JP3041065B2 - 絶縁膜形成方法 - Google Patents
絶縁膜形成方法Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は絶縁膜形成方法、特に
膜厚が薄くかつ特性の優れた絶縁膜の形成方法に関す
る。
膜厚が薄くかつ特性の優れた絶縁膜の形成方法に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】最先端技術により形成される超ＬＳＩ、
特にダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ（ＤＲ
ＡＭ）では、微細化に伴い膜厚が極めて薄い酸化膜がメ
モリキャパシタ絶縁膜やゲート絶縁膜に用いられてい
る。また、不揮発性メモリ、例えば薄いＳｉＯ2膜のフ
ァウラ・ノールトハイム（Ｆｏｗｌｅｒ Ｎｏｒｄｈｅ
ｉｍ）トンネル電流を利用したＥ2ＰＲＯＭにおいて
も、薄いＳｉＯ2膜が用いられ、特性の向上を図ってい
る。
特にダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ（ＤＲ
ＡＭ）では、微細化に伴い膜厚が極めて薄い酸化膜がメ
モリキャパシタ絶縁膜やゲート絶縁膜に用いられてい
る。また、不揮発性メモリ、例えば薄いＳｉＯ2膜のフ
ァウラ・ノールトハイム（Ｆｏｗｌｅｒ Ｎｏｒｄｈｅ
ｉｍ）トンネル電流を利用したＥ2ＰＲＯＭにおいて
も、薄いＳｉＯ2膜が用いられ、特性の向上を図ってい
る。
【０００３】しかし、これらのＳｉＯ2膜は、ＭＶ／ｃ
ｍオーダの高電界が印加される場合があり、高電界スト
レスやホットエレクトロン等によるデバイスの劣化が問
題となる。
ｍオーダの高電界が印加される場合があり、高電界スト
レスやホットエレクトロン等によるデバイスの劣化が問
題となる。
【０００４】そこで、ＳｉＯ2膜の膜質向上の試みがな
されている（例えば、文献：「次世代超ＬＳＩプロセス
技術−応用編−，広瀬 全孝編著，リアライズ社，Ｐ．
７５（１９８８）」参照）。この文献に開示されている
方法では、ＳｉＯ2膜をＮＨ3ガス中で高温加熱すること
により、その表面を窒化物に変換し、Ｓｉ酸化膜に比べ
て緻密な構造の熱窒化酸化膜（ＳｉＯXＮY）（但し、
Ｘ，Ｙは０より大きい数）を形成する。
されている（例えば、文献：「次世代超ＬＳＩプロセス
技術−応用編−，広瀬 全孝編著，リアライズ社，Ｐ．
７５（１９８８）」参照）。この文献に開示されている
方法では、ＳｉＯ2膜をＮＨ3ガス中で高温加熱すること
により、その表面を窒化物に変換し、Ｓｉ酸化膜に比べ
て緻密な構造の熱窒化酸化膜（ＳｉＯXＮY）（但し、
Ｘ，Ｙは０より大きい数）を形成する。
【０００５】この熱窒化酸化膜の形成方法を、ゲート絶
縁膜形成に適用すると、ストレス耐性の向上が図れる。
また、膜中への不純物拡散が抑制されて膜質の改善が図
れるとともに、熱窒化酸化膜は誘電率がＳｉ酸化膜に比
べて大きいのでこの熱窒化酸化膜の超ＬＳＩ等のデバイ
スへの応用が期待されている。
縁膜形成に適用すると、ストレス耐性の向上が図れる。
また、膜中への不純物拡散が抑制されて膜質の改善が図
れるとともに、熱窒化酸化膜は誘電率がＳｉ酸化膜に比
べて大きいのでこの熱窒化酸化膜の超ＬＳＩ等のデバイ
スへの応用が期待されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、Ｓｉ基
板上に形成したＳｉＯ2膜をＮＨ3ガス中で高温加熱する
ことにより窒化を行うと、窒素（Ｎ）とともに多量の水
素（Ｈ）がＳｉＯ2膜中に侵入し、そのため、反応副生
成物として、−ＮＨX基、−ＣＨ基、−Ｈ基等の化学種
をＳｉＯ2膜中に生成する。その結果、この熱窒化酸化
膜を用いてＭＯＳ型電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥ
Ｔ）を構成すると、反応副生成物として生成した−ＮＨ
X基、−ＣＨ基、−Ｈ基等が電子トラップの核となっ
て、トランジスタの閾値電圧の変動や耐圧の劣化の原因
となっている。
板上に形成したＳｉＯ2膜をＮＨ3ガス中で高温加熱する
ことにより窒化を行うと、窒素（Ｎ）とともに多量の水
素（Ｈ）がＳｉＯ2膜中に侵入し、そのため、反応副生
成物として、−ＮＨX基、−ＣＨ基、−Ｈ基等の化学種
をＳｉＯ2膜中に生成する。その結果、この熱窒化酸化
膜を用いてＭＯＳ型電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥ
Ｔ）を構成すると、反応副生成物として生成した−ＮＨ
