JP3514969B2 - Semiconductor device manufacturing method and semiconductor manufacturing apparatus - Google Patents

Semiconductor device manufacturing method and semiconductor manufacturing apparatus

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JP3514969B2 JP08291298A JP8291298A JP3514969B2 JP 3514969 B2 JP3514969 B2 JP 3514969B2 JP 08291298 A JP08291298 A JP 08291298A JP 8291298 A JP8291298 A JP 8291298A JP 3514969 B2 JP3514969 B2 JP 3514969B2
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置に用い
られるキャパシタやトランジスタなどの絶縁膜の形成方
法及びこの絶縁膜を形成する半導体製造装置に関するも
のである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for forming an insulating film such as a capacitor and a transistor used in a semiconductor device and a semiconductor manufacturing apparatus for forming this insulating film.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来より、情報処理装置の記憶装置とし
て磁気ディスク装置が広く用いられている。しかし、磁
気ディスク装置は、高度に精密な機械的駆動機構を有す
るので衝撃に弱く、また、機械的に記憶媒体にアクセス
するので高速なアクセスができない等の欠点がある。そ
こで、近年、情報処理装置の記憶装置として、半導体記
憶装置の開発が進められている。半導体記憶装置は、機
械的駆動部分を有さないので衝撃に強く、高速なアクセ
スが可能である。このような点から、半導体記憶装置の
需要が高まってきている。半導体技術は、前述の事情を
含んで著しく進んでいる。半導体装置の製造技術の進
歩、とくに微細加工技術の進歩はメモリセルの微細化を
進め、それとともにメモリセルを構成するキャパシタの
誘電体膜やトランジスタのゲート酸化膜の薄膜化も進ん
できている。この誘電体膜やゲート酸化膜の薄膜化は半
導体装置の信頼性に関する問題を顕在化させている。
2. Description of the Related Art Conventionally, a magnetic disk device has been widely used as a storage device of an information processing device. However, the magnetic disk device has drawbacks such as being vulnerable to impact because it has a highly precise mechanical drive mechanism, and cannot access at high speed because it mechanically accesses the storage medium. Therefore, in recent years, a semiconductor memory device has been developed as a memory device of an information processing device. Since the semiconductor memory device does not have a mechanical driving part, it is resistant to impact and can be accessed at high speed. From this point of view, the demand for semiconductor memory devices is increasing. The semiconductor technology has advanced remarkably including the above-mentioned circumstances. Advances in the manufacturing technology of semiconductor devices, particularly advances in microfabrication technology, have led to the miniaturization of memory cells, and along with this, the dielectric films of capacitors and the gate oxide films of transistors forming the memory cells have also been made thinner. The thinning of the dielectric film and the gate oxide film has brought about a problem of reliability of the semiconductor device.

