JP3588994B2 - Method of forming oxide film and method of manufacturing p-type semiconductor device - Google Patents

Method of forming oxide film and method of manufacturing p-type semiconductor device Download PDF

Info

Publication number
JP3588994B2
JP3588994B2 JP32624397A JP32624397A JP3588994B2 JP 3588994 B2 JP3588994 B2 JP 3588994B2 JP 32624397 A JP32624397 A JP 32624397A JP 32624397 A JP32624397 A JP 32624397A JP 3588994 B2 JP3588994 B2 JP 3588994B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
oxide film
gas
semiconductor layer
forming
silicon
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP32624397A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPH11162971A (en
Inventor
豊隆 片岡
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sony Corp filed Critical Sony Corp
Priority to JP32624397A priority Critical patent/JP3588994B2/en
Publication of JPH11162971A publication Critical patent/JPH11162971A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP3588994B2 publication Critical patent/JP3588994B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸化膜の形成方法及びp形半導体素子の製造方法、更に詳しくは、表面が窒化された酸化膜の形成方法及びかかる酸化膜の形成方法をゲート酸化膜の形成に適用したp形半導体素子の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
例えば、シリコン半導体基板を基にしたMOS型半導体装置の製造においては、シリコン酸化膜から成るゲート酸化膜をシリコン半導体基板の表面に形成する必要がある。また、薄膜トランジスタ(TFT)の製造においても、絶縁性基板の上に設けられたシリコン層の表面にシリコン酸化膜から成るゲート酸化膜を形成する必要がある。このようなシリコン酸化膜は、半導体装置の信頼性を担っているといっても過言ではない。従って、シリコン酸化膜には、常に、高い絶縁破壊耐圧及び長期信頼性が要求される。
【0003】
半導体装置の高集積化に伴い、MOS型半導体装置のゲート酸化膜も薄膜化されつつあり、ゲート長0.1μm世代の半導体装置におけるゲート酸化膜の厚さは3nm程度になると予想されている。シリコン酸化膜の形成方法は、大きくは、乾燥酸素を酸化種として用いる乾燥酸化法と、水蒸気を酸化種として用いる加湿酸化法の2つに分類される。乾燥酸化法は、加熱されたシリコン半導体基板に十分乾燥した酸素を供給することによってシリコン半導体基板の表面にシリコン酸化膜を形成する方法である。また、加湿酸化法は、水蒸気を含む高温のキャリアガスをシリコン半導体基板に供給することによってシリコン半導体基板の表面にシリコン酸化膜を形成する方法である。一般には、加湿酸化法によって形成されたシリコン酸化膜の方が、乾燥酸化法によって形成されたシリコン酸化膜よりも、信頼性に優れている。
【0004】
加湿酸化法の一種にパイロジェニック酸化法がある。この方法は、加湿酸化法の再現性を高め且つ水量の管理を不要とするために、純粋な水素ガスを燃焼させて水蒸気を生成する方法である。このパイロジェニック法は、最も安定して水蒸気を生成することができるので、均一なシリコン酸化膜を形成することができる。また、水蒸気を生成させるための原料として気体を用いるので、不純物の制御も行い易いといった利点がある。
【0005】
近年、CMOSトランジスタにおいては、低消費電力化のために低電圧化が図られており、そのために、PMOS半導体素子とNMOS半導体素子に対して、十分に低く、しかも対称な閾値電圧が要求される。このような要求に対処するために、PMOS半導体素子においては、これまでのn形不純物を含むポリシリコン層から構成されたゲート電極に替わり、p形不純物を含むポリシリコン層から構成されたゲート電極が用いられるようになっている。ところが、通常用いられるp形不純物であるボロン原子(B)は、ゲート電極形成後の半導体装置製造工程における各種の熱処理によってゲート電極からゲート酸化膜を通過し、シリコン半導体基板にまで容易に到達し、PMOS半導体素子の閾値電圧を変動させる。このような現象は、低電圧化のためにゲート酸化膜を一層薄くした場合、一層顕著に現れる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
薄いシリコン酸化膜を形成しようとした場合、乾燥酸化法と比較すると、加湿酸化法では酸化速度が早いため、例えば、酸化温度を低温とし、しかも酸化時間を短くしなければならない。しかしながら、酸化時間の短縮化は、シリコン酸化膜の膜厚の均一化を妨げるという問題がある。従って、加湿酸化法を採用して薄いシリコン酸化膜を形成する場合、別の方法で酸化速度の抑制を図らなければならない。
【0007】
酸化速度の抑制方法として、減圧下で水蒸気を生成させ、減圧下でシリコン酸化膜を形成する方法がある。このように、減圧下でシリコン酸化膜を形成すれば、酸化種の供給量が少ないので、酸化速度を抑制することができる。しかしながら、かかる減圧下で水蒸気を生成させる方法では、水蒸気を生成させるための水素ガスの燃焼装置の動作が安定しない。即ち、減圧下、安定して水素ガスを燃焼させることが困難であり、その結果、酸化速度を抑制した状態で安定して薄いシリコン酸化膜を形成することが難しいという問題がある。
【0008】
また、上述のボロン原子(B)のシリコン半導体基板への拡散に起因したPMOS半導体素子の閾値電圧の変動を抑制するために、窒素原子をゲート酸化膜中に導入する方法が試みられており、ボロン原子拡散抑制の効果も確認されている。窒素原子をゲート酸化膜中に導入する方法として、例えば、窒素ガス雰囲気で放電を行うことによって窒素プラズマを発生させる、所謂プラズマ窒化法が、文献 ”Ultrathin nitrogen−profile engineered gate dielectric filmes”, S.V. Hattangady, et al., 1996, IEDM から知られている。この文献に記載されたプラズマ窒化法においては、ゲート酸化膜の表面のみが窒化されるため、熱窒化法によるゲート酸化膜中への窒素原子の導入のように、シリコン半導体基板に窒素が侵入することによる電流駆動能力の低下等の半導体素子特性への悪影響がない。
【0009】
しかしながら、この文献に記載されたプラズマ窒化法においては、熱酸化法に基づきシリコン酸化膜の形成を行うため、シリコン酸化膜の形成と、シリコン酸化膜のプラズマ窒化とを別の装置で、しかも2工程の処理にて行う必要がある。即ち、半導体装置の製造工程が増加し、半導体装置の製造時間が延長するといった問題、あるいは又、酸化装置とプラズマ窒化装置の2種類の装置が必要となるといった問題がある。
【0010】
従って、本発明の目的は、薄い酸化膜を安定して加湿酸化法にて形成することができ、しかも、p形半導体素子のゲート電極形成におけるボロン原子の拡散を確実に抑制することを可能にする酸化膜の形成方法及びかかる酸化膜の形成方法をゲート酸化膜の形成に適用したp形半導体素子の製造方法を提供することにある。更に本発明の目的は、1つの装置にて、酸化膜の表面のみを窒化することを可能とする酸化膜の形成方法及びかかる酸化膜の形成方法をゲート酸化膜の形成に適用したp形半導体素子の製造方法を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための本発明の酸化膜の形成方法は、
(イ)水素ガス及び酸素ガスに電磁波を照射することによって水蒸気を生成させ、該水蒸気を用いて半導体層の表面を酸化し、以て半導体層の表面に酸化膜を形成する工程と、
(ロ)窒素系ガスに電磁波を照射することによって生成した励起状態の窒素分子若しくは窒素分子イオンにより該酸化膜の表面を窒化する工程、
から成ることを特徴とする。
【0012】
また、上記の目的を達成するための本発明のp形半導体素子の製造方法は、
(A)半導体層の表面にゲート酸化膜を形成する工程と、