X基、−ＣＨ基、−Ｈ基等が電子トラップの核となっ
て、トランジスタの閾値電圧の変動や耐圧の劣化の原因
となっている。
【０００７】この発明は、上述した従来の問題点に鑑み
なされたもので、従来に比して膜質が優れ、破壊耐性の
高い絶縁膜形成方法を提供することにある。
なされたもので、従来に比して膜質が優れ、破壊耐性の
高い絶縁膜形成方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】この目的の達成を図るた
め、この発明によれば、シリコンの下地上に絶縁膜を形
成する方法において、シリコンの下地上に形成されたシ
リコン酸化膜を窒素含有の酸化性ガス雰囲気中で１００
０℃以上の温度で加熱処理してシリコン酸窒化膜に置換
し該シリコン酸窒化膜を当該絶縁膜とすることを特徴と
する。
め、この発明によれば、シリコンの下地上に絶縁膜を形
成する方法において、シリコンの下地上に形成されたシ
リコン酸化膜を窒素含有の酸化性ガス雰囲気中で１００
０℃以上の温度で加熱処理してシリコン酸窒化膜に置換
し該シリコン酸窒化膜を当該絶縁膜とすることを特徴と
する。
【０００９】この発明の実施に当り、好ましくは、前述
の窒素を含む酸化性ガスを一酸化窒素（ＮＯ）ガス、一
酸化二窒素（Ｎ2Ｏ）ガス、二酸化窒素（ＮＯ2）ガスを
含む群のうちから選ばれた一種のガスまたは２種以上の
混合ガスとするのが良い。
の窒素を含む酸化性ガスを一酸化窒素（ＮＯ）ガス、一
酸化二窒素（Ｎ2Ｏ）ガス、二酸化窒素（ＮＯ2）ガスを
含む群のうちから選ばれた一種のガスまたは２種以上の
混合ガスとするのが良い。
【００１０】なお、ここでシリコンの下地とは、シリコ
ン基板はもとより、その他に、このシリコン基板にエピ
タキシャル層を形成したもの、その他、これらに限らず
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
体等、絶縁膜が形成されるべき広く下地を意味してい
る。
ン基板はもとより、その他に、このシリコン基板にエピ
タキシャル層を形成したもの、その他、これらに限らず
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
体等、絶縁膜が形成されるべき広く下地を意味してい
る。
【００１１】また、シリコンの下地にシリコン酸化膜を
形成する方法は、特に限定されない。例えば、シリコン
の下地を反応炉内において酸化性ガス雰囲気中で酸化さ
せシリコンの下地表面にシリコン酸化膜を形成する方
法、シリコンの下地上に公知の成膜方法例えばＣＶＤ
法、スパッタ法によりシリコン酸化膜を形成する方法、
シリコンの下地を多結晶シリコンとしてこれを熱酸化さ
せる方法等種々の方法を用いることが出来る。しかし、
窒素を含む酸化性ガスによる酸窒化処理との連続性を考
えた場合、シリコンの下地を反応炉内において酸化性ガ
ス雰囲気中で酸化させシリコンの下地表面にシリコン酸
化膜を形成する方法が好適である。
形成する方法は、特に限定されない。例えば、シリコン
の下地を反応炉内において酸化性ガス雰囲気中で酸化さ
せシリコンの下地表面にシリコン酸化膜を形成する方
法、シリコンの下地上に公知の成膜方法例えばＣＶＤ
法、スパッタ法によりシリコン酸化膜を形成する方法、
シリコンの下地を多結晶シリコンとしてこれを熱酸化さ
せる方法等種々の方法を用いることが出来る。しかし、
窒素を含む酸化性ガスによる酸窒化処理との連続性を考
えた場合、シリコンの下地を反応炉内において酸化性ガ
ス雰囲気中で酸化させシリコンの下地表面にシリコン酸
化膜を形成する方法が好適である。
【００１２】
【作用】上述したこの発明の絶縁膜形成方法によれば、
Ｓｉの下地上に形成されているシリコン酸化膜を窒素含
有の酸化性ガス雰囲気中で高温加熱する。その結果、こ
のシリコン酸化膜をシリコン酸窒化膜に変える。このシ
リコン酸窒化膜は、シリコンの酸化膜に比べて構造が緻
密なため電子トラップの発生数が少なく、かつ破壊耐性
の高い良質の絶縁膜となる。その結果、電子デバイスの
電気特性が向上し、寿命が長く、信頼性の向上の図れる
高品質の絶縁膜となる。
Ｓｉの下地上に形成されているシリコン酸化膜を窒素含
有の酸化性ガス雰囲気中で高温加熱する。その結果、こ
のシリコン酸化膜をシリコン酸窒化膜に変える。このシ
リコン酸窒化膜は、シリコンの酸化膜に比べて構造が緻
密なため電子トラップの発生数が少なく、かつ破壊耐性
の高い良質の絶縁膜となる。その結果、電子デバイスの
電気特性が向上し、寿命が長く、信頼性の向上の図れる
高品質の絶縁膜となる。
【００１３】