【0003】たとえば、メモリセルがトンネル絶縁膜を
有するトランジスタによって構成されている不揮発性メ
モリにおいても、半導体装置の高集積化に伴ってトンネ
ル絶縁膜の薄膜化が進んでいる。そのため高電界ストレ
スの印可による低電界リーク電流(ストレスリーク電
流)が除々に増加するということが大きな問題となって
いる。また、高電界ストレス印加による電子トラップの
増加、絶縁膜中を流すことができる電荷量の低下(Qb
d特性の劣化)等も懸念される現象である。このような
点を改善するために、現在トンネル絶縁膜としてシリコ
ン酸化膜に変わりオキシナイトライド膜を用いている。
オキシナイトライド膜の形成は、シリコン半導体基板に
シリコン酸化膜を形成した後、アンモニアによる窒化、
酸素によるアニールというようなプロセスを有するもの
である。このオキシナイトライド膜は、シリコン酸化膜
中の弱いSi−O結合を窒素によって修飾し高電界スト
レスによる電子トラップの抑制・ストレスリーク電流低
減に効果的である。
For example, even in a non-volatile memory in which a memory cell is composed of a transistor having a tunnel insulating film, the tunnel insulating film is becoming thinner along with the high integration of semiconductor devices. Therefore, it is a big problem that low electric field leakage current (stress leakage current) gradually increases due to application of high electric field stress. In addition, application of high electric field stress increases the number of electron traps and decreases the amount of charge that can flow in the insulating film (Qb
Deterioration of d characteristics) is also a concern. In order to improve such a point, an oxynitride film is currently used as a tunnel insulating film instead of a silicon oxide film.
The oxynitride film is formed by forming a silicon oxide film on a silicon semiconductor substrate, then nitriding with ammonia,
It has a process such as annealing with oxygen. This oxynitride film is effective in suppressing electron traps and reducing stress leak current due to high electric field stress by modifying the weak Si—O bond in the silicon oxide film with nitrogen.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】ところが、形成プロセ
スの一つでるアンモニア窒化は、膜中への窒素の導入と
同時に水素も導入している。そして、この水素の大半は
酸素アニールによって脱離するが、一部は膜中に残りト
ンネル絶縁膜の絶縁破壊の原因となっている。このよう
な理由から、アンモニア窒化プロセスに変わる水素フリ
ーの窒化プロセスが要求されるようになってきた。しか
し、現状ではN2 O及びNOでの窒化は酸化反応も伴う
ので水素フリーの窒化プロセスと言っても、十分な膜中
の窒素濃度は得ることができない。また、窒素分子によ
る窒化プロセスは、十分な膜中窒素濃度を得るためには
プロセス温度が高温(1200℃程度)で長い窒化時間
が必要である。このようなプロセスはウェハに対する熱
的な負荷が大きいため実際のプロセスでは使い難いもの
である。実際のプロセスに使用可能なオキシナイトライ
ド膜及び窒化膜を形成する水素フリーの窒化プロセスは
存在しない。本発明は、このような事情によりなされた
ものであり、キャパシタの誘電体膜やトランジスタのト
ンネル絶縁膜に用いられる窒化膜を形成する半導体装置
の製造方法及びこの窒化膜を形成する半導体製造装置を
提供する。
However, in ammonia nitridation, which is one of the formation processes, hydrogen is introduced at the same time as the introduction of nitrogen into the film. Most of this hydrogen is desorbed by oxygen annealing, but some remains in the film, causing dielectric breakdown of the tunnel insulating film. For this reason, a hydrogen-free nitriding process, which is an alternative to the ammonia nitriding process, has been required. However, at present, nitriding with N 2 O and NO is accompanied by an oxidative reaction, so that a sufficient nitrogen concentration in the film cannot be obtained even if it is called a hydrogen-free nitriding process. Further, the nitriding process using nitrogen molecules requires a high process temperature (about 1200 ° C.) and a long nitriding time in order to obtain a sufficient nitrogen concentration in the film. Such a process is difficult to use in an actual process because the thermal load on the wafer is large. There is no hydrogen-free nitriding process that forms an oxynitride film and a nitride film that can be used in the actual process. The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a method for manufacturing a semiconductor device that forms a nitride film used as a dielectric film of a capacitor or a tunnel insulating film of a transistor, and a semiconductor manufacturing apparatus that forms the nitride film. provide.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】本発明は、次のような窒
化プロセスを行うことを特徴とする。プロセス室内に満
たされた窒素を高温(例えば、1400℃以上)で十分
加熱することによって、化学的に活性な窒素をつくる。
この活性化した窒素で満たされたプロセス室内にウェー
ハをすばやく挿入してウェーハを窒化する。化学的に活
性な窒素により、ウェーハ温度が昇温途上においても窒
化反応は始まる。そして、ウェーハ温度は熱的に平衡状
態(1400℃)に達する前に所望の膜中窒素濃度が得
られ、その時点でウェーハをプロセス室内から引き出
す。化学的に活性化された窒素を用いて窒化膜を形成す
ることにより、N2 窒化プロセスにおいて実用的に問題
となっているサーマル・ジェットの増大を解決(ウェー
ハ処理温度の低減、熱処理時間の短縮化)することがで
きる。
The present invention is characterized by performing the following nitriding process. By sufficiently heating the nitrogen filled in the process chamber at a high temperature (for example, 1400 ° C. or higher), chemically active nitrogen is produced.
The wafer is quickly inserted into the process chamber filled with the activated nitrogen to nitride the wafer. Due to the chemically active nitrogen, the nitriding reaction starts even while the wafer temperature is increasing. Then, a desired nitrogen concentration in the film is obtained before the wafer temperature reaches a thermal equilibrium state (1400 ° C.), at which point the wafer is taken out of the process chamber. By forming a nitride film using chemically activated nitrogen, the thermal jet increase that is a practical problem in the N 2 nitriding process is solved (reduction of wafer processing temperature, reduction of heat treatment time). Can be changed).

【0006】本発明の半導体製造装置は、外側が加熱装
置で囲まれた外管と、内部が半導体ウェーハを収容する
プロセス室として用いられ、前記外管に内挿された内管
と、前記内管と外管との空間に形成されたプロセスガス
通路と、前記プロセスガス通路を通って前記プロセス室
に窒素ガスを含むプロセスガスを導く前記プロセス室に
形成されたゲートとを具備し、前記プロセス室は、活性
な窒素雰囲気で満たされた状態で半導体ウェーハが配置
されて熱処理されることを特徴としている。この半導体
製造装置は、プロセス室内に満たされた窒素を高温で十
分加熱することによって化学的に活性な窒素をつくるこ
とができる。この活性化された窒素で満たされたプロセ
ス室内にウェーハをすばやく挿入してこれを窒化させる
ことができる。
The semiconductor manufacturing apparatus of the present invention has an outer tube surrounded by a heating device on the outer side, an inner tube used as a process chamber for accommodating semiconductor wafers on the inner side, and an inner tube inserted into the outer tube, and the inner tube. A process gas passage formed in the space between the pipe and the outer pipe; and a gate formed in the process chamber for introducing a process gas containing nitrogen gas into the process chamber through the process gas passage. The chamber is characterized in that the semiconductor wafer is placed and heat-treated while being filled with an active nitrogen atmosphere. This semiconductor manufacturing apparatus can produce chemically active nitrogen by sufficiently heating the nitrogen filled in the process chamber at a high temperature. A wafer can be quickly inserted and nitrided in the process chamber filled with activated nitrogen.