(B)該ゲート酸化膜上にp形不純物を含むシリコン層から成るゲート電極を形成する工程、
を含むp形半導体素子の製造方法であって、
工程(A)は、
(イ)水素ガス及び酸素ガスに電磁波を照射することによって水蒸気を生成させ、該水蒸気を用いて半導体層の表面を酸化し、以て半導体層の表面に酸化膜を形成する工程と、
(ロ)窒素系ガスに電磁波を照射することによって生成した励起状態の窒素分子若しくは窒素分子イオンにより該酸化膜の表面を窒化し、以てゲート酸化膜を形成する工程、
から成ることを特徴とする。
【0013】
本発明のp形半導体素子の製造方法においては、p形不純物を含むシリコン層(例えばポリシリコン層やアモルファスシリコン層)から成るゲート電極の形成は、例えば、p形不純物(例えば、ボロン)を含むシリコン層をCVD法に基づき成膜した後にかかるシリコン層をパターニングする方法、不純物を含まないシリコン層をCVD法にて形成した後にp形不純物(例えばボロンやBF)をイオン注入法にてシリコン層に注入し、次いでシリコン層をパターニングする方法、不純物を含まないシリコン層をCVD法にて形成した後にパターニングを行い、次いで、p形不純物(例えばボロンやBF)をイオン注入法にてシリコン層に注入する方法を挙げることができる。尚、工程(B)において、p形不純物を含むシリコン層を形成した後、このシリコン層上にシリサイド層を形成し、次いで、シリサイド層及びシリコン層をパターニングすることによって、ポリサイド構造を有するゲート電極を形成してもよい。
【0014】
本発明の酸化膜の形成方法あるいはp形半導体素子の製造方法(以下、これらを総称して、単に本発明の方法と呼ぶ場合がある)においては、電磁波として、例えば周波数2.45GHzのマイクロ波を用いることができる。水素ガス及び酸素ガスに基づき生成した水蒸気を、窒素、アルゴン、ヘリウム、ネオン、クリプトン、キセノンといった不活性ガスにて希釈した状態で、あるいは又、これらの不活性ガスをキャリアガスとして用いて、半導体層の表面に酸化膜を形成してもよい。
【0015】
本発明において、電磁波を照射すべき窒素系ガスとして、窒素ガス(Nガス)の他にも、NO、NO、NO等、窒素原子と酸素原子の化合物であるガスを例示することができる。
【0016】
本発明の方法においては、工程(イ)及び工程(ロ)を同一の処理室内で行うことが、装置構成の簡素化、あるいは酸化膜やゲート酸化膜の形成時間の短縮化の面から好ましい。
【0017】
シリコン半導体基板を基にしてMOS型半導体装置を製造する場合、従来、ゲート酸化膜を成膜する前に、NHOH/H水溶液で洗浄し更にHCl/H水溶液で洗浄するというRCA洗浄によりシリコン半導体基板の表面を洗浄し、その表面から微粒子や金属不純物を除去する。ところで、RCA洗浄を行うと、シリコン半導体基板の表面は洗浄液と反応し、厚さ0.5〜1nm程度のシリコン酸化膜が形成される。かかるシリコン酸化膜の膜厚は不均一であり、しかも、このシリコン酸化膜中には洗浄液成分が残留する。そこで、フッ化水素酸水溶液にシリコン半導体基板を浸漬して、かかるシリコン酸化膜を除去し、更に純水で薬液成分を除去する。これによって、大部分が水素で終端され、極一部がフッ素で終端されたシリコン半導体基板の表面を得ることができる。尚、このような工程によって、大部分が水素で終端され、極一部がフッ素で終端されたシリコン半導体基板の表面を得ることを、本明細書では、シリコン半導体基板の表面を露出させると表現する。その後、かかるシリコン半導体基板の表面にシリコン酸化膜を形成する。
【0018】
ところで、加湿酸化法に基づきシリコン酸化膜を形成する前の雰囲気を高温の窒素ガス雰囲気とすると、シリコン半導体基板の表面に荒れ(凹凸)が生じる。このような現象は、フッ化水素酸水溶液及び純水での洗浄によってシリコン半導体基板の表面に形成されたSi−H結合の一部あるいは又Si−F結合の一部が、水素やフッ素の昇温脱離によって失われ、シリコン半導体基板の表面にエッチング現象が生じることに起因すると考えられている。例えば、アルゴンガス中でシリコン半導体基板を600゜C以上に昇温するとシリコン半導体基板の表面に激しい凹凸が生じることが、培風館発行、大見忠弘著「ウルトラクリーンULSI技術」、第21頁に記載されている。
【0019】
従って、このような半導体層の表面に荒れ(凹凸)が発生するといった現象の発生を回避するために、本発明の方法においては、工程(イ)において、半導体層の表面から半導体層を主に構成する原子が脱離しない温度に半導体層を保持した状態にて、半導体層の表面に酸化膜の形成を開始することが好ましい。尚、半導体層の表面から半導体層を主に構成する原子が脱離しない温度は、半導体層表面を終端している原子と半導体層を主に構成する原子との結合が切断されない温度であることが望ましい。半導体層を主に構成する原子がSiである場合、即ち、半導体層がシリコン半導体基板、単結晶シリコン層、ポリシリコン層あるいはアモルファスシリコン層から構成されている場合、半導体層の表面から半導体層を主に構成する原子が脱離しない温度を、半導体層表面のSi−H結合が切断されない温度、あるいは又、半導体層表面のSi−F結合が切断されない温度とすることが望ましい。面方位が(100)のシリコン半導体基板を半導体層として用いる場合、シリコン半導体基板の表面における水素原子の大半がシリコン原子の2本の結合手のそれぞれに1つずつ結合しており、H−Si−Hの終端構造を有する。然るに、シリコン半導体基板の表面状態が崩れた部分(例えばステップ形成箇所)には、シリコン原子の1本の結合手のみに水素原子が結合した状態の終端構造、あるいは、シリコン原子の3本の結合手のそれぞれに水素原子が結合した状態の終端構造が存在する。尚、通常、シリコン原子の残りの結合手は結晶内部のシリコン原子と結合している。本明細書における「Si−H結合」という表現には、シリコン原子の2本の結合手のそれぞれに水素原子が結合した状態の終端構造、シリコン原子の1本の結合手のみに水素原子が結合した状態の終端構造、あるいは、シリコン原子の3本の結合手のそれぞれに水素原子が結合した状態の終端構造の全てが包含される。半導体層の表面に酸化膜の形成を開始するときの温度は、より具体的には、水蒸気が半導体層上で結露しない温度以上、好ましくは200゜C以上、より好ましくは300゜C以上とすることが、スループットの面から望ましい。
【0020】
本発明の方法においては、工程(イ)において、酸化膜の形成が完了したときの半導体層の温度を、酸化膜の形成を開始する際の半導体層の温度よりも高くしてもよい。この場合、酸化膜の形成が完了したときの半導体層の温度は、600乃至1200゜C、好ましくは700乃至1000゜C、更に好ましくは750乃至900゜Cであることが望ましいが、このような値に限定するものではない。尚、階段状(ステップ状)に昇温してもよく、あるいは又、連続的に昇温してもよい。
【0021】
昇温を階段状にて行う場合、半導体層の表面から半導体層を主に構成する原子が脱離しない温度にて半導体層の表面に酸化膜の形成を開始した後、所定の期間、半導体層の表面から半導体層を主に構成する原子が脱離しない温度範囲に半導体層を保持して酸化膜を形成する第1の酸化膜形成工程と、半導体層の表面から半導体層を主に構成する原子が脱離しない温度範囲よりも高い温度にて、所望の厚さになるまで酸化膜を更に形成する第2の酸化膜形成工程を含むことが好ましい。第2の酸化膜形成工程における酸化膜の形成温度は、600乃至1200゜C、好ましくは700乃至1000゜C、更に好ましくは750乃至900゜Cであることが望ましい。尚、第1の酸化膜形成工程における半導体層の保持温度範囲の上限としては、500゜C、好ましくは450゜C以下、より好ましくは400゜Cを挙げることができる。第2の酸化膜形成工程を経た後の最終的な酸化膜の膜厚は、半導体素子に要求される所定の厚さとすればよい。一方、第1の酸化膜形成工程を経た後の酸化膜の膜厚は、出来る限り薄いことが好ましい。但し、現在、半導体装置の製造に用いられているシリコン半導体基板の面方位は殆どの場合(100)であり、如何にシリコン半導体基板の表面を平滑化しても(100)シリコンの表面には必ずステップと呼ばれる段差が形成される。このステップは通常シリコン原子1層分であるが、場合によっては2〜3層分の段差が形成されることがある。従って、第1の酸化膜形成工程を経た後の酸化膜の膜厚は、半導体層として(100)シリコン半導体基板を用いる場合、1nm以上とすることが好ましいが、これに限定するものではない。
【0022】
