絶縁膜の形成工程断面図、図２は本発明の実施例を示す
反応炉の概略図である。図２において、１２は石英管
（反応管）であり、閉塞された一端側にはガス導入管１
６が挿入あるいは接続される。一方、開放された石英管
１２の他端側には扉１５が設けられており、また、外周
面にガス排気管１８が接続されている。更に、このよう
な石英管１２の周囲には加熱ヒータ１１が設けられてい
る。１４は石英ボート、２０は石英ボート上に垂直に立
てられたシリコン基板である。
絶縁膜の形成工程断面図、図２は本発明の実施例を示す
反応炉の概略図である。図２において、１２は石英管
（反応管）であり、閉塞された一端側にはガス導入管１
６が挿入あるいは接続される。一方、開放された石英管
１２の他端側には扉１５が設けられており、また、外周
面にガス排気管１８が接続されている。更に、このよう
な石英管１２の周囲には加熱ヒータ１１が設けられてい
る。１４は石英ボート、２０は石英ボート上に垂直に立
てられたシリコン基板である。
【００１３】このような反応炉を用いて本発明の実施例
について説明する。以下、本発明の半導体装置の絶縁膜
形成方法を、図１及び図２を参照しながら説明する。ま
ず、図１（ａ）に示すように、化学薬品および純水等を
用いて、シリコン基板２０の前洗浄を行ない、予め自然
酸化膜を除去し、清浄なシリコン基板２０の表面を露出
させる。
について説明する。以下、本発明の半導体装置の絶縁膜
形成方法を、図１及び図２を参照しながら説明する。ま
ず、図１（ａ）に示すように、化学薬品および純水等を
用いて、シリコン基板２０の前洗浄を行ない、予め自然
酸化膜を除去し、清浄なシリコン基板２０の表面を露出
させる。
【００１４】次に、シリコン基板２０を石英ボート１４
へ垂直に立てて、石英管１２の入口扉１５を開き、該石
英管１２へ挿入する。ここで、シリコン基板２０の熱ひ
ずみによる反りを防止するため、反応炉の温度は低温、
例えば４００℃〜８００℃としておく。シリコン基板２
０を搭載した石英ボート１４が定位置に挿入されたなら
ば扉１５を閉じる。
へ垂直に立てて、石英管１２の入口扉１５を開き、該石
英管１２へ挿入する。ここで、シリコン基板２０の熱ひ
ずみによる反りを防止するため、反応炉の温度は低温、
例えば４００℃〜８００℃としておく。シリコン基板２
０を搭載した石英ボート１４が定位置に挿入されたなら
ば扉１５を閉じる。
【００１５】次に、ガス導入管１６からアンモニア（Ｎ
Ｈ3 ）ガスを導入し、続いて反応炉の温度を徐々に例え
ば毎分５℃の割合で昇温し、約１０００℃に保持する。
この状態で約５分間、シリコン基板２０を石英管１２に
放置することで、図１（ｂ）に示すように、約１０Åの
膜厚のシリコン窒化膜（Ｓｉ3 Ｎ4 ）２１がシリコン基
板２０の表面に形成される。
Ｈ3 ）ガスを導入し、続いて反応炉の温度を徐々に例え
ば毎分５℃の割合で昇温し、約１０００℃に保持する。
この状態で約５分間、シリコン基板２０を石英管１２に
放置することで、図１（ｂ）に示すように、約１０Åの
膜厚のシリコン窒化膜（Ｓｉ3 Ｎ4 ）２１がシリコン基
板２０の表面に形成される。
【００１６】このＳｉ3 Ｎ4 膜２１の形成においては、
ＮＨ3 ガス以外に、窒素（Ｎ2 ）を用いても同様の効果
が得られる。次に、Ｓｉ3 Ｎ4 膜２１の形成を終えた
後、ガス導入管１６からのＮ2 ガスを直ちに一酸化二窒
素（Ｎ2 Ｏ）ガスに切り換え、同一温度で１０〜２０分
の加熱処理を行ない、図１（ｃ）に示すように、連続し
てシリコン酸化膜２２を形成する。
ＮＨ3 ガス以外に、窒素（Ｎ2 ）を用いても同様の効果
が得られる。次に、Ｓｉ3 Ｎ4 膜２１の形成を終えた
後、ガス導入管１６からのＮ2 ガスを直ちに一酸化二窒
素（Ｎ2 Ｏ）ガスに切り換え、同一温度で１０〜２０分
の加熱処理を行ない、図１（ｃ）に示すように、連続し
てシリコン酸化膜２２を形成する。
【００１７】この酸化膜２２の形成を終えた後、ガス導
入管１６からのＮ2 Ｏガスを直ちに不活性ガス、例えば
アルゴン（Ａｒ）ガスに切り換え、かつ反応炉の温度を
毎分５〜１０℃の割合で室温（約２５℃）まで降温す