【0007】[0007]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら発明の
実施の形態を説明する。まず、図1は、本発明の窒化プ
ロセスを行う半導体製造装置の断面図である。図に示す
断面図の上部が半導体製造装置の上の部分であり、半導
体製造装置の下の部分は一部省略している。この装置の
プロセス室10は、SiC(炭化珪素)などの耐熱性絶
縁管からなる内管1の内部に形成される。内管1の上部
には開口部2が形成され、これは、化学的に活性な窒素
がプロセス室10に入ってくるゲートとして用いられ
る。この内管1を覆うようにSiCなどの耐熱性絶縁管
からなる外管4が配置されている。内管1と外管4との
間は、プロセスガス通路20になっている。プロセスガ
スである窒素ガスが半導体製造装置の外部からプロセス
ガス通路20に導入される。窒素ガスは、このプロセス
ガス通路20で加熱されて化学的に活性な窒素となって
ゲートである開口部2からプロセス室10に導入され
る。この外管4は、SiCなどの耐熱性絶縁管からなる
均熱管5に被覆され、均熱管5は、その周囲をヒータ6
で巻回されている。このヒータ6によってプロセスガス
通路20の窒素ガスが加熱されて化学的に活性になる。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. First, FIG. 1 is a sectional view of a semiconductor manufacturing apparatus for performing the nitriding process of the present invention. The upper part of the sectional view shown in the figure is the upper part of the semiconductor manufacturing apparatus, and the lower part of the semiconductor manufacturing apparatus is partially omitted. A process chamber 10 of this apparatus is formed inside an inner tube 1 made of a heat resistant insulating tube such as SiC (silicon carbide). An opening 2 is formed in the upper part of the inner tube 1 and is used as a gate into which the chemically active nitrogen enters the process chamber 10. An outer tube 4 made of a heat-resistant insulating tube such as SiC is arranged so as to cover the inner tube 1. A process gas passage 20 is provided between the inner pipe 1 and the outer pipe 4. Nitrogen gas, which is a process gas, is introduced into the process gas passage 20 from outside the semiconductor manufacturing apparatus. The nitrogen gas is heated in the process gas passage 20 to become chemically active nitrogen, and is introduced into the process chamber 10 through the opening 2 which is a gate. The outer tube 4 is covered with a heat equalizing tube 5 made of a heat-resistant insulating tube such as SiC, and the heat equalizing tube 5 has a heater 6 around its periphery.
It is wound in. The heater 6 heats the nitrogen gas in the process gas passage 20 to chemically activate it.

【0008】次に、図1、図2及び図3を参照して第1
の実施例を説明する。この実施例では半導体基板(この
場合、シリコンウェーハをいう)上の酸化膜を酸窒化膜
に変える処理を行う。プロセス室10にゲート2からプ
ロセスガスである窒素を導入する。その後プロセス室1
0を覆っているヒータ6で窒素を1400℃まで加熱す
る。この時、ヒータ6によって高温に熱せられたプロセ
ス室10の窒素は、化学的に活性な窒素に変化する(図
1)。そして、ガス温度が定常状態になった時点で、プ
ロセス室10内にシリコン半導体などのウェーハ30を
挿入する。ウェーハ30は、支持具7により支えられて
いる。支持具7は、3点でウェーハ裏面を支持してい
る。搬送具(図示せず)がウェーハ30を支持具7とと
もにプロセス室10の所定の位置に設置し、ただちにウ
ェーハ30に対して窒化プロセス処理を行う(図2)。
搬送具は、サーボモータなどの駆動手段を用いて移動操
作される。この時、ウェーハ30上には前もって所定の
位置に所定パターンの8.2nm厚のシリコン酸化膜を
形成しておく。
Next, referring to FIG. 1, FIG. 2 and FIG.
An example will be described. In this embodiment, a process of changing an oxide film on a semiconductor substrate (in this case, a silicon wafer) into an oxynitride film is performed. Nitrogen as a process gas is introduced into the process chamber 10 from the gate 2. Then process room 1
Nitrogen is heated to 1400 ° C. by the heater 6 covering 0. At this time, the nitrogen in the process chamber 10 heated to a high temperature by the heater 6 changes into chemically active nitrogen (FIG. 1). Then, when the gas temperature reaches a steady state, a wafer 30 such as a silicon semiconductor is inserted into the process chamber 10. The wafer 30 is supported by the support 7. The support 7 supports the back surface of the wafer at three points. A carrier tool (not shown) places the wafer 30 together with the support tool 7 in a predetermined position in the process chamber 10, and immediately performs a nitriding process on the wafer 30 (FIG. 2).
The transport tool is moved and operated by using a driving means such as a servo motor. At this time, a silicon oxide film having a predetermined pattern and a thickness of 8.2 nm is formed on the wafer 30 in advance at a predetermined position.

【0009】プロセス室10に配置されたウェーハ30
は、ウェーハ温度が1400℃に到達する以前から窒化
反応が始まる。これは、前述したようにプロセスガスで
ある窒素が化学的に活性なガスに変化するため、ウェー
ハ温度が低温にもかかわらず窒化反応が始まる。ウェー
ハ温度が1050℃に到達する時点で所望の窒素濃度が
シリコン酸化膜中で得られるので、この時点でウェーハ
30をプロセス室10内から引き出しプロセスを終了す
る(図3)。以上のようなプロセスを行うことによっ
て、高品質のオキシナイトライド膜が得られる。
Wafer 30 placed in process chamber 10
The nitriding reaction starts before the wafer temperature reaches 1400 ° C. This is because, as described above, nitrogen, which is the process gas, changes into a chemically active gas, so that the nitriding reaction starts even if the wafer temperature is low. Since the desired nitrogen concentration is obtained in the silicon oxide film when the wafer temperature reaches 1050 ° C., the wafer 30 is pulled out of the process chamber 10 at this point, and the process is completed (FIG. 3). A high quality oxynitride film can be obtained by performing the above process.