【実施例】以下、図面を参照し、この出願の発明の実施
例につき説明する。
例につき説明する。
【００１４】なお、図面はこの発明が理解できる程度
に、各構成成分の寸法、形状および配設位置を概略的に
示しているにすぎない。また、以下の説明では、特定の
材料および特性の数値的条件を挙げて説明するが、これ
ら材料および条件は単なる好適例にすぎず、従ってこれ
らに何ら限定されるものではない。
に、各構成成分の寸法、形状および配設位置を概略的に
示しているにすぎない。また、以下の説明では、特定の
材料および特性の数値的条件を挙げて説明するが、これ
ら材料および条件は単なる好適例にすぎず、従ってこれ
らに何ら限定されるものではない。
【００１５】図１の（Ａ）および（Ｂ）は、この発明の
絶縁膜形成方法の一実施例の説明に供する工程図で、各
図は要部断面図で示してある。 １．絶縁膜の形成 １−１．シリコン酸化膜の形成 先ず、反応炉（図示せず）内にシリコンの下地としてＰ
型（１００）Ｓｉ基板１０を設置する。所要に応じて基
板表面の清浄化、所要に応じ反応炉内の清浄化を行う。
次に、基板１０の表面にシリコン酸化膜１２を成膜す
る。この実施例では、シリコン酸化膜の形成は、窒素非
含有の酸化性ガス雰囲気中で基板１０を加熱することに
より行う。窒素非含有の酸化性ガスとして、ここでは酸
素（Ｏ2）ガスを用いる。シリコン酸化膜形成の際は、
酸化膜形成時の反応副生成物を反応炉外に排気するた
め、反応炉内を例えば１００〜１０-2Ｔｏｒｒの低真空
の減圧状態に維持しても良いが、この実施例では反応炉
内の圧力を大気圧とした。また、基板１０に対する加熱
温度を１０００℃以上の温度とするのが良い。この基板
の加熱は、好ましくは、赤外線ランプ、アークランプ、
レーザビーム或いはヒータ等の加熱手段を用いて行う。
この実施例では、赤外線ランプを用い、基板１０の表面
温度を、例えば、オプティカルパイロメータで判定しな
がら、例えば、５０℃／秒〜２００℃／秒の間の適当な
割合で、好ましくは、昇温温度約１００℃／秒で、約１
１００℃まで上昇させ、この１１００℃の温度に一定の
時間期間保持して、例えば、膜厚が９ｎｍのＳｉＯ2膜
１２を成膜する（図１の（Ａ））。なお、このＳｉ酸化
膜の膜厚制御は、例えば、酸化温度、酸化時間、酸化ガ
スの流量および酸化ガスの反応炉内での圧力を調整する
ことによって、行える。
絶縁膜形成方法の一実施例の説明に供する工程図で、各
図は要部断面図で示してある。 １．絶縁膜の形成 １−１．シリコン酸化膜の形成 先ず、反応炉（図示せず）内にシリコンの下地としてＰ
型（１００）Ｓｉ基板１０を設置する。所要に応じて基
板表面の清浄化、所要に応じ反応炉内の清浄化を行う。
次に、基板１０の表面にシリコン酸化膜１２を成膜す
る。この実施例では、シリコン酸化膜の形成は、窒素非
含有の酸化性ガス雰囲気中で基板１０を加熱することに
より行う。窒素非含有の酸化性ガスとして、ここでは酸
素（Ｏ2）ガスを用いる。シリコン酸化膜形成の際は、
酸化膜形成時の反応副生成物を反応炉外に排気するた
め、反応炉内を例えば１００〜１０-2Ｔｏｒｒの低真空
の減圧状態に維持しても良いが、この実施例では反応炉
内の圧力を大気圧とした。また、基板１０に対する加熱
温度を１０００℃以上の温度とするのが良い。この基板
の加熱は、好ましくは、赤外線ランプ、アークランプ、
レーザビーム或いはヒータ等の加熱手段を用いて行う。
この実施例では、赤外線ランプを用い、基板１０の表面
温度を、例えば、オプティカルパイロメータで判定しな
がら、例えば、５０℃／秒〜２００℃／秒の間の適当な
割合で、好ましくは、昇温温度約１００℃／秒で、約１
１００℃まで上昇させ、この１１００℃の温度に一定の
時間期間保持して、例えば、膜厚が９ｎｍのＳｉＯ2膜
１２を成膜する（図１の（Ａ））。なお、このＳｉ酸化
膜の膜厚制御は、例えば、酸化温度、酸化時間、酸化ガ
スの流量および酸化ガスの反応炉内での圧力を調整する
ことによって、行える。
【００１６】１−２．シリコン酸窒化膜への置換 次に、反応炉内へ供給するガスを窒素含有の酸化性ガス
に切り換えて、シリコン酸化膜１２をシリコン酸窒化膜
に変える。窒素含有の酸化性ガスとして、この実施例で
はＮ2Ｏガスを用い、このＮ2Ｏガスを反応炉内に導入す
る。この場合、反応炉内の圧力を１００〜１０-2Ｔｏｒ
ｒの低真空の減圧状態としても良いが、この実施例では
約１気圧とする。そして、このＮ2Ｏガス雰囲気中で、
基板温度を、例えば５０℃／秒〜２００℃／秒の間の適
当な割合で、１０００℃〜１２００℃の温度範囲内の適
当な温度にまで上昇させ、この温度に一定期間保持し