る。上記したように、シリコン基板上への酸化膜を形成
するにあたり、シリコン基板表面に予めＮＨ3 ガス雰囲
気中での加熱処理により、シリコン窒化膜を形成する。
その結果、シリコン基板表層には１０Å程度の極めて薄
いシリコン窒化膜が形成される。
入管１６からのＮ2 Ｏガスを直ちに不活性ガス、例えば
アルゴン（Ａｒ）ガスに切り換え、かつ反応炉の温度を
毎分５〜１０℃の割合で室温（約２５℃）まで降温す
る。上記したように、シリコン基板上への酸化膜を形成
するにあたり、シリコン基板表面に予めＮＨ3 ガス雰囲
気中での加熱処理により、シリコン窒化膜を形成する。
その結果、シリコン基板表層には１０Å程度の極めて薄
いシリコン窒化膜が形成される。
【００１８】しかし、最初の表面の窒化工程において、
多量の窒素が導入されると同時にアンモニア（ＮＨ3 ）
ガスに含まれる水素原子も多量に混入してしまう。そこ
で、本発明においては、所望の膜厚のシリコン酸化膜を
得るとともに、混入した水素を除去する目的で、シリコ
ン窒化膜を形成後、連続して一酸化二窒素（Ｎ2 Ｏ）ガ
ス雰囲気で加熱処理を行うようにしている。
多量の窒素が導入されると同時にアンモニア（ＮＨ3 ）
ガスに含まれる水素原子も多量に混入してしまう。そこ
で、本発明においては、所望の膜厚のシリコン酸化膜を
得るとともに、混入した水素を除去する目的で、シリコ
ン窒化膜を形成後、連続して一酸化二窒素（Ｎ2 Ｏ）ガ
ス雰囲気で加熱処理を行うようにしている。
【００１９】この結果、Ｎ2 Ｏガスに含まれる酸素及び
窒素がＳｉ3 Ｎ4 膜中に侵入し、新たにシリコン酸化膜
が形成される。更にはＳｉ3 Ｎ4 膜中に混入した水素原
子はこの処理で吐き出されて、膜中の水素原子を低減す
ることができるので、酸化膜の信頼性が著しく向上す
る。なお、上記した一酸化二窒素（Ｎ2 Ｏ）ガスに代え
て、ＮＯ2 ガスやＮＯガスを用いるようにしてもよい。
窒素がＳｉ3 Ｎ4 膜中に侵入し、新たにシリコン酸化膜
が形成される。更にはＳｉ3 Ｎ4 膜中に混入した水素原
子はこの処理で吐き出されて、膜中の水素原子を低減す
ることができるので、酸化膜の信頼性が著しく向上す
る。なお、上記した一酸化二窒素（Ｎ2 Ｏ）ガスに代え
て、ＮＯ2 ガスやＮＯガスを用いるようにしてもよい。
【００２０】また、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能
であり、これらを本発明の範囲から排除するものではな
い。
のではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能
であり、これらを本発明の範囲から排除するものではな
い。
【００２１】
【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、所望の膜厚のシリコン酸化膜を得ると共に、混
入した水素を除去するために、シリコン窒化膜を形成
後、連続して一酸化二窒素（Ｎ2 Ｏ）ガス雰囲気で加熱
処理を行うようにしたので、Ｎ2Ｏガスに含まれる酸素
及び窒素がＳｉ3 Ｎ4 膜中に侵入し、新たにシリコン酸
化膜が形成される。更には、Ｓｉ3 Ｎ4 膜中に混入した
水素原子はこの処理で吐き出されて、膜中の水素原子を
低減することができるので、酸化膜の信頼性が著しく向
上する。
よれば、所望の膜厚のシリコン酸化膜を得ると共に、混
入した水素を除去するために、シリコン窒化膜を形成
後、連続して一酸化二窒素（Ｎ2 Ｏ）ガス雰囲気で加熱
処理を行うようにしたので、Ｎ2Ｏガスに含まれる酸素
及び窒素がＳｉ3 Ｎ4 膜中に侵入し、新たにシリコン酸
化膜が形成される。更には、Ｓｉ3 Ｎ4 膜中に混入した
水素原子はこの処理で吐き出されて、膜中の水素原子を
低減することができるので、酸化膜の信頼性が著しく向
上する。
【図１】本発明の実施例を示す半導体装置の絶縁膜の形
成工程断面図である。
成工程断面図である。
【図２】本発明の実施例を示す反応炉の概略図である。
１１ 加熱ヒータ １２ 石英管 １４ 石英ボート １５ 入口扉 １６ ガス導入管 ２０ シリコン基板 ２１ シリコン窒化（Ｓｉ3 Ｎ4 ）膜 ２２ シリコン酸化膜