【0010】次に、図1乃至図3を参照して第2の実施
例を説明する。この実施例は、ウェーハのシリコン表面
を直接窒化する処理を行う。プロセス室10にプロセス
ガスである窒素を導入してプロセス室10を覆っている
ヒータ6で1400℃まで加熱する。この時、ヒータ6
によって高温に熱せられた窒素は、化学的に活性な窒素
に変化する(図1)。そして、ガス温度が定常状態にな
った時点でプロセス室10内にウェーハ30を挿入して
窒化プロセスを行う(図2)。この時、ウェーハ30上
は前処理によって自然酸化膜を除去しておく。プロセス
室10内に配置されたウェーハ30は、ウェーハ温度が
1400℃に到達する以前から窒化反応が始まる。これ
は前述したようにプロセスガスである窒素が化学的に活
性なガスに変化するため、ウェーハ温度が低温にもかか
わらず、窒化反応が始まる。ウェーハ温度が1050℃
に到達する時点で所望の窒化膜厚がシリコン上で得られ
るのでこの時点でウェーハ30をプロセス室10内から
引き出しプロセスを終了する(図3)。以上のようなプ
ロセスにより、高品質で極薄のシリコン窒化膜を形成す
ることができる。とくに、厚さ10nm以下のトンネル
絶縁膜を形成することができる。
Next, a second embodiment will be described with reference to FIGS. In this embodiment, the silicon surface of the wafer is directly nitrided. Nitrogen, which is a process gas, is introduced into the process chamber 10 and heated to 1400 ° C. by the heater 6 covering the process chamber 10. At this time, the heater 6
Nitrogen heated to a high temperature by is converted into chemically active nitrogen (Fig. 1). Then, when the gas temperature reaches a steady state, the wafer 30 is inserted into the process chamber 10 to perform a nitriding process (FIG. 2). At this time, the native oxide film on the wafer 30 is removed by pretreatment. The nitriding reaction of the wafer 30 placed in the process chamber 10 starts before the wafer temperature reaches 1400 ° C. As described above, nitrogen, which is a process gas, is changed to a chemically active gas as described above, so that the nitriding reaction starts even though the wafer temperature is low. Wafer temperature is 1050 ℃
Since a desired nitride film thickness is obtained on the silicon at the time of reaching, the wafer 30 is withdrawn from the process chamber 10 at this time, and the process is completed (FIG. 3). With the above process, a high quality and extremely thin silicon nitride film can be formed. In particular, a tunnel insulating film having a thickness of 10 nm or less can be formed.

【0011】次に、図4及び図5を参照して第3の実施
例を説明する。この実施例では、第1もしくは第2の実
施例に示した窒化膜を形成する方法を適用した256M
DRAMを説明する。図4は、256MDRAMを形成
した半導体基板の断面図、図5は、このDRAMのセル
回路図である。このメモリセルは、1トランジスタ1キ
ャパシタ構造であり、複数のメモリセルがマトリックス
状に配置されてセルアレイを構成している。トランジス
タは、ソース/ドレインの一方がビット線(データ線)
に接続され、他方がキャパシタの一方の電極に接続さ
れ、さらにゲートがワード線に接続されている。キャパ
シタは、電極の一方がトランジスタのソース/ドレイン
の他方に接続されおり、他方の電極が接地されている。
Next, a third embodiment will be described with reference to FIGS. 4 and 5. In this embodiment, the method of forming the nitride film shown in the first or second embodiment is applied to 256M.
The DRAM will be described. FIG. 4 is a sectional view of a semiconductor substrate on which a 256 MDRAM is formed, and FIG. 5 is a cell circuit diagram of this DRAM. This memory cell has a one-transistor one-capacitor structure, and a plurality of memory cells are arranged in a matrix to form a cell array. One of source and drain of the transistor is a bit line (data line)
, The other is connected to one electrode of the capacitor, and the gate is connected to the word line. One of the electrodes of the capacitor is connected to the other of the source / drain of the transistor, and the other electrode is grounded.