て、ＳｉＯ2膜１２の酸窒化を行って、シリコン酸窒化
膜１４を得る（図１の（Ｂ））。この場合の加熱手段
は、シリコン酸化膜の成膜の時に用いたと同様な加熱手
段を用いれば良い。なお、このＳｉＯ2膜から変換され
て得られたシリコン酸窒化膜の膜厚は、温度、時間およ
びＮ2Ｏガスの流量を調整することによって適当に制御
できる。なお、加熱温度を１０００℃より低くすると窒
化反応、酸化反応共に抑制され特にシリコン下地との界
面近傍での膜質が劣化してしまい、また、１２００℃よ
り高くなると基板がダメージを受けるので、酸窒化のた
めの加熱温度は１０００℃〜１２００℃の範囲内とし
た。
に切り換えて、シリコン酸化膜１２をシリコン酸窒化膜
に変える。窒素含有の酸化性ガスとして、この実施例で
はＮ2Ｏガスを用い、このＮ2Ｏガスを反応炉内に導入す
る。この場合、反応炉内の圧力を１００〜１０-2Ｔｏｒ
ｒの低真空の減圧状態としても良いが、この実施例では
約１気圧とする。そして、このＮ2Ｏガス雰囲気中で、
基板温度を、例えば５０℃／秒〜２００℃／秒の間の適
当な割合で、１０００℃〜１２００℃の温度範囲内の適
当な温度にまで上昇させ、この温度に一定期間保持し
て、ＳｉＯ2膜１２の酸窒化を行って、シリコン酸窒化
膜１４を得る（図１の（Ｂ））。この場合の加熱手段
は、シリコン酸化膜の成膜の時に用いたと同様な加熱手
段を用いれば良い。なお、このＳｉＯ2膜から変換され
て得られたシリコン酸窒化膜の膜厚は、温度、時間およ
びＮ2Ｏガスの流量を調整することによって適当に制御
できる。なお、加熱温度を１０００℃より低くすると窒
化反応、酸化反応共に抑制され特にシリコン下地との界
面近傍での膜質が劣化してしまい、また、１２００℃よ
り高くなると基板がダメージを受けるので、酸窒化のた
めの加熱温度は１０００℃〜１２００℃の範囲内とし
た。
【００１７】２．絶縁膜の特性試験 次に、この発明の絶縁膜形成方法で形成される絶縁膜の
特性を測定する目的で、Ｓｉ基板１０上にＳｉＯ2膜の
厚さを９ｎｍに成膜した構造体（図１に（Ａ）で示す構
造体）を４枚製作した。そして、各構造体を上述した手
順と同様な手順でＮ2Ｏガス雰囲気中で、１０００℃、
１１００℃、１１５０℃および１２００℃の４つの異な
る温度で、膜厚が１０ｎｍのシリコン酸窒化膜１４を得
るように、それぞれの加熱処理を行って図１の（Ｂ）に
示す構造体を、それぞれ得た。
特性を測定する目的で、Ｓｉ基板１０上にＳｉＯ2膜の
厚さを９ｎｍに成膜した構造体（図１に（Ａ）で示す構
造体）を４枚製作した。そして、各構造体を上述した手
順と同様な手順でＮ2Ｏガス雰囲気中で、１０００℃、
１１００℃、１１５０℃および１２００℃の４つの異な
る温度で、膜厚が１０ｎｍのシリコン酸窒化膜１４を得
るように、それぞれの加熱処理を行って図１の（Ｂ）に
示す構造体を、それぞれ得た。
【００１８】次に、リソグラフィおよびエッチング技術
を用いて、それぞれの構造体のシリコン窒化膜１４上
に、４×１０20ｃｍ-3（マイナス３乗）の濃度にリンド
ープした多結晶Ｓｉのゲート電極１６を形成して、図２
に要部断面図で示す構造のＭＯＳキャパシタを作製し
た。
を用いて、それぞれの構造体のシリコン窒化膜１４上
に、４×１０20ｃｍ-3（マイナス３乗）の濃度にリンド
ープした多結晶Ｓｉのゲート電極１６を形成して、図２
に要部断面図で示す構造のＭＯＳキャパシタを作製し
た。
【００１９】このキャパシタのゲート電極から一定電流
密度で電子をシリコン酸窒化膜１４に注入し、注入前後
でのフラットバンド電圧（ＶFB）の変動量を室温で測定
した。
密度で電子をシリコン酸窒化膜１４に注入し、注入前後
でのフラットバンド電圧（ＶFB）の変動量を室温で測定
した。
【００２０】定電流電子注入は、基板１０を接地し、ゲ
ート電極１６と接地との間に定電流源を直列に接続して
行った。
ート電極１６と接地との間に定電流源を直列に接続して
行った。
【００２１】フラットバンド電圧（ＶFB）の値はＭＯＳ
キャパシタ容量を高周波（１ＭＨｚ）で測定することに
よって決定した。
キャパシタ容量を高周波（１ＭＨｚ）で測定することに
よって決定した。
【００２２】図３は、面積０．０２６４ｍｍ2のキャパ
シタに総電荷量２Ｃ／ｃｍ2の電子を注入した前後での
フラットバンド電圧（ＶFB）の負の変動量（−△ＶFB）
（単位Ｖ）の測定結果を示す。
シタに総電荷量２Ｃ／ｃｍ2の電子を注入した前後での
フラットバンド電圧（ＶFB）の負の変動量（−△ＶFB）
（単位Ｖ）の測定結果を示す。
【００２３】図３の横軸はシリコン酸窒化膜１４作製時