第1の酸化膜形成工程と第2の酸化膜形成工程との間に昇温工程を含んでもよい。この場合、昇温工程における雰囲気を、不活性ガス雰囲気若しくは減圧雰囲気とするか、あるいは又、水蒸気を含む酸化雰囲気とすることが望ましい。ここで、不活性ガスとして、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガスを例示することができる。尚、昇温工程における雰囲気中の不活性ガス若しくは水蒸気を含むガスには、ハロゲン元素が含有されていてもよい。これによって、第1の酸化膜形成工程にて形成された酸化膜の特性の一層の向上を図ることができる。即ち、半導体層を主に構成する原子がSiの場合、第1の酸化膜形成工程において生じ得る欠陥であるシリコンダングリングボンド(Si・)やSiOHが昇温工程においてハロゲン元素と反応し、シリコンダングリングボンドが終端しあるいは脱水反応を生じる結果、信頼性劣化因子であるこれらの欠陥が排除される。特に、これらの欠陥の排除は、第1の酸化膜形成工程において形成された初期のシリコン酸化膜に対して効果的である。ハロゲン元素として、塩素、臭素、フッ素を挙げることができるが、なかでも塩素であることが望ましい。不活性ガス若しくは水蒸気を含むガス中に含有されるハロゲン元素の形態としては、例えば、塩化水素(HCl)、CCl、CHCl、Cl、HBr、NFを挙げることができる。不活性ガス若しくは水蒸気を含むガス中のハロゲン元素の含有率は、分子又は化合物の形態を基準として、0.001〜10容量%、好ましくは0.005〜10容量%、更に好ましくは0.02〜10容量%である。例えば塩化水素ガスを用いる場合、不活性ガス若しくは水蒸気を含むガス中の塩化水素ガス含有率は0.02〜10容量%であることが望ましい。尚、昇温工程における雰囲気を、不活性ガスで希釈された水蒸気を含む雰囲気とすることもできる。
【0023】
本発明の方法においては、酸化膜の形成中の水蒸気を含むガス雰囲気にハロゲン元素を含有させてもよい。これによって、タイムゼロ絶縁破壊(TZDB)特性及び経時絶縁破壊(TDDB)特性に優れた酸化膜を得ることができる。尚、ハロゲン元素として、塩素、臭素、フッ素を挙げることができるが、なかでも塩素であることが望ましい。水蒸気を含むガス中に含有されるハロゲン元素の形態としては、例えば、塩化水素(HCl)、CCl、CHCl、Cl、HBr、NFを挙げることができる。水蒸気を含むガス中のハロゲン元素の含有率は、分子又は化合物の形態を基準として、0.001〜10容量%、好ましくは0.005〜10容量%、更に好ましくは0.02〜10容量%である。例えば塩化水素ガスを用いる場合、水蒸気を含むガス中の塩化水素ガス含有率は0.02〜10容量%であることが望ましい。
【0024】
形成された酸化膜の特性を一層向上させるために、本発明の方法においては、工程(イ)と工程(ロ)の間で、形成された酸化膜に熱処理を施すことが好ましい。
【0025】
この場合、熱処理の雰囲気を、ハロゲン元素を含有する不活性ガス雰囲気とすることが望ましい。ハロゲン元素を含有する不活性ガス雰囲気中で酸化膜を熱処理することによって、タイムゼロ絶縁破壊(TZDB)特性及び経時絶縁破壊(TDDB)特性に優れた酸化膜を得ることができる。熱処理における不活性ガスとしては、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガスを例示することができる。また、ハロゲン元素として、塩素、臭素、フッ素を挙げることができるが、なかでも塩素であることが望ましい。不活性ガス中に含有されるハロゲン元素の形態としては、例えば、塩化水素(HCl)、CCl、CHCl、Cl、HBr、NFを挙げることができる。不活性ガス中のハロゲン元素の含有率は、分子又は化合物の形態を基準として、0.001〜10容量%、好ましくは0.005〜10容量%、更に好ましくは0.02〜10容量%である。例えば塩化水素ガスを用いる場合、不活性ガス中の塩化水素ガス含有率は0.02〜10容量%であることが望ましい。
【0026】
尚、本発明の方法においては、同一処理室内で熱処理を行うことが好ましい。熱処理の温度は、700〜1200゜C、好ましくは700〜1000゜C、更に好ましくは700〜950゜Cである。また、熱処理の時間は、枚葉処理にて行う場合、1〜10分とすることが好ましく、バッチ式にて行う場合、5〜60分、好ましくは10〜40分、更に好ましくは20〜30分とすることが望ましい。
【0027】
本発明の方法において熱処理を行う場合、形成された酸化膜に熱処理を施す際の雰囲気温度を、酸化膜の形成が完了したときの温度よりも高くすることが望ましい。この場合、酸化膜の形成が完了した後、処理室内の雰囲気を不活性ガス雰囲気に切り替えた後、熱処理を施すための雰囲気温度まで昇温してもよいが、雰囲気をハロゲン元素を含有する不活性ガス雰囲気に切り替えた後、熱処理を施すための雰囲気温度まで昇温することが好ましい。ここで、不活性ガスとしては、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガスを例示することができる。ハロゲン元素として、塩素、臭素、フッ素を挙げることができるが、なかでも塩素であることが望ましい。また、不活性ガス中に含有されるハロゲン元素の形態としては、例えば、塩化水素(HCl)、CCl、CHCl、Cl、HBr、NFを挙げることができる。不活性ガス中のハロゲン元素の含有率は、分子又は化合物の形態を基準として、0.001〜10容量%、好ましくは0.005〜10容量%、更に好ましくは0.02〜10容量%である。例えば塩化水素ガスを用いる場合、不活性ガス中の塩化水素ガス含有率は0.02〜10容量%であることが望ましい。
【0028】
通常、シリコン半導体基板の表面にシリコン酸化膜を形成する前に、NHOH/H水溶液で洗浄し更にHCl/H水溶液で洗浄するというRCA洗浄によりシリコン半導体基板の表面を洗浄し、その表面から微粒子や金属不純物を除去した後、フッ化水素酸水溶液及び純水によるシリコン半導体基板の洗浄を行う。ところが、その後、シリコン半導体基板が大気に曝されると、シリコン半導体基板の表面が汚染され、水分や有機物がシリコン半導体基板の表面に付着し、あるいは又、シリコン半導体基板表面のSi原子が水酸基(OH)と結合する虞がある(例えば、文献 ”Highly−reliable Gate Oxide Formation for Giga−Scale LSIs by using Closed Wet Cleaning System and Wet Oxidation with Ultra−Dry Unloading”, J. Yugami, et al., International Electron Device Meeting Technical Digest 95, pp 855−858 参照)。このような場合、そのままの状態で酸化膜の形成を開始すると、形成されたシリコン酸化膜中に水分や有機物、あるいは又、例えばSi−OHが取り込まれ、形成されたシリコン酸化膜の特性低下あるいは欠陥部分の発生の原因となり得る。尚、欠陥部分とは、シリコンダングリングボンド(Si・)やSi−H結合といった欠陥が含まれるシリコン酸化膜の部分、あるいは又、Si−O−Si結合が応力によって圧縮され若しくはSi−O−Si結合の角度が厚い若しくはバルクのシリコン酸化膜中のSi−O−Si結合の角度と異なるといったSi−O−Si結合が含まれたシリコン酸化膜の部分を意味する。それ故、このような問題の発生を回避するために、本発明の方法においては、酸化膜の形成の前に半導体層表面を洗浄する工程を含み、表面洗浄後の半導体層を大気に曝すことなく(即ち、例えば、半導体層表面の洗浄から酸化膜形成工程の開始までの雰囲気を不活性ガス雰囲気若しくは真空雰囲気とし)、酸化膜の形成を実行することが好ましい。これによって、例えば半導体層としてシリコン半導体基板を用いる場合、大部分が水素で終端され、極一部がフッ素で終端された表面を有するシリコン半導体基板の表面にシリコン酸化膜を形成することができ、形成されたシリコン酸化膜の特性低下あるいは欠陥部分の発生を防止することができる。
【0029】
酸化膜の形成においては、処理室内に水素ガス及び酸素ガスを導入するが、この際、水素ガスが処理室内に流入し、系外に流出することによって爆鳴気反応が生じることを防止するために、処理室内に水素ガスを導入する前に酸素ガスを導入することが望ましい。然るに、酸素ガスの処理室内への導入によって半導体層に酸化膜が形成される虞がある。このような酸化膜はドライ酸化膜であり、加湿酸化法にて形成される酸化膜よりも特性が劣っている。このようなドライ酸化膜の形成を確実に防止するためには、例えば、酸化膜の形成開始前に、処理室内に窒素ガス等の不活性ガスで希釈した水素ガスを先ず導入し、次いで、処理室内に酸素ガスを導入すればよい。但し、この場合には、爆鳴気反応の発生を確実に防止するために、水素ガスの濃度を、水素ガスが酸素ガスと反応して燃焼しないような濃度、具体的には、空気中での爆轟範囲以下(空気との容量%で表した場合、18.3容量%以下)、好ましくは空気中での燃焼範囲以下(空気との容量%で表した場合、4.0容量%以下)、あるいは又、酸素中での爆轟範囲以下(酸素との容量%で表した場合、15.0容量%以下)、好ましくは酸素中での燃焼範囲以下(酸素との容量%で表した場合、4.5容量%以下)となるような濃度とすることが望ましい。
【0030】
半導体層としては、シリコン単結晶ウエハといったシリコン半導体基板だけでなく、半導体基板上にエピタキシャルシリコン層、ポリシリコン層、あるいはアモルファスシリコン層、更には、シリコン半導体基板やこれらの層に半導体素子が形成されたもの等、酸化膜を形成すべき下地を意味する。半導体層に酸化膜を形成するとは、半導体基板等の上若しくは上方に形成された半導体層に酸化膜を形成する場合だけでなく、半導体基板の表面に酸化膜を形成する場合を含む。尚、シリコン単結晶ウエハは、CZ法、MCZ法、DLCZ法、FZ法等、如何なる方法で作製されたウエハであってもよく、また、予め水素アニールが加えられたものでもよい。また、半導体層はSi−Geから構成されていてもよい。