【0012】まず、図5の右側に示された周辺回路部に
ついて説明する。シリコン半導体などのp型半導体基板
11には素子分離用トレンチが形成されており、シリコ
ン酸化膜12が埋め込まれている。このシリコン酸化膜
12は、有機オキシシラン(Si(O2 5 4 ))を
熱分解して形成される(以下、この膜はTEOS膜とい
う)。シリコン酸化膜(TEOS膜)12とトレンチ側
壁の間にはSiO2 /Si3 4 膜121が形成されて
いる。半導体基板11にはnウエル13が形成されてお
り、その中にソース又はドレインに用いられるp型不純
物拡散領域14が形成されている。半導体基板11表面
には熱酸化膜(SiO2 )15が形成されており、その
上にトランジスタのゲート構造16がnウエル13及び
シリコン酸化膜(TEOS膜)12上に形成されてい
る。ゲート構造16は、熱酸化膜15上のポリシリコン
膜161、WSi膜162、Si3 4膜163と、こ
れら積層体を被覆するSi3 4 被覆膜164から構成
されている。ゲート構造16を被覆するようにBPSG
(Boron-doped Phospho SilicateGlass)などからなる層
間絶縁膜17が形成されている。この上に層間絶縁膜
(TEOS膜)18、19が順次積層されている。TE
OS膜19の上には金属配線21、29が形成されてい
る。
First, the peripheral circuit portion shown on the right side of FIG. 5 will be described. An element isolation trench is formed in a p-type semiconductor substrate 11 such as a silicon semiconductor, and a silicon oxide film 12 is embedded therein. The silicon oxide film 12 is formed by thermally decomposing organic oxysilane (Si (O 2 C 5 H 4 )) (hereinafter, this film is referred to as TEOS film). An SiO 2 / Si 3 N 4 film 121 is formed between the silicon oxide film (TEOS film) 12 and the side wall of the trench. An n well 13 is formed in the semiconductor substrate 11, and a p type impurity diffusion region 14 used as a source or a drain is formed therein. A thermal oxide film (SiO 2 ) 15 is formed on the surface of the semiconductor substrate 11, on which a gate structure 16 of a transistor is formed on an n well 13 and a silicon oxide film (TEOS film) 12. The gate structure 16 is composed of a polysilicon film 161, a WSi film 162, a Si 3 N 4 film 163 on the thermal oxide film 15, and a Si 3 N 4 coating film 164 that covers these laminated bodies. BPSG to cover the gate structure 16
An interlayer insulating film 17 made of (Boron-doped Phospho Silicate Glass) or the like is formed. Interlayer insulating films (TEOS films) 18 and 19 are sequentially stacked on this. TE
Metal wires 21 and 29 are formed on the OS film 19.

【0013】金属配線21、29は、Al−Cu膜と、
その上層及び下層に形成されたバリアメタル層であるT
i/TiN膜から構成されている。金属配線21、29
を被覆するように、層間絶縁膜(TEOS膜)22、層
間絶縁膜(SAUSG膜)23及び層間絶縁膜(TEO
S膜)24が順次形成されている。TEOS膜24の上
には、金属配線25が形成されている。金属配線25
は、Al−Cu膜と、その下層に形成されたバリアメタ
ル層であるTi/TiN膜と、その上層に形成されたバ
リアメタル層であるTiN膜から構成されている。金属
配線25は、層間絶縁膜22、23、24に形成された
コンタクト孔を介して金属配線21に電気的に接続され
ている。金属配線25を被覆するようにTEOS膜24
の上に、順次TEOS膜26、窒化膜(Si3 4 )2
7及びポリイミド膜28が積層されている。
The metal wirings 21 and 29 are made of an Al--Cu film,
T, which is a barrier metal layer formed on the upper and lower layers thereof
It is composed of an i / TiN film. Metal wiring 21, 29
So as to cover the interlayer insulating film (TEOS film) 22, the interlayer insulating film (SAUSG film) 23, and the interlayer insulating film (TEO).
S film) 24 is sequentially formed. A metal wiring 25 is formed on the TEOS film 24. Metal wiring 25
Is composed of an Al—Cu film, a Ti / TiN film which is a barrier metal layer formed below the Al—Cu film, and a TiN film which is a barrier metal layer formed above the Al / Cu film. The metal wiring 25 is electrically connected to the metal wiring 21 through the contact holes formed in the interlayer insulating films 22, 23 and 24. The TEOS film 24 is formed so as to cover the metal wiring 25.
TEOS film 26, nitride film (Si 3 N 4 ) 2
7 and the polyimide film 28 are laminated.

【0014】金属配線21は、シリコン酸化膜12上の
ゲートと接続配線31により電気的に接続されている。
接続配線31は、BPSG膜17、TEOS膜18、1
9等を貫通して形成され、TEOS膜18からBPSG
膜17、Si3 4 膜163まではTi膜からなるバリ
ア層とその上のW膜からなり、TEOS膜19の領域で
はTiN膜からなるバリア層とその上のW膜からなる。
金属配線29は、p型不純物拡散領域14と接続配線3
2により電気的に接続されている。接続配線32は、熱
酸化膜15、Si3 4 被覆膜164、BPSG膜1
7、TEOS膜18、19を貫通して形成され、TEO
S膜18からBPSG膜17、Si3 4 被覆膜16
4、熱酸化膜15まではTi膜からなるバリア層とその
上のW膜からなり、TEOS膜19の領域ではTiN膜
からなるバリア層とその上のW膜からなる。
The metal wiring 21 is electrically connected to the gate on the silicon oxide film 12 by the connection wiring 31.
The connection wiring 31 is composed of the BPSG film 17, the TEOS film 18, and 1.
9 through the TEOS film 18 and BPSG.
The film 17 and the Si 3 N 4 film 163 are made up of a barrier layer made of a Ti film and a W film thereon, and the TEOS film 19 region is made up of a barrier layer made of a TiN film and a W film formed thereon.
The metal wiring 29 is connected to the p-type impurity diffusion region 14 and the connection wiring 3
2 electrically connected. The connection wiring 32 includes the thermal oxide film 15, the Si 3 N 4 coating film 164, the BPSG film 1
7. TEO formed by penetrating the TEOS films 18 and 19
S film 18 to BPSG film 17, Si 3 N 4 coating film 16
4. The thermal oxide film 15 is composed of a barrier layer made of a Ti film and a W film thereon, and the TEOS film 19 is composed of a barrier layer made of a TiN film and a W film thereon.