の基板表面の加熱温度であり、縦軸はＭＯＳキャパシタ
のフラットバンド電圧の負の変動量（−△ＶFB）（単位
はボルト（Ｖ））である。○印は前記ＳｉＯ2膜をＮ2Ｏ
ガス中で基板表面温度を１０００℃、１１００℃、１１
５０℃、１２００℃まで加熱し、シリコン酸窒化膜１４
の膜厚がいずれの場合とも１０ｎｍに成膜するまでの時
間期間の間それぞれの温度で加熱処理したときのデータ
をそれぞれ示す。●印はＳｉＯ2膜を従来方法によりＮ
Ｈ3ガスで窒化、具体的にはＮＨ3ガス中で基板表面温度
を１１００℃まで加熱し、熱窒化酸化膜の膜厚が１０ｎ
ｍに成膜するまでの時間期間の間１１００℃で加熱処理
したときの比較データを示す。なお、比較データを得た
熱酸化窒化膜の形成は、先ず実施例と同様にシリコン基
板を酸化しシリコン酸化膜を得、次いで反応炉内から酸
素ガスをパージした後反応炉内にＮＨ3ガスを導入し反
応炉内を３００〜４００Ｔｏｒｒに維持した状態でシリ
コン基板表面が１１００℃になるように基板を加熱する
ことで行っている。
の基板表面の加熱温度であり、縦軸はＭＯＳキャパシタ
のフラットバンド電圧の負の変動量（−△ＶFB）（単位
はボルト（Ｖ））である。○印は前記ＳｉＯ2膜をＮ2Ｏ
ガス中で基板表面温度を１０００℃、１１００℃、１１
５０℃、１２００℃まで加熱し、シリコン酸窒化膜１４
の膜厚がいずれの場合とも１０ｎｍに成膜するまでの時
間期間の間それぞれの温度で加熱処理したときのデータ
をそれぞれ示す。●印はＳｉＯ2膜を従来方法によりＮ
Ｈ3ガスで窒化、具体的にはＮＨ3ガス中で基板表面温度
を１１００℃まで加熱し、熱窒化酸化膜の膜厚が１０ｎ
ｍに成膜するまでの時間期間の間１１００℃で加熱処理
したときの比較データを示す。なお、比較データを得た
熱酸化窒化膜の形成は、先ず実施例と同様にシリコン基
板を酸化しシリコン酸化膜を得、次いで反応炉内から酸
素ガスをパージした後反応炉内にＮＨ3ガスを導入し反
応炉内を３００〜４００Ｔｏｒｒに維持した状態でシリ
コン基板表面が１１００℃になるように基板を加熱する
ことで行っている。
【００２４】フラットバンド電圧（ＶFB）の負の変動量
（−ΔＶFB）は、膜中の正電荷の発生量に関係する。こ
の−△ＶFBの値が大きいほど正電荷の発生量が多くな
り、絶縁破壊耐性が低下し、膜質が劣化することが知ら
れている。
（−ΔＶFB）は、膜中の正電荷の発生量に関係する。こ
の−△ＶFBの値が大きいほど正電荷の発生量が多くな
り、絶縁破壊耐性が低下し、膜質が劣化することが知ら
れている。
【００２５】この点を考慮し図３の測定結果を見てみる
と、Ｎ2Ｏガス雰囲気中で加熱処理して形成した膜は基
板表面の加熱温度を少なくとも１０００℃以上とした場
合ＮＨ3ガス雰囲気中での窒化による従来の熱窒化酸化
膜よりフラットバンド電圧の負の変動量（−△ＶFB）の
値が小さく、絶縁耐性が優れていることが分る。
と、Ｎ2Ｏガス雰囲気中で加熱処理して形成した膜は基
板表面の加熱温度を少なくとも１０００℃以上とした場
合ＮＨ3ガス雰囲気中での窒化による従来の熱窒化酸化
膜よりフラットバンド電圧の負の変動量（−△ＶFB）の
値が小さく、絶縁耐性が優れていることが分る。
【００２６】３．変形例、変更例 この発明は上述した実施例にのみ限定されるものではな
いこと明らかである。
いこと明らかである。
【００２７】通常のＳｉＯ2膜は膜中にＳｉ原子やＯ原
子の不対結合や弱い結合が多数存在するので電子注入の
ストレスによってこれらの結合が切断されること、或い
は電子注入により発生した正孔がトラップされることな
どにより絶縁膜破壊が発生する。しかし、このＳｉＯ2
膜を窒化することで、これら不安定な結合部分に窒素原
子が結合、または置換して不対結合や弱い結合の数が減
少する。これらは全てＳｉＯ2膜形成後に行われる化学
的な過程である。従って、図１の（Ａ）のＳｉ基板１０
の導電型や面方位、図１の（Ａ）のＳｉＯ2膜１２形成
時の加熱温度や酸素分圧およびＳｉＯ2膜の膜厚にも関
係なく、この発明を適用できること明らかである。ま
た、ＳｉＯ2膜１２はＣＶＤ等の化学的堆積法によって
形成しても、多結晶Ｓｉを酸化して形成しても同様の改
善効果が得られる。
子の不対結合や弱い結合が多数存在するので電子注入の
ストレスによってこれらの結合が切断されること、或い
は電子注入により発生した正孔がトラップされることな
どにより絶縁膜破壊が発生する。しかし、このＳｉＯ2
膜を窒化することで、これら不安定な結合部分に窒素原
子が結合、または置換して不対結合や弱い結合の数が減
少する。これらは全てＳｉＯ2膜形成後に行われる化学
的な過程である。従って、図１の（Ａ）のＳｉ基板１０