【0031】
本発明の酸化膜の形成方法は、例えばMOS型トランジスタのゲート酸化膜、層間絶縁膜や素子分離領域の形成、トップゲート型若しくはボトムゲート型薄膜トランジスタのゲート酸化膜の形成、フラッシュメモリのトンネル酸化膜の形成等、各種半導体装置における酸化膜の形成に適用することができる。
【0032】
マイクロ波放電によって生成した酸素プラズマにおいては、基底状態O(XΣg)は電子の衝突によって励起状態O(AΣu)又はO(BΣu)に励起され、それぞれ、以下の式のように酸素原子に解離する。
【0033】
【化1】
(XΣg)+ e → O(AΣu)+ e 式(1−1)
(AΣu)+ e → O(P)+O(P)+ e 式(1−2)
(XΣg)+ e → O(BΣu)+ e 式(1−3)
(BΣu)+ e → O(P)+O(D)+ e 式(1−4)
【0034】
従って、酸素プラズマ中には励起酸素分子と酸素原子が存在し、これらが反応種となる。ここに水素Hを導入すると、以下のようなプラズマが生成する。
【0035】
【化2】
+ e → 2H 式(2)
【0036】
そして、酸素プラズマの内、例えば式(1−2)で生成した酸素プラズマと式(2)で生成した水素プラズマが反応して、水蒸気が生成する。そして、加熱された半導体層の表面は、かかる水蒸気によって酸化され、半導体層の表面に酸化膜が形成される。
【0037】
【化3】
2H + O(P) → HO 式(3)
【0038】
本発明の方法においては、このような酸素プラズマと水素プラズマとの反応に基づき水蒸気を生成させるので、例えば減圧下にあっても水蒸気を容易に且つ確実に生成させることが可能となり、酸化速度が制御された状態で加湿酸化法にて薄い酸化膜を形成することができる。
【0039】
一方、窒素系ガスとして窒素(N)ガスを用いる場合、窒素Nは、マイクロ波によるプラズマ中で、例えば、以下の式のように励起される。即ち、プラズマ中に存在する電子が励起され、これと窒素分子との非弾性衝突により励起された窒素分子及び窒素分子イオンが生成される。これらの励起された窒素分子及び窒素分子イオンが酸化膜の表面の半導体層を主に構成する原子と酸素原子との結合(例えば、半導体層を主に構成する原子がSiの場合、Si−O結合)を切断して、窒化酸化物(例えば、Si−O−N結合)が形成され、酸化膜の表面が窒化される。酸化膜の表面の組成は、半導体層を主に構成する原子がSiの場合、SiOで表される。
【0040】
【化4】
(XΣg)+ e → N(AΣu)+ e 式(4−1)
(NΣg)+ e → N(CΠu) + e 式(4−2)
(CΠu)+ e → N(BΠg) + hν 式(4−3)
(BΠg)+ e → N(AΣu)+ hν 式(4−4)
【0041】
本発明の方法においては、水素ガス及び酸素ガス、並びに窒素系ガスに電磁波を照射することに基づき酸化膜若しくはゲート酸化膜の形成を行うので、本質的に1つの酸化膜形成装置内で酸化膜若しくはゲート酸化膜の形成を行うことが可能となり、酸化膜若しくはゲート酸化膜を形成するための装置構成を簡素化することができる。また、水素ガス及び酸素ガスに電磁波を照射することによって水蒸気を生成させるので、酸化速度が抑制・制御された状態で、即ち、例えば減圧下にあっても、水蒸気を容易に且つ確実に生成させることが可能となり、加湿酸化法にて薄い酸化膜を形成することができる。しかも、水蒸気を用いた酸化法によって酸化膜を形成するので、優れた経時絶縁破壊(TDDB)特性を有する酸化膜を得ることができる。
【0042】
また、酸化膜の表面のみを窒化するので、熱窒化法による窒素原子のゲート酸化膜中への導入のように、シリコン半導体基板に窒素が侵入することによる電流駆動能力の低下等の半導体素子特性への悪影響がない。更には、酸化膜を窒化するので、例えばゲート電極形成後の半導体装置製造工程における各種の熱処理によってボロン原子がゲート酸化膜を通過してシリコン半導体基板にまで到達し、PMOS半導体素子の閾値電圧が変動するといった現象を確実に回避することができる。
【0043】
【実施例】
以下、図面を参照して、実施例に基づき本発明を説明する。
【0044】
(実施例1)
本発明の方法の実施に適した枚葉方式の酸化膜形成装置の概念図を図1に示す。この酸化膜形成装置は、処理室10と、半導体層(実施例1においてはシリコン半導体基板20)を載置するステージ11と、処理室10の外部に配設された磁石13と、処理室10の頂部に取り付けられたマイクロ波導波管14と、処理室10の頂部に配設されたガス導入部16A,16B,16Cから構成されている。処理室10は、プラズマ発生領域10Aと、反応領域10Bから構成されている。また、シリコン半導体基板20を加熱するための加熱手段12であるランプがステージ11内に納められている。マイクロ波導波管14にはマグネトロン15が取り付けられ、マグネトロン15によって2.45GHzのマイクロ波が生成させられ、マイクロ波導波管14を介してかかるマイクロ波は処理室10のプラズマ発生領域10Aに導入される。更には、ガス導入部16A,16B,16Cのそれぞれから処理室10内に水素ガス、酸素ガス、窒素ガスが導入される。また、処理室10の側面に配設されたガス導入部17から処理室10内に不活性ガス(例えば窒素ガス)が導入される。処理室10内に導入された各種のガスは、処理室10の下部に設けられたガス排気部18から系外に排気される。
【0045】
実施例1においては、半導体層としてシリコン半導体基板を用いた。また、実施例1においては、酸化膜の形成を、半導体層の表面から半導体層を主に構成する原子が脱離しない温度にて半導体層の表面に酸化膜の形成を開始した後、所定の期間、半導体層の表面から半導体層を主に構成する原子が脱離しない温度範囲に半導体層を保持して酸化膜を形成する第1の酸化膜形成工程と、半導体層の表面から半導体層を主に構成する原子が脱離しない温度範囲よりも高い温度にて、所望の厚さになるまで酸化膜を更に形成する第2の酸化膜形成工程から構成した。図1に示した酸化膜形成装置を用いた本発明の酸化膜の形成方法及びp形半導体素子の製造方法を、以下、シリコン半導体基板20等の模式的な一部断面図である図2を参照して説明する。
【0046】
[工程−100]
先ず、リンをドープした直径8インチのN型シリコンウエハ(CZ法にて作製)であるシリコン半導体基板20に、公知の方法でLOCOS構造を有する素子分離領域21を形成し、次いでウエルイオン注入、チャネルストップイオン注入、閾値調整イオン注入を行う。尚、素子分離領域はトレンチ構造を有していてもよいし、LOCOS構造とトレンチ構造の組み合わせであってもよい。その後、RCA洗浄によりシリコン半導体基板20の表面の微粒子や金属不純物を除去し、次いで、0.1%フッ化水素酸水溶液及び純水によるシリコン半導体基板20の表面洗浄を行い、シリコン半導体基板20の表面を露出させる(図2の(A)参照)。尚、シリコン半導体基板20の表面は大半が水素で終端しており、極一部がフッ素で終端されている。
【0047】
[工程−110]
次に、シリコン半導体基板20を、図1に示した酸化膜形成装置に図示しない扉から搬入し、ステージ11に載置した後、ガス導入部17から不活性ガス(例えば窒素ガス)を処理室10内に導入する。そして、加熱手段12によってシリコン半導体基板20を300゜Cに加熱する。尚、この温度においては、半導体層表面のSi−H結合は切断されない。従って、半導体層(実施例1においてはシリコン半導体基板)の表面に凹凸(荒れ)が生じることがない。
【0048】
[工程−120]
その後、希釈用ガスとしての不活性ガス(例えば窒素ガス)をガス導入部17から処理室10内に導入しながら、ガス導入部16A及びガス導入部16Bから処理室10内に水素ガス及び酸素ガスを導入する。併せて、マグネトロン15にマイクロ波電力を供給し、マグネトロン15にて生成した2.45GHzのマイクロ波をマイクロ波導波管14を介して処理室10のプラズマ発生領域10Aに導入する。これによって、即ち、水素ガス及び酸素ガスに電磁波を照射することによって、上述の式(1−1)〜(1−4)の反応、及び式(2)、式(3)の反応が生じ、水蒸気が生成する。発生した水蒸気は処理室10の下方に位置する反応領域10Bに到達し、加熱手段12によって加熱された半導体層(具体的にはシリコン半導体基板20)の表面が酸化される。こうして、半導体層の表面に酸化膜(実施例1においてはシリコン酸化膜)を形成することができる。酸化膜の形成条件を、以下の表1に例示する。尚、この第1の酸化膜形成工程において、厚さ1nmの酸化膜を形成する。
【0049】
【表1】
マイクロ波電力 :10kW
マイクロ波周波数:2.45GHz
酸素ガス流量 :10SLM
水素ガス流量 :0.2SLM
不活性ガス流量 :10SLM
基板温度 :300゜C
【0050】
[工程−130]