【0015】次に、図5の左側に示すセル部について説
明する。セル部は、周辺回路部と同じトランジスタや配
線、層間絶縁膜などを用いている。半導体基板11のn
型不純物拡散領域に接続されたポリシリコンからなる接
続配線33は、ビット線(BL)につながる金属配線3
5に接続されている。セルを構成する一方のトランジス
タのゲート構造16は、ワード線(WL)に接続されて
いる。他方のキャパシタ34は、半導体基板11内部に
トレンチ構造で形成されされている。キャパシタ用トレ
ンチ内部には三層のポリシリコン膜が充填されており、
その表面には酸化膜と窒化膜の積層膜(NO膜)が形成
されている。NO膜は、キャパシタ誘電体として用いら
れているので薄い良質の膜が要求される。したがって、
本発明の半導体製造装置を用いるに最適である。また、
キャパシタ用のNO膜は、第2の実施例で説明した窒化
膜の形成方法を適用する。
Next, the cell portion shown on the left side of FIG. 5 will be described. The cell portion uses the same transistors, wirings, and interlayer insulating films as those used in the peripheral circuit portion. N of the semiconductor substrate 11
The connection wiring 33 made of polysilicon and connected to the type impurity diffusion region is the metal wiring 3 connected to the bit line (BL).
Connected to 5. The gate structure 16 of one of the transistors forming the cell is connected to the word line (WL). The other capacitor 34 is formed inside the semiconductor substrate 11 in a trench structure. Three layers of polysilicon film are filled inside the capacitor trench,
A laminated film (NO film) of an oxide film and a nitride film is formed on the surface thereof. Since the NO film is used as a capacitor dielectric, a thin film of good quality is required. Therefore,
It is most suitable for using the semiconductor manufacturing apparatus of the present invention. Also,
For the NO film for the capacitor, the method for forming the nitride film described in the second embodiment is applied.

【0016】次に、図6及び図7を参照して第4の実施
例を説明する。この実施例では、第1もしくは第2の実
施例に示した窒化膜を形成する方法を適用したNAND
型不揮発性メモリを説明する。図6は、NAND型不揮
発性メモリを形成した半導体基板の断面図、図7は、こ
の不揮発性メモリのセル回路図である。図7に示すよう
に、ドレインにビット線(BL)が接続され、セレクト
ゲート(SG1)を有する第1のセレクトトランジスタ
と、ソースが接地され、セレクトゲート(SG2)を有
する第2のセレクトトランジスタとの間にそれぞれソー
ス、ドレインが接続され、それぞれコントロールゲート
(CG1、CG2、・・・CG8)を有するメモリトラ
ンジスタ(M1、M2、・・・M8)が接続されてい
る。NAND型不揮発性メモリは、従来と同じ構造のメ
モリセルをNAND型に配置したことにより新たな動作
方法を導入し、ビット当たりのメモリセル占有面積を小
さくできる半導体メモリである。
Next, a fourth embodiment will be described with reference to FIGS. 6 and 7. In this embodiment, a NAND to which the method for forming a nitride film shown in the first or second embodiment is applied
The nonvolatile memory will be described. FIG. 6 is a cross-sectional view of a semiconductor substrate on which a NAND type nonvolatile memory is formed, and FIG. 7 is a cell circuit diagram of this nonvolatile memory. As shown in FIG. 7, a first select transistor having a drain connected to a bit line (BL) and having a select gate (SG1) and a second select transistor having a source grounded and having a select gate (SG2). , A source and a drain are connected to each other, and memory transistors (M1, M2, ... M8) each having a control gate (CG1, CG2, ... CG8) are connected. The NAND type non-volatile memory is a semiconductor memory in which a new operation method is introduced by arranging memory cells having the same structure as the conventional one in a NAND type, and the memory cell occupied area per bit can be reduced.

【0017】図6は、半導体基板に形成されたNAND
型不揮発性メモリの一部を示す断面図である。p型シリ
コン半導体基板40には、トランジスタのソース/ドレ
インとなる不純物拡散領域41、42、43が形成され
ており、n型不純物拡散領域41、42をソース/ドレ
インとし、ゲート絶縁膜を介して形成されたポリシリコ
ン膜などからなるセレクトゲート(SG1)36を有す
る第1のセレクトトランジスタが形成されている。第1
のセレクトトランジスタに隣接して、n型不純物拡散領
域42、43をソース/ドレインとし、ゲート絶縁膜を
介して形成されたポリシリコン膜などからなるフローテ
ィングゲート38及びその上のコントロールゲート(C
G1)37を有する第1のメモリトランジスタ(M1)
が形成されている。第1のメモリトランジスタに隣接し
てコントロールゲート(CG2)を有する第2のメモリ
トランジスタ(M2)が形成されている。このフローテ
ィングゲート38と半導体基板40との間には非常に薄
いシリコン酸化膜もしくは窒化膜があり、これをトンネ
ル絶縁膜39という。このメモリは、ここを介してF−
N(Fowlor-Nourdheim)電流を流しフローティングゲート
38への電子注入又はフローティングゲート38からの
電子の放出を行う。
FIG. 6 shows a NAND formed on a semiconductor substrate.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a part of the nonvolatile memory. Impurity diffusion regions 41, 42, 43 to be the source / drain of the transistor are formed on the p-type silicon semiconductor substrate 40, and the n-type impurity diffusion regions 41, 42 are used as the source / drain, with the gate insulating film interposed therebetween. A first select transistor having a select gate (SG1) 36 formed of a polysilicon film or the like is formed. First
Of the n-type impurity diffusion regions 42 and 43 as the source / drain adjacent to the select transistor of FIG.
G1) a first memory transistor (M1) having 37
Are formed. A second memory transistor (M2) having a control gate (CG2) is formed adjacent to the first memory transistor. There is a very thin silicon oxide film or nitride film between the floating gate 38 and the semiconductor substrate 40, and this is called a tunnel insulating film 39. This memory is accessed via F-
An N (Fowlor-Nourdheim) current is passed to inject electrons into the floating gate 38 or emit electrons from the floating gate 38.