の導電型や面方位、図１の（Ａ）のＳｉＯ2膜１２形成
時の加熱温度や酸素分圧およびＳｉＯ2膜の膜厚にも関
係なく、この発明を適用できること明らかである。ま
た、ＳｉＯ2膜１２はＣＶＤ等の化学的堆積法によって
形成しても、多結晶Ｓｉを酸化して形成しても同様の改
善効果が得られる。
【００２８】また、上述の実施例では、窒素含有の酸化
性ガスとしてＮ2Ｏガスの例を挙げて説明したが、一酸
化窒素（ＮＯ）ガスまたは二酸化窒素（ＮＯ2）ガスの
単体ガス、もしくは、ＮＯガス、Ｎ2ＯガスおよびＮＯ2
ガスの群から選ばれた二種類以上の混合ガスを用いても
よい。また、上述した実施例では、シリコン酸窒化膜の
膜厚を１０ｎｍ（１００オングストローム）としたが、
これと異なる膜厚、特にこれより薄い膜厚では実施例と
同程度の改善効果が得られる。 ４．適用例 この発明は絶縁膜の破壊耐性を向上させているので絶縁
膜を有するあらゆる型の半導体素子に適用し、その破壊
寿命を延ばす効果がある。
性ガスとしてＮ2Ｏガスの例を挙げて説明したが、一酸
化窒素（ＮＯ）ガスまたは二酸化窒素（ＮＯ2）ガスの
単体ガス、もしくは、ＮＯガス、Ｎ2ＯガスおよびＮＯ2
ガスの群から選ばれた二種類以上の混合ガスを用いても
よい。また、上述した実施例では、シリコン酸窒化膜の
膜厚を１０ｎｍ（１００オングストローム）としたが、
これと異なる膜厚、特にこれより薄い膜厚では実施例と
同程度の改善効果が得られる。 ４．適用例 この発明は絶縁膜の破壊耐性を向上させているので絶縁
膜を有するあらゆる型の半導体素子に適用し、その破壊
寿命を延ばす効果がある。
【００２９】図４および図５に、不揮発性ＭＯＳＦＥＴ
メモリ素子にこの発明を適用した例をそれぞれ示す。図
４は、ＭＮＯＳ（Ｍｅｔａｌ Ｎｉｔｒｉｄｅ Ｏｘｉ
ｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型メモリ素子の要部
の断面構造を示す。このメモリ素子は、Ｓｉ基板２０に
ソース・ドレイン領域用の拡散層２２を具え、この基板
２０の上面に、この発明の絶縁膜形成方法に従って作成
したシリコン酸窒化膜２４と、例えば、Ｓｉ3Ｎ4または
Ａｌ2Ｏ3の絶縁膜２６と、この絶縁膜２６上にゲート電
極２８を具えた構造となっている。シリコン酸窒化膜
（トンネル酸化膜）２４と、絶縁膜２６とで構成される
ゲート絶縁膜３０の、両絶縁膜２４と２６との界面近傍
に存在する界面準位に、主として基板側から、ファウラ
・ノールドハイム・トンネル電流、または、直接トンネ
ル電流を流してキャリアを注入しトラップすることで記
憶動作を行う。
メモリ素子にこの発明を適用した例をそれぞれ示す。図
４は、ＭＮＯＳ（Ｍｅｔａｌ Ｎｉｔｒｉｄｅ Ｏｘｉ
ｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型メモリ素子の要部
の断面構造を示す。このメモリ素子は、Ｓｉ基板２０に
ソース・ドレイン領域用の拡散層２２を具え、この基板
２０の上面に、この発明の絶縁膜形成方法に従って作成
したシリコン酸窒化膜２４と、例えば、Ｓｉ3Ｎ4または
Ａｌ2Ｏ3の絶縁膜２６と、この絶縁膜２６上にゲート電
極２８を具えた構造となっている。シリコン酸窒化膜
（トンネル酸化膜）２４と、絶縁膜２６とで構成される
ゲート絶縁膜３０の、両絶縁膜２４と２６との界面近傍
に存在する界面準位に、主として基板側から、ファウラ
・ノールドハイム・トンネル電流、または、直接トンネ
ル電流を流してキャリアを注入しトラップすることで記
憶動作を行う。
【００３０】データ書き換えは絶縁膜（トンネル酸化
膜）２４に高電界を印加して行うので、このメモリ素子
の信頼性はこの絶縁膜２４の破壊耐性に大きく依存す
る。従来、この絶縁膜２４にはＳｉＯ2膜を用いている
が、この絶縁膜２４にこの発明により得られるシリコン
酸窒化膜を用いることで絶縁膜の破壊耐性が向上し、特
性変動、劣化を抑え、データ書き換え回数が多くデータ
保持特性に優れた長寿命のメモリ素子の実現が期待でき
る。
膜）２４に高電界を印加して行うので、このメモリ素子
の信頼性はこの絶縁膜２４の破壊耐性に大きく依存す
る。従来、この絶縁膜２４にはＳｉＯ2膜を用いている
が、この絶縁膜２４にこの発明により得られるシリコン
酸窒化膜を用いることで絶縁膜の破壊耐性が向上し、特
性変動、劣化を抑え、データ書き換え回数が多くデータ
保持特性に優れた長寿命のメモリ素子の実現が期待でき
る。
【００３１】図５はＦＬＯＴＯＸ（Ｆｌｏａｔｉｎｇ
ｇａｔｅ Ｔｕｎｎｅｌ Ｏｘｉｄｅ）型メモリ素子を
示す。