その後、マグネトロン15へのマイクロ波電力の供給、処理室10への水素ガス及び酸素ガスの導入を中止し、ガス導入部17からの不活性ガスの処理室10内への導入を継続しながら、加熱手段12によってシリコン半導体基板を800゜Cまで昇温する。尚、半導体層の表面に既に酸化膜が形成されているので、この昇温工程において半導体層(実施例1においてはシリコン半導体基板)の表面に凹凸(荒れ)が生じることがない。次いで、再び、ガス導入部16A及びガス導入部16Bから処理室10内に水素ガス及び酸素ガスを導入する。併せて、再び、マグネトロン15にマイクロ波電力を供給し、マグネトロン15にて生成した2.45GHzのマイクロ波をマイクロ波導波管14を介して処理室10のプラズマ発生領域10Aに導入する。これによって、即ち、水素ガス及び酸素ガスに電磁波を照射することによって、上述の式(1−1)〜(1−4)の反応、及び式(2)、式(3)の反応が生じ、水蒸気が生成する。発生した水蒸気は処理室10の下方に位置する反応領域10Bに到達し、加熱手段12によって加熱された半導体層(具体的にはシリコン半導体基板)の表面を更に酸化する。こうして、半導体層の表面に総厚4nmの酸化膜(実施例1においてはシリコン酸化膜)を形成する。この第2の酸化膜形成工程における酸化膜の形成条件を、以下の表2に例示する。
【0051】
【表2】
マイクロ波電力 :10kW
マイクロ波周波数:2.45GHz
酸素ガス流量 :10SLM
水素ガス流量 :0.2SLM
不活性ガス流量 :10SLM
基板温度 :800゜C
【0052】
[工程−140]
酸化膜の形成完了後、マグネトロン15へのマイクロ波電力の供給、処理室10への水素ガス及び酸素ガスの導入を中止し、シリコン半導体基板20を室温まで冷却する。次いで、ガス導入部17からの不活性ガスの処理室10内への導入を中止する。その後、ガス導入部16Cから処理室10に、窒素系ガスである窒素ガスを導入する。併せて、マグネトロン15にマイクロ波電力を供給し、マグネトロン15にて生成した2.45GHzのマイクロ波をマイクロ波導波管14を介して処理室10のプラズマ発生領域10Aに導入する。これによって、即ち、窒素ガスに電磁波を照射することによって上述の式(4−1)〜(4−4)の反応にて生成した励起状態の窒素分子若しくは窒素分子イオンが処理室10の下方に位置する反応領域10Bに到達し、酸化膜(具体的にはシリコン酸化膜)の表面が窒化される。こうして、表面が窒化された酸化膜22(実施例1においてはシリコン酸化膜であり、ゲート酸化膜に相当する)を半導体層の表面に形成することができる。この状態を図2の(B)に模式的に示す。尚、図においては酸化膜の窒化された部分の図示を省略した。窒化の条件を、以下の表3に例示する。尚、シリコン半導体基板の温度を室温にする理由は、窒化処理において窒素原子がシリコン半導体基板内に拡散することを抑制するためである。
【0053】
【表3】
マイクロ波電力 :1kW
マイクロ波周波数:2.45GHz
窒素ガス流量 :0.4SLM
圧力 :0.16Pa
基板温度 :室温(25゜C)
【0054】
[工程−150]
その後、酸化膜形成装置から半導体層を搬出し、次いで、公知のCVD装置に半導体層を搬入する。そして、全面に不純物を含んでいないシリコン層(実施例1においてはポリシリコン層)をCVD法にて成膜する。次いで、フォトリソグラフィ技術及びドライエッチング技術に基づきシリコン層をパターニングする。そして、シリコン層及びシリコン半導体基板にボロンイオンをイオン注入法にて注入する。これによって、ゲート酸化膜上にp形不純物を含むシリコン層(具体的にはポリシリコン層)から成るゲート電極23を形成することができ、併せて、LDD構造を形成することができる(図2の(C)参照)。
【0055】
[工程−160]
次に、全面に絶縁膜を形成し、異方性ドライエッチング技術に基づき絶縁膜をエッチングして、ゲート電極23の側壁にサイドウオール24を形成する。次いで、ソース/ドレイン領域25を形成するために、シリコン半導体基板にボロンイオンをイオン注入法にて注入した後、イオン注入された不純物の活性化熱処理を行う。その後、全面に絶縁層26をCVD法にて成膜し、ソース/ドレイン領域25の上方の絶縁層26に開口部を設け、かかる開口部内を含む絶縁層26の上に配線材料層をスパッタ法にて形成し、配線材料層をパターニングすることによって配線27を形成し、図2の(D)に模式的な一部断面図を示すp形半導体素子を得ることができる。
【0056】
(実施例2)
実施例2は、実施例1の酸化膜の形成方法及びp形半導体素子の製造方法の変形である。実施例2が実施例1と相違する点は、半導体層の表面に酸化膜を形成する工程と、酸化膜の表面を窒化する工程との間で、形成された酸化膜に熱処理を施す点にある。以下、実施例2の酸化膜の形成方法及びp形半導体素子の製造方法を説明する。尚、実施例2においても図1に示した酸化膜形成装置を用いる。
【0057】
[工程−200]
実施例1の[工程−100]〜[工程−130]と同様の工程を実行することによって、半導体層(実施例2においてはシリコン半導体基板)の表面に総厚4nmの酸化膜(実施例2においてはシリコン酸化膜)を形成する。
【0058】
[工程−210]
その後、マグネトロン15へのマイクロ波電力の供給、処理室10への水素ガス及び酸素ガスの導入を中止し、ガス導入部17からの不活性ガスの処理室10内への導入を継続しながら、加熱手段12によってシリコン半導体基板を850゜Cまで昇温する。次いで、塩化水素ガスを0.1容量%含有する窒素ガスをガス導入部17から処理室10内に導入し、5分間、熱処理を行う。これによって、タイムゼロ絶縁破壊(TZDB)特性及び経時絶縁破壊(TDDB)特性に優れた酸化膜を得ることができる。
【0059】
[工程−220]
その後、ガス導入部17からの塩化水素ガスを0.1容量%含有する窒素ガスの処理室10への導入を中止し、ガス導入部17から不活性ガス(例えば窒素ガス)を処理室10へ導入する。そして、シリコン半導体基板を室温まで冷却した後、実施例1の[工程−140]〜[工程−160]と同様の工程を実行することによって、p形半導体素子を得ることができる。
【0060】
以上、本発明を好ましい実施例に基づき説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。実施例にて説明した各種の条件や酸化膜形成装置の構造は例示であり、適宜変更することができる。
【0061】
例えば、実施例1の[工程−130]において、マグネトロン15へのマイクロ波電力の供給、処理室10への水素ガス及び酸素ガスの導入を中止することなく加熱手段12によってシリコン半導体基板を800゜Cまで昇温してもよい。また、実施例2の[工程−210]において、不活性ガス(例えば窒素ガス)をガス導入部17から処理室10内に導入しつつシリコン半導体基板の温度を加熱手段によって850゜Cまで昇温したが、その代わりに、例えば塩化水素ガスを0.1容量%含有する不活性ガス(例えば窒素ガス)をガス導入部17から処理室10内に導入しつつ、シリコン半導体基板の温度を加熱手段によって850゜Cまで昇温してもよい。更には、第1の酸化膜形成工程、昇温工程、第2の酸化膜形成工程のそれぞれにおける雰囲気に、例えば塩化水素ガスを含ませてもよい。
【0062】
実施例においては、専らシリコン半導体基板の表面にシリコン酸化膜を形成したが、本発明の酸化膜の形成方法に基づき、基板の上に成膜されたエピタキシャルシリコン層にシリコン酸化膜を形成することもできるし、基板の上に形成された絶縁層の上に成膜されたポリシリコン層あるいはアモルファスシリコン層等の表面にシリコン酸化膜を形成することもできる。あるいは又、SOI構造におけるシリコン層の表面にシリコン酸化膜を形成してもよいし、半導体素子や半導体素子の構成要素が形成された基板やこれらの上に成膜されたシリコン層の表面にシリコン酸化膜を形成してもよい。更には、半導体素子や半導体素子の構成要素が形成された基板やこれらの上に成膜された下地絶縁層の上に形成されたシリコン層の表面にシリコン酸化膜を形成してもよい。窒化処理を含む酸化膜の形成は、枚葉方式だけでなく、複数の半導体層を同時に処理するバッチ方式にて行うこともできる。
【0063】
あるいは又、実施例において0.1%フッ化水素酸水溶液及び純水により半導体層の表面洗浄を行った後、半導体層を酸化膜形成装置に搬入したが、半導体層の表面洗浄から酸化膜形成装置への搬入までの雰囲気を、不活性ガス(例えば窒素ガス)雰囲気としてもよい。尚、このような雰囲気は、例えば、半導体層の表面洗浄装置の雰囲気を不活性ガス雰囲気とし、且つ、不活性ガスが充填された搬送用ボックス内に半導体層(例えばシリコン半導体基板)を納めて酸化膜形成装置に搬入する方法や、図3に模式図を示すように、表面洗浄装置、酸化膜形成装置、搬送路、ローダー及びアンローダーから構成されたクラスターツール装置を用い、表面洗浄装置から酸化膜形成装置までを搬送路で結び、かかる表面洗浄装置、搬送路及び酸化膜形成装置の処理室の雰囲気を不活性ガス雰囲気とする方法によって達成することができる。
【0064】