【0018】本発明の製造装置は、この不揮発性メモリ
の製造に適用される。例えば、トンネル絶縁膜にシリコ
ン窒化膜又はシリコン酸窒化膜を用いる場合、コントロ
ールゲート37とフローティングゲート38との間に形
成された層間絶縁膜にシリコン窒化膜をその一部に構成
させる場合には本発明の半導体製造装置を適用すること
ができる。また、トンネル絶縁膜(SiO2 )39は、
半導体製造装置の一部を変更しプロセスガスとして酸素
をプロセス室に導入すれば緻密で高品質なシリコン酸化
膜を形成することができる。
The manufacturing apparatus of the present invention is applied to manufacture of this non-volatile memory. For example, when a silicon nitride film or a silicon oxynitride film is used as the tunnel insulating film, when the silicon nitride film is partially formed in the interlayer insulating film formed between the control gate 37 and the floating gate 38, The semiconductor manufacturing apparatus of the invention can be applied. The tunnel insulating film (SiO 2 ) 39 is
By changing a part of the semiconductor manufacturing apparatus and introducing oxygen as a process gas into the process chamber, a dense and high-quality silicon oxide film can be formed.

【0019】[0019]

【発明の効果】本発明に係る窒化方法を用いれば、過度
なウェーハへの熱的な負荷をかけることなく水素フリー
の窒化を実現することができる。この方法によって、リ
ーク電流が低く信頼性の高い絶縁膜が得られる。また、
本発明に係るトランジスタ用絶縁膜の形成方法を用いて
形成された窒化膜(オキシナイトライド)膜は、膜中の
水素濃度が低いので電気的信頼性の高い。また、本発明
に係るキャパシタ用絶縁膜の形成方法を用いて形成され
た窒化膜は、膜中水素濃度が低いのでリーク電流が低
い。
By using the nitriding method according to the present invention, hydrogen-free nitriding can be realized without applying an excessive thermal load to the wafer. By this method, an insulating film with low leak current and high reliability can be obtained. Also,
The nitride film (oxynitride) film formed by using the method for forming an insulating film for a transistor according to the present invention has a low hydrogen concentration in the film and thus has high electrical reliability. Further, the nitride film formed by using the method for forming an insulating film for a capacitor according to the present invention has a low hydrogen concentration in the film and thus a low leak current.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の窒化処理を行う半導体製造装置の断面
図。
FIG. 1 is a cross-sectional view of a semiconductor manufacturing apparatus that performs a nitriding treatment according to the present invention.

【図2】半導体ウェーハが搭載された図1の半導体製造
装置の断面図。
FIG. 2 is a sectional view of the semiconductor manufacturing apparatus of FIG. 1 on which a semiconductor wafer is mounted.

【図3】半導体ウェーハが搭載された図1の半導体製造
装置の断面図。
FIG. 3 is a sectional view of the semiconductor manufacturing apparatus of FIG. 1 on which a semiconductor wafer is mounted.

【図4】本発明を説明する256MDRAMセル回路
図。
FIG. 4 is a 256 MDRAM cell circuit diagram illustrating the present invention.

【図5】本発明が適用される半導体装置(256MDR
AM)の部分的断面図。
FIG. 5 is a semiconductor device (256 MDR) to which the present invention is applied.
AM) partial sectional view.

【図6】本発明を説明するNAND型不揮発性メモリセ
ルの回路図。
FIG. 6 is a circuit diagram of a NAND-type nonvolatile memory cell for explaining the present invention.