ｇａｔｅ Ｔｕｎｎｅｌ Ｏｘｉｄｅ）型メモリ素子を
示す。
【００３２】このメモリ素子も、Ｓｉ基板２０にソース
・ドレイン領域用の拡散層２２を具えている。そして、
この基板２０の上面には、この発明の絶縁膜形成方法に
従って作成したシリコン酸窒化膜３４と、浮遊ゲート３
６と、層間絶縁膜３８と、ゲート電極４０とを順次に具
えた構造となっている。
・ドレイン領域用の拡散層２２を具えている。そして、
この基板２０の上面には、この発明の絶縁膜形成方法に
従って作成したシリコン酸窒化膜３４と、浮遊ゲート３
６と、層間絶縁膜３８と、ゲート電極４０とを順次に具
えた構造となっている。
【００３３】このメモリ素子は浮遊ゲート３６の下の絶
縁膜であるシリコン酸窒化膜３４（トンネル酸化膜）の
一部の膜厚が極めて薄くなっている。この薄膜部分を３
４ａで示す。
縁膜であるシリコン酸窒化膜３４（トンネル酸化膜）の
一部の膜厚が極めて薄くなっている。この薄膜部分を３
４ａで示す。
【００３４】このトンネル酸化膜の薄膜部分３４ａを通
してファウラ・ノールドハイム・トンネル電流を流し
て、キャリアを浮遊ゲート３６へ注入して記憶動作を行
う。従来この絶縁膜３４にはＳｉＯ2膜を用いている
が、この絶縁膜３４にこの発明のシリコン酸窒化膜を用
いることで、絶縁膜の破壊耐性が向上し、特性変動、劣
化を抑え、データ書き換え回数が多く、データ保持特性
に優れた長寿命のメモリ素子の実現が期待できる。
してファウラ・ノールドハイム・トンネル電流を流し
て、キャリアを浮遊ゲート３６へ注入して記憶動作を行
う。従来この絶縁膜３４にはＳｉＯ2膜を用いている
が、この絶縁膜３４にこの発明のシリコン酸窒化膜を用
いることで、絶縁膜の破壊耐性が向上し、特性変動、劣
化を抑え、データ書き換え回数が多く、データ保持特性
に優れた長寿命のメモリ素子の実現が期待できる。
【００３５】
【発明の効果】上述した説明からも明らかなように、こ
の発明の絶縁膜形成方法によれば、シリコンの下地に形
成されたシリコン酸化膜を窒素含有の酸化性ガス雰囲気
中で１０００℃以上の温度で加熱処理してシリコン酸窒
化膜に変えるので、従来のＮＨ3ガスを用いた窒化によ
り形成した熱窒化酸化膜に比べてフラットバンド電圧の
負の変動−△ＶFBの値が小さく、従って、正電荷の発生
量が少ないので絶縁破壊耐性の高い高品質の絶縁膜が得
られる。
の発明の絶縁膜形成方法によれば、シリコンの下地に形
成されたシリコン酸化膜を窒素含有の酸化性ガス雰囲気
中で１０００℃以上の温度で加熱処理してシリコン酸窒
化膜に変えるので、従来のＮＨ3ガスを用いた窒化によ
り形成した熱窒化酸化膜に比べてフラットバンド電圧の
負の変動−△ＶFBの値が小さく、従って、正電荷の発生
量が少ないので絶縁破壊耐性の高い高品質の絶縁膜が得
られる。
【００３６】従って、この発明により形成した絶縁膜を
用いて電子デバイス例えば不揮発性ＭＯＳＦＥＴメモリ
素子やＭＮＯＳ型メモリ素子などを作成するとこれら電
子デバイスの寿命と信頼性を従来のものより向上させる
ことができる。
用いて電子デバイス例えば不揮発性ＭＯＳＦＥＴメモリ
素子やＭＮＯＳ型メモリ素子などを作成するとこれら電
子デバイスの寿命と信頼性を従来のものより向上させる
ことができる。
【図１】（Ａ）および（Ｂ）は、この発明の絶縁膜形成
方法の一実施例の説明に供する工程図である。
方法の一実施例の説明に供する工程図である。
【図２】この発明の絶縁膜形成方法の評価に用いたＭＯ
Ｓキャパシタの説明に供する要部断面図である。
Ｓキャパシタの説明に供する要部断面図である。
【図３】この発明の絶縁膜形成方法の一実施例の説明に
供する、酸窒化のための加熱温度とフラットバンド電圧
の負の変動量（−△ＶFB）との関係を示した特性図であ
る。
供する、酸窒化のための加熱温度とフラットバンド電圧
の負の変動量（−△ＶFB）との関係を示した特性図であ
る。
【図４】この発明の絶縁膜形成方法により形成したシリ
コン酸窒化膜を用いた、ＭＮＯＳ型メモリ素子の要部断
面図である。
コン酸窒化膜を用いた、ＭＮＯＳ型メモリ素子の要部断
面図である。
【図５】この発明の絶縁膜形成方法により形成したシリ
コン酸窒化膜を用いた、ＦＬＯＴＯＸ型メモリ素子の要
部断面図である。
コン酸窒化膜を用いた、ＦＬＯＴＯＸ型メモリ素子の要
部断面図である。
１０、２０：Ｓｉ基板 １２：シリコン酸化膜 １４、２４、３４：シリコン酸窒化膜 １６、２８、４０：ゲート電極 ２２：拡散層 ２６：絶縁膜 ３４ａ：シリコン酸窒化膜の薄膜部分 ３６：浮遊ゲート ３８：層間絶縁膜