あるいは又、0.1%フッ化水素酸水溶液及び純水により半導体層の表面洗浄を行う代わりに、表4に例示する条件にて、無水フッ化水素ガスを用いた気相洗浄法によって半導体層の表面洗浄を行ってもよい。尚、パーティクルの発生防止のためにメタノールを添加する。あるいは又、表5に例示する条件にて、塩化水素ガスを用いた気相洗浄法によって半導体層の表面洗浄を行ってもよい。尚、半導体層の表面洗浄開始前あるいは表面洗浄完了後における表面洗浄装置内の雰囲気や搬送路等内の雰囲気は、不活性ガス雰囲気としてもよいし、例えば1.3×10−1Pa(10−3Torr)程度の真空雰囲気としてもよい。尚、搬送路等内の雰囲気を真空雰囲気とする場合には、半導体層を搬入する際の酸化膜形成装置の処理室10の雰囲気を例えば1.3×10−1Pa(10−3Torr)程度の真空雰囲気としておき、半導体層の搬入完了後、処理室10の雰囲気を不活性ガス(例えば窒素ガス)雰囲気とすればよい。
【0065】
【表4】
無水フッ化水素ガス:300SCCM
メタノール蒸気 :80SCCM
窒素ガス :1000SCCM
圧力 :0.3Pa
温度 :60゜C
【0066】
【表5】
塩化水素ガス/窒素ガス:1容量%
温度 :800゜C
【0067】
これらの方法を採用することによって、酸化膜の形成前に半導体層の表面を汚染等の無い状態に保つことができる結果、形成された酸化膜中に水分や有機物、あるいは又、例えばSi−OHが取り込まれ、形成された酸化膜の特性が低下しあるいは欠陥部分が発生することを、効果的に防ぐことができる。
【0068】
先に説明したように、酸化膜の形成においては、処理室10内に水素ガス及び酸素ガスを導入するが、この際、水素ガスが処理室10内に流入し、系外に流出することによって爆鳴気反応が生じることを防止するため、且つ、半導体層にドライ酸化膜が形成されることを防止するために、例えば、実施例1の[工程−120]において、ガス導入部17から処理室10内に例えば流量10SLMの希釈用ガスとしての不活性ガス(例えば窒素ガス)を導入しながら、ガス導入部16Aから処理室10内に流量0.2SLMの水素ガスを導入し、その後、例えばガス導入部16Bから処理室10内に例えば流量10SLMの酸素ガスを導入すればよい。次いで、マグネトロン15にマイクロ波電力を供給し、マグネトロン15にて生成した2.45GHzのマイクロ波をマイクロ波導波管14を介して処理室10のプラズマ発生領域10Aに導入する。このような操作によって、水蒸気生成前の処理室10内における水素ガス濃度は十分に低い値となり、爆鳴気反応が生じることを確実に防止することができ、しかも、ドライ酸化膜の形成を確実に防止することができる。
【0069】
【発明の効果】
本発明においては、本質的に1つの酸化膜形成装置内で酸化膜若しくはゲート酸化膜の形成を行うことが可能となり、酸化膜若しくはゲート酸化膜の形成のための装置が1つで済み、装置構成を簡素化することができる。また、酸化速度が抑制・制御された状態で水蒸気を容易に且つ確実に生成させることが可能となり、加湿酸化法にて薄い酸化膜を形成することができる。しかも、水蒸気を用いた酸化法によって酸化膜を形成するので、優れた経時絶縁破壊(TDDB)特性を有する酸化膜を得ることができる。加えて、酸化膜の表面のみを窒化するので、電流駆動能力の低下等の半導体素子特性への悪影響がない。更には、酸化膜を窒化するので、例えばゲート電極形成後の半導体装置製造工程における各種の熱処理によってp形不純物がゲート酸化膜を通過して半導体層まで到達する結果、PMOS半導体素子の閾値電圧が変動するといった現象を確実に回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の方法の実施に適した酸化膜形成装置の概念図である。
【図2】実施例1の酸化膜の形成方法を説明するためのシリコン半導体基板等の模式的な一部断面図である。
【図3】クラスターツール装置の模式図である。
【符号の説明】
10・・・処理室、10A・・・プラズマ発生領域、10B・・・反応領域、11・・・ステージ、12・・・加熱手段、13・・・磁石、14・・・マイクロ波導波管、15・・・マグネトロン、16A,16B,16C,17・・・ガス導入部、18・・・ガス排気部、20・・・シリコン半導体基板、21・・・素子分離領域、22・・・酸化膜(ゲート酸化膜)、23・・・ゲート電極、24・・・サイドウオール、25・・・ソース/ドレイン領域、26・・・絶縁層、27・・・配線
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method of forming an oxide film and a method of manufacturing a p-type semiconductor device, and more particularly, to a method of forming an oxide film having a nitrided surface and a method of applying such an oxide film to the formation of a gate oxide film. The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device.
[0002]
[Prior art]
For example, in manufacturing a MOS type semiconductor device based on a silicon semiconductor substrate, it is necessary to form a gate oxide film made of a silicon oxide film on the surface of the silicon semiconductor substrate. Also, in manufacturing a thin film transistor (TFT), it is necessary to form a gate oxide film made of a silicon oxide film on the surface of a silicon layer provided on an insulating substrate. It is not an exaggeration to say that such a silicon oxide film is responsible for the reliability of the semiconductor device. Therefore, the silicon oxide film is always required to have high dielectric breakdown voltage and long-term reliability.
[0003]
With the increase in the degree of integration of semiconductor devices, the thickness of the gate oxide film of a MOS type semiconductor device is also becoming thinner, and it is expected that the thickness of the gate oxide film in a semiconductor device having a gate length of 0.1 μm will be about 3 nm. The methods for forming the silicon oxide film are roughly classified into two methods, a dry oxidation method using dry oxygen as an oxidizing species and a humidifying oxidation method using steam as an oxidizing species. The dry oxidation method is a method for forming a silicon oxide film on the surface of a silicon semiconductor substrate by supplying sufficiently dried oxygen to a heated silicon semiconductor substrate. Further, the humidification oxidation method is a method in which a silicon oxide film is formed on the surface of a silicon semiconductor substrate by supplying a high-temperature carrier gas containing water vapor to the silicon semiconductor substrate. In general, a silicon oxide film formed by a humidification oxidation method has higher reliability than a silicon oxide film formed by a dry oxidation method.