【図7】本発明が適用される半導体装置(NAND型不
揮発性メモリ)のセル構造の部分的断面図。
FIG. 7 is a partial cross-sectional view of a cell structure of a semiconductor device (NAND type nonvolatile memory) to which the present invention is applied.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1・・・内管、 2・・・開口部、 4・・・外
管、5・・・均熱管、 6・・・ヒータ、 10・
・・プロセス室、11、40・・・半導体基板、12・
・・シリコン酸化膜(TEOS膜)、13・・・nウエ
ル、 14・・・p型不純物拡散領域、15・・・熱
酸化膜、 16・・・ゲート構造、17・・・層間絶縁
膜(BPSG膜)、18、19、22、24、26・・
・層間絶縁膜(TEOS膜)、20・・・プロセスガス
通路、 21、29、25、35・・・金属配線、23
・・・層間絶縁膜(SiO2 ; SAUSG)、27・・
・窒化膜(Si3 4 )、 28・・・ポリイミド
膜、30・・・ウェーハ、 31、32、33・・・
接続配線、34・・・キャパシタ、 36・・・セレ
クトゲート、37・・・コントロールゲート、 38
・・・フローティングゲート、39・・・トンネル絶縁
膜、 41、42、43・・・不純物拡散領域、12
1・・・SiO2 /Si3 4 膜、 161・・・ポ
リシリコン膜、162・・・WSi膜、 163、1
64・・・Si3 4 膜。
1 ... Inner tube, 2 ... Opening part, 4 ... Outer tube, 5 ... Soaking tube, 6 ... Heater, 10.
..Process chambers, 11, 40 ... Semiconductor substrates, 12.
..Silicon oxide film (TEOS film), 13 ... N well, 14 ... P-type impurity diffusion region, 15 ... Thermal oxide film, 16 ... Gate structure, 17 ... Interlayer insulating film ( BPSG film), 18, 19, 22, 24, 26 ...
-Interlayer insulating film (TEOS film), 20 ... Process gas passage, 21, 29, 25, 35 ... Metal wiring, 23
... Interlayer insulating film (SiO 2 ; SAUSG), 27 ...
・ Nitride film (Si 3 N 4 ), 28 ... Polyimide film, 30 ... Wafer, 31, 32, 33 ...
Connection wiring, 34 ... Capacitor, 36 ... Select gate, 37 ... Control gate, 38
... Floating gate, 39 ... Tunnel insulating film, 41, 42, 43 ... Impurity diffusion region, 12
1 ... SiO 2 / Si 3 N 4 film, 161 ... Polysilicon film, 162 ... WSi film, 163, 1
64 ... Si 3 N 4 film.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平10−22290(JP,A) 特開 平9−260364(JP,A) 特開 平11−16900(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/31 H01L 21/312 H01L 21/314 H01L 21/316 H01L 21/318 H01L 21/822 H01L 27/04 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) Reference JP 10-22290 (JP, A) JP 9-260364 (JP, A) JP 11-16900 (JP, A) (58) Field (Int.Cl. 7 , DB name) H01L 21/31 H01L 21/312 H01L 21/314 H01L 21/316 H01L 21/318 H01L 21/822 H01L 27/04

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 半導体ウェーハを窒素分子を、解離する
ガス温度にある活性な窒素雰囲気中に配置する工程と、 前記活性な窒素雰囲気により前記半導体ウェーハ表面に
窒化膜を形成する工程と、 前記半導体ウェーハをウェーハ温度とガス温度とが熱平
衡状態になる以前に前記窒素雰囲気から取り出すことを
特徴とする半導体装置の製造方法。
1. A step of arranging a semiconductor wafer in an active nitrogen atmosphere at a gas temperature for dissociating nitrogen molecules, a step of forming a nitride film on the surface of the semiconductor wafer by the active nitrogen atmosphere, A method of manufacturing a semiconductor device, wherein the wafer is taken out from the nitrogen atmosphere before the wafer temperature and the gas temperature are in a thermal equilibrium state.
【請求項2】 前記窒化膜は、前記半導体ウェーハ上に
酸化膜を形成し、この酸化膜を窒化することによ形成さ
れた酸窒化膜であることを特徴とする請求項1に記載の
半導体装置の製造方法。
2. The semiconductor film according to claim 1, wherein the nitride film is an oxynitride film formed by forming an oxide film on the semiconductor wafer and nitriding the oxide film. Device manufacturing method.
【請求項3】 前記半導体ウェーハ表面の半導体を窒化
することにより前記窒化膜を形成することを特徴とする
請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
3. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the nitride film is formed by nitriding a semiconductor on the surface of the semiconductor wafer.
【請求項4】 前記窒化膜は、キャパシタの誘電体膜も
しくはトランジスタのゲート絶縁膜に用いることを特徴
とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の半導体
装置の製造方法。
4. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the nitride film is used as a dielectric film of a capacitor or a gate insulating film of a transistor.
【請求項5】 前記ガス温度は、1400℃以上である
ことを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれかに記
載の半導体装置の製造方法。
5. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the gas temperature is 1400 ° C. or higher.
【請求項6】 外側が加熱装置で囲まれた外管と、 内部が半導体ウェーハを収容するプロセス室として用い
られ、前記外管に内挿された内管と、 前記内管と外管との空間に形成されたプロセスガス通路
と、 前記プロセスガス通路を通って前記プロセス室に窒素ガ
スを含むプロセスガスを導く前記プロセス室に形成され
たゲートとを具備し、 前記プロセス室は活性な窒素雰囲気で満たされた状態で
半導体ウェーハが配置され処理されることを特徴とする
絶縁膜を形成する半導体製造装置。
6. An outer tube whose outer side is surrounded by a heating device, an inner tube which is used as a process chamber for housing a semiconductor wafer inside, and is inserted into the outer tube, and the inner tube and the outer tube. A process gas passage formed in the space; and a gate formed in the process chamber for introducing a process gas containing nitrogen gas into the process chamber through the process gas passage, wherein the process chamber has an active nitrogen atmosphere. A semiconductor manufacturing apparatus for forming an insulating film, characterized in that a semiconductor wafer is placed and processed in a state filled with.
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