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−18934（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−246334（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−196587（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−128535（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−229372（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 21/318
Claims (2)
- 【請求項１】 シリコンの下地上に絶縁膜を形成する方
法において、 シリコンの下地上に形成されたシリコン酸化膜を窒素含
有の酸化性ガス雰囲気中で１０００℃以上の温度で加熱
処理してシリコン酸窒化膜に置換し該シリコン酸窒化膜
を当該絶縁膜とすることを特徴とする絶縁膜形成方法。 - 【請求項２】 請求項１に記載の絶縁膜形成方法におい
て、 前記窒素含有の酸化性ガスを一酸化窒素（ＮＯ）ガス、
一酸化二窒素（Ｎ2Ｏ）ガスおよび二酸化窒素（ＮＯ2）
ガス群のうちから選ばれた１種のガスまたは２種以上の
混合ガスとすることを特徴とする絶縁膜形成方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3050935A JP3041065B2 (ja) | 1991-03-15 | 1991-03-15 | 絶縁膜形成方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3050935A JP3041065B2 (ja) | 1991-03-15 | 1991-03-15 | 絶縁膜形成方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05198573A JPH05198573A (ja) | 1993-08-06 |
| JP3041065B2 true JP3041065B2 (ja) | 2000-05-15 |
Family
ID=12872681
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3050935A Expired - Lifetime JP3041065B2 (ja) | 1991-03-15 | 1991-03-15 | 絶縁膜形成方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3041065B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4001960B2 (ja) * | 1995-11-03 | 2007-10-31 | フリースケール セミコンダクター インコーポレイテッド | 窒化酸化物誘電体層を有する半導体素子の製造方法 |
| US6362114B1 (en) | 1996-11-12 | 2002-03-26 | Micron Technology, Inc. | Semiconductor processing methods of forming an oxynitride film on a silicon substrate |
| US6147011A (en) | 1998-02-28 | 2000-11-14 | Micron Technology, Inc. | Methods of forming dielectric layers and methods of forming capacitors |
| KR100537554B1 (ko) * | 2004-02-23 | 2005-12-16 | 주식회사 하이닉스반도체 | 반도체 소자의 산화막 형성 방법 |
-
1991
- 1991-03-15 JP JP3050935A patent/JP3041065B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH05198573A (ja) | 1993-08-06 |
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|---|---|---|---|
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