[0004]
One type of humidification oxidation method is pyrogenic oxidation method. This method is a method of generating water vapor by burning pure hydrogen gas in order to enhance the reproducibility of the humidification oxidation method and eliminate the need for controlling the amount of water. This pyrogenic method can generate water vapor most stably, so that a uniform silicon oxide film can be formed. In addition, since a gas is used as a raw material for generating steam, there is an advantage that impurities can be easily controlled.
[0005]
2. Description of the Related Art In recent years, the voltage of CMOS transistors has been reduced in order to reduce power consumption. For this reason, sufficiently low and symmetric threshold voltages are required for PMOS semiconductor devices and NMOS semiconductor devices. . In order to cope with such a demand, in a PMOS semiconductor device, a gate electrode composed of a polysilicon layer containing a p-type impurity is replaced with a gate electrode composed of a polysilicon layer containing an n-type impurity. Is used. However, boron atoms (B), which are commonly used p-type impurities, easily pass from the gate electrode to the silicon semiconductor substrate through the gate oxide film by various heat treatments in the semiconductor device manufacturing process after the gate electrode is formed. , The threshold voltage of the PMOS semiconductor element is varied. Such a phenomenon becomes more conspicuous when the gate oxide film is made thinner to reduce the voltage.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
When an attempt is made to form a thin silicon oxide film, the humidification oxidation method has a higher oxidation rate than the dry oxidation method. For example, it is necessary to lower the oxidation temperature and shorten the oxidation time. However, there is a problem that shortening the oxidation time prevents uniformization of the thickness of the silicon oxide film. Therefore, when a thin silicon oxide film is formed by using the humidifying oxidation method, the oxidation rate must be suppressed by another method.
[0007]
As a method for suppressing the oxidation rate, there is a method in which water vapor is generated under reduced pressure and a silicon oxide film is formed under reduced pressure. As described above, when the silicon oxide film is formed under reduced pressure, the supply rate of the oxidizing species is small, so that the oxidation rate can be suppressed. However, in the method of generating steam under such reduced pressure, the operation of the hydrogen gas combustion device for generating steam is not stable. That is, it is difficult to stably burn hydrogen gas under reduced pressure, and as a result, there is a problem that it is difficult to stably form a thin silicon oxide film while suppressing the oxidation rate.
[0008]
Further, in order to suppress the fluctuation of the threshold voltage of the PMOS semiconductor element due to the diffusion of the boron atoms (B) into the silicon semiconductor substrate, a method of introducing nitrogen atoms into the gate oxide film has been attempted. The effect of suppressing boron atom diffusion has also been confirmed. As a method for introducing nitrogen atoms into a gate oxide film, for example, a so-called plasma nitriding method for generating nitrogen plasma by performing discharge in a nitrogen gas atmosphere is described in the document "Ultrathin nitrogen-profile engineered gate dielectric films", S.I. V. Hattangdy, et al. , 1996, IEDM. In the plasma nitridation method described in this document, since only the surface of the gate oxide film is nitrided, nitrogen enters the silicon semiconductor substrate as in the case of introducing nitrogen atoms into the gate oxide film by the thermal nitridation method. As a result, there is no adverse effect on semiconductor device characteristics such as a reduction in current driving capability.
[0009]
However, in the plasma nitriding method described in this document, since the silicon oxide film is formed based on the thermal oxidation method, the formation of the silicon oxide film and the plasma nitridation of the silicon oxide film are performed by different apparatuses, and moreover It must be performed in the process of the process. That is, there is a problem that the number of manufacturing steps of the semiconductor device is increased and a manufacturing time of the semiconductor device is prolonged, or a problem that two types of devices, an oxidizing device and a plasma nitriding device, are required.
[0010]
Therefore, an object of the present invention is to make it possible to stably form a thin oxide film by a humidifying oxidation method, and also to surely suppress the diffusion of boron atoms in forming a gate electrode of a p-type semiconductor device. An object of the present invention is to provide a method for forming a p-type semiconductor device, in which a method for forming an oxide film and a method for forming the oxide film are applied to the formation of a gate oxide film. It is a further object of the present invention to provide a method for forming an oxide film capable of nitriding only the surface of the oxide film in one apparatus, and a p-type semiconductor in which such a method for forming an oxide film is applied to the formation of a gate oxide film. An object of the present invention is to provide a method for manufacturing an element.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The method for forming an oxide film of the present invention for achieving the above object is as follows:
(A) irradiating the hydrogen gas and the oxygen gas with electromagnetic waves to generate steam, oxidizing the surface of the semiconductor layer using the steam, and thereby forming an oxide film on the surface of the semiconductor layer;
(B) a step of nitriding the surface of the oxide film by nitrogen molecules or nitrogen molecule ions in an excited state generated by irradiating a nitrogen-based gas with electromagnetic waves;
Characterized by comprising:
[0012]
Further, a method for manufacturing a p-type semiconductor device of the present invention for achieving the above object, comprises:
(A) forming a gate oxide film on the surface of the semiconductor layer;
(B) forming a gate electrode made of a silicon layer containing a p-type impurity on the gate oxide film;
A method for manufacturing a p-type semiconductor device comprising:
Step (A) includes:
(A) irradiating the hydrogen gas and the oxygen gas with electromagnetic waves to generate steam, oxidizing the surface of the semiconductor layer using the steam, and thereby forming an oxide film on the surface of the semiconductor layer;
(B) nitriding the surface of the oxide film with nitrogen molecules or nitrogen molecule ions in an excited state generated by irradiating a nitrogen-based gas with an electromagnetic wave, thereby forming a gate oxide film;
Characterized by comprising:
[0013]
In the method of manufacturing a p-type semiconductor device according to the present invention, the formation of the gate electrode made of a silicon layer containing a p-type impurity (for example, a polysilicon layer or an amorphous silicon layer) includes, for example, a p-type impurity (for example, boron). A method of patterning a silicon layer after forming a silicon layer based on a CVD method, and a method of forming a silicon layer containing no impurities by a CVD method and then forming a p-type impurity (for example, boron or BF). 2 ) Is implanted into a silicon layer by an ion implantation method, and then the silicon layer is patterned. A silicon layer containing no impurities is formed by a CVD method and then patterned, and then a p-type impurity (for example, boron or BF 2 ) Into the silicon layer by ion implantation. In the step (B), after forming a silicon layer containing a p-type impurity, a silicide layer is formed on the silicon layer, and then the silicide layer and the silicon layer are patterned to form a gate electrode having a polycide structure. May be formed.
[0014]
In the method of forming an oxide film or the method of manufacturing a p-type semiconductor device of the present invention (hereinafter, these may be simply referred to as the method of the present invention), for example, microwaves having a frequency of 2.45 GHz may be used as electromagnetic waves. Can be used. In a state in which water vapor generated based on hydrogen gas and oxygen gas is diluted with an inert gas such as nitrogen, argon, helium, neon, krypton, or xenon, or using these inert gases as a carrier gas, An oxide film may be formed on the surface of the layer.
[0015]
In the present invention, a nitrogen gas (N 2 Gas), NO, N 2 O, NO 2 For example, a gas that is a compound of a nitrogen atom and an oxygen atom can be used.
[0016]
In the method of the present invention, it is preferable that the step (a) and the step (b) are performed in the same processing chamber from the viewpoint of simplification of the device configuration or reduction of the time for forming an oxide film or a gate oxide film.
[0017]
When manufacturing a MOS type semiconductor device based on a silicon semiconductor substrate, conventionally, before forming a gate oxide film, NH 4 OH / H 2 O 2 Wash with aqueous solution and add HCl / H 2 O 2 The surface of the silicon semiconductor substrate is cleaned by RCA cleaning, which is cleaning with an aqueous solution, to remove fine particles and metal impurities from the surface. By the way, when the RCA cleaning is performed, the surface of the silicon semiconductor substrate reacts with the cleaning liquid to form a silicon oxide film having a thickness of about 0.5 to 1 nm. The thickness of such a silicon oxide film is not uniform, and a cleaning liquid component remains in the silicon oxide film. Therefore, the silicon semiconductor substrate is immersed in an aqueous solution of hydrofluoric acid to remove the silicon oxide film, and further to remove chemical components with pure water. Thereby, it is possible to obtain a surface of the silicon semiconductor substrate that is mostly terminated with hydrogen and extremely partially terminated with fluorine. In this specification, obtaining a surface of a silicon semiconductor substrate that is mostly terminated with hydrogen and a very small portion is terminated with fluorine is referred to as exposing the surface of the silicon semiconductor substrate in this specification. I do. Thereafter, a silicon oxide film is formed on the surface of the silicon semiconductor substrate.