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 21/318
Claims (4)
- 【請求項１】（ａ）窒素を含有する反応性ガス雰囲気中
で加熱処理を行い、シリコン基板上にシリコン窒化膜を
形成する工程と、 （ｂ）連続して、窒素を含有する酸化性ガス雰囲気中で
加熱処理を行い、窒素を含有するシリコン酸化膜を形成
する工程を有することを特徴とする半導体装置の絶縁膜
形成方法。 - 【請求項２】 請求項１記載の半導体装置の絶縁膜形成
方法において、前記窒素を含有する反応性ガスをアンモ
ニアとすることを特徴とする半導体装置の絶縁膜形成方
法。 - 【請求項３】 請求項１記載の半導体装置の絶縁膜形成
方法において、前記窒素を含有する酸化性ガスを一酸化
二窒素とすることを特徴とする半導体装置の絶縁膜形成
方法。 - 【請求項４】 請求項１記載の半導体装置の絶縁膜形成
方法において、前記シリコン窒化膜がＳｉ3 Ｎ4 構造で
あることを特徴とする半導体装置の絶縁膜形成方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3272969A JP3040556B2 (ja) | 1991-10-22 | 1991-10-22 | 半導体装置の絶縁膜形成方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3272969A JP3040556B2 (ja) | 1991-10-22 | 1991-10-22 | 半導体装置の絶縁膜形成方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05251439A JPH05251439A (ja) | 1993-09-28 |
| JP3040556B2 true JP3040556B2 (ja) | 2000-05-15 |
Family
ID=17521319
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3272969A Expired - Fee Related JP3040556B2 (ja) | 1991-10-22 | 1991-10-22 | 半導体装置の絶縁膜形成方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3040556B2 (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH07221092A (ja) * | 1994-02-09 | 1995-08-18 | Fujitsu Ltd | 半導体装置の製造方法 |
| KR100766229B1 (ko) * | 2005-05-30 | 2007-10-10 | 주식회사 하이닉스반도체 | 플래시 메모리 소자의 제조 방법 |
| JP5283833B2 (ja) * | 2005-09-29 | 2013-09-04 | 株式会社東芝 | 半導体装置の製造方法 |
| KR101122347B1 (ko) * | 2006-05-31 | 2012-03-23 | 도쿄엘렉트론가부시키가이샤 | 절연막의 형성 방법 및 반도체 장치의 제조 방법 |
| JPWO2008126255A1 (ja) * | 2007-03-30 | 2010-07-22 | 富士通マイクロエレクトロニクス株式会社 | 半導体装置の製造方法 |
-
1991
- 1991-10-22 JP JP3272969A patent/JP3040556B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH05251439A (ja) | 1993-09-28 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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