[0018]
By the way, if the atmosphere before forming the silicon oxide film based on the humidifying oxidation method is a high-temperature nitrogen gas atmosphere, the surface of the silicon semiconductor substrate becomes rough (unevenness). Such a phenomenon occurs because a part of the Si—H bond or a part of the Si—F bond formed on the surface of the silicon semiconductor substrate by washing with the hydrofluoric acid aqueous solution and the pure water increases hydrogen or fluorine. It is considered to be lost due to thermal desorption and caused by an etching phenomenon occurring on the surface of the silicon semiconductor substrate. For example, when the temperature of a silicon semiconductor substrate is raised to 600 ° C. or more in argon gas, severe irregularities may occur on the surface of the silicon semiconductor substrate. Have been.
[0019]
Therefore, in order to avoid the occurrence of such a phenomenon that the surface (roughness) of the semiconductor layer is roughened, in the method of the present invention, in the step (a), the semiconductor layer is mainly removed from the surface of the semiconductor layer. It is preferable to start formation of an oxide film on the surface of the semiconductor layer in a state where the semiconductor layer is kept at a temperature at which constituent atoms do not desorb. The temperature at which atoms mainly constituting the semiconductor layer do not desorb from the surface of the semiconductor layer is a temperature at which bonds between atoms terminating the surface of the semiconductor layer and atoms mainly constituting the semiconductor layer are not broken. Is desirable. When the atoms mainly constituting the semiconductor layer are Si, that is, when the semiconductor layer is composed of a silicon semiconductor substrate, a single crystal silicon layer, a polysilicon layer, or an amorphous silicon layer, the semiconductor layer is removed from the surface of the semiconductor layer. It is desirable that the temperature at which the main constituent atoms do not desorb be a temperature at which the Si—H bond on the surface of the semiconductor layer is not broken, or a temperature at which the Si—F bond on the surface of the semiconductor layer is not broken. When a silicon semiconductor substrate having a plane orientation of (100) is used as a semiconductor layer, most of the hydrogen atoms on the surface of the silicon semiconductor substrate are bonded one by one to two bonds of silicon atoms. -H termination structure. However, in a portion where the surface state of the silicon semiconductor substrate is broken (for example, a step forming portion), a termination structure in which a hydrogen atom is bonded to only one bond of a silicon atom, or a three-bonded silicon atom There is a terminal structure in which a hydrogen atom is bonded to each hand. Usually, the remaining bonds of silicon atoms are bonded to silicon atoms inside the crystal. The expression “Si—H bond” in this specification refers to a terminal structure in which a hydrogen atom is bonded to each of two silicon atoms, and a hydrogen atom is bonded to only one silicon atom. The terminating structure in a state in which a hydrogen atom is bonded to each of the three bonding hands of a silicon atom or the terminating structure in a state in which a hydrogen atom is bonded to each of three bonding hands of a silicon atom is included. The temperature at which the formation of the oxide film on the surface of the semiconductor layer is started is more specifically a temperature at which water vapor does not condense on the semiconductor layer, preferably 200 ° C. or more, more preferably 300 ° C. or more. This is desirable in terms of throughput.
[0020]
In the method of the present invention, in the step (a), the temperature of the semiconductor layer when the formation of the oxide film is completed may be higher than the temperature of the semiconductor layer when the formation of the oxide film is started. In this case, the temperature of the semiconductor layer when the formation of the oxide film is completed is preferably 600 to 1200 ° C., preferably 700 to 1000 ° C., and more preferably 750 to 900 ° C. It is not limited to a value. The temperature may be raised stepwise (stepwise) or continuously.
[0021]
When the temperature is raised stepwise, after the formation of an oxide film on the surface of the semiconductor layer at a temperature at which atoms mainly constituting the semiconductor layer do not desorb from the surface of the semiconductor layer, the semiconductor layer is kept for a predetermined period. A first oxide film forming step of forming an oxide film while holding the semiconductor layer in a temperature range where atoms mainly constituting the semiconductor layer do not desorb from the surface of the semiconductor layer, and mainly forming the semiconductor layer from the surface of the semiconductor layer It is preferable to include a second oxide film forming step of further forming an oxide film at a temperature higher than a temperature range in which atoms do not desorb until a desired thickness is obtained. The temperature at which the oxide film is formed in the second oxide film forming step is desirably 600 to 1200 ° C., preferably 700 to 1000 ° C., and more preferably 750 to 900 ° C. Note that the upper limit of the semiconductor layer holding temperature range in the first oxide film forming step may be 500 ° C., preferably 450 ° C. or less, more preferably 400 ° C. The final thickness of the oxide film after the second oxide film forming step may be a predetermined thickness required for the semiconductor element. On the other hand, the thickness of the oxide film after the first oxide film forming step is preferably as thin as possible. However, the plane orientation of a silicon semiconductor substrate currently used for manufacturing a semiconductor device is almost (100), and no matter how the surface of the silicon semiconductor substrate is smoothed, the surface of the silicon semiconductor substrate must be (100). A step called a step is formed. This step is usually for one layer of silicon atoms, but in some cases, a step for two to three layers may be formed. Therefore, the thickness of the oxide film after the first oxide film forming step is preferably 1 nm or more when a (100) silicon semiconductor substrate is used as the semiconductor layer, but is not limited thereto.
[0022]
A temperature raising step may be included between the first oxide film forming step and the second oxide film forming step. In this case, the atmosphere in the temperature raising step is preferably an inert gas atmosphere or a reduced pressure atmosphere, or an oxidizing atmosphere containing water vapor. Here, examples of the inert gas include a nitrogen gas, an argon gas, and a helium gas. In addition, the inert gas or the gas containing water vapor in the atmosphere in the temperature raising step may contain a halogen element. Thereby, the characteristics of the oxide film formed in the first oxide film forming step can be further improved. That is, when the atoms mainly constituting the semiconductor layer are Si, silicon dangling bonds (Si.) And SiOH, which are defects that can be generated in the first oxide film forming step, react with the halogen element in the temperature increasing step, and silicon As a result of termination of the dangling bond or dehydration reaction, these defects which are reliability deterioration factors are eliminated. In particular, the elimination of these defects is effective for the initial silicon oxide film formed in the first oxide film forming step. Examples of the halogen element include chlorine, bromine, and fluorine, and among them, chlorine is preferable. Examples of the form of the halogen element contained in the inert gas or the gas containing water vapor include hydrogen chloride (HCl), CCl 4 , C 2 HCl 3 , Cl 2 , HBr, NF 3 Can be mentioned. The content of the halogen element in the gas containing an inert gas or water vapor is 0.001 to 10% by volume, preferably 0.005 to 10% by volume, more preferably 0.02% by volume, based on the form of the molecule or the compound. -10% by volume. For example, when using hydrogen chloride gas, the content of hydrogen chloride gas in a gas containing an inert gas or water vapor is preferably 0.02 to 10% by volume. Note that the atmosphere in the temperature raising step may be an atmosphere containing water vapor diluted with an inert gas.
[0023]
In the method of the present invention, the gas atmosphere containing water vapor during the formation of the oxide film may contain a halogen element. As a result, an oxide film having excellent time-zero dielectric breakdown (TZDB) characteristics and temporal dielectric breakdown (TDDB) characteristics can be obtained. In addition, as the halogen element, chlorine, bromine and fluorine can be mentioned, and among them, chlorine is preferable. Examples of the form of the halogen element contained in the gas containing water vapor include hydrogen chloride (HCl), CCl 4 , C 2 HCl 3 , Cl 2 , HBr, NF 3 Can be mentioned. The content of the halogen element in the gas containing water vapor is 0.001 to 10% by volume, preferably 0.005 to 10% by volume, more preferably 0.02 to 10% by volume, based on the form of the molecule or the compound. It is. For example, when hydrogen chloride gas is used, the content of hydrogen chloride gas in the gas containing water vapor is desirably 0.02 to 10% by volume.
[0024]
In order to further improve the characteristics of the formed oxide film, in the method of the present invention, it is preferable to perform a heat treatment on the formed oxide film between the steps (a) and (b).
[0025]
In this case, it is desirable that the atmosphere of the heat treatment be an inert gas atmosphere containing a halogen element. By subjecting the oxide film to heat treatment in an inert gas atmosphere containing a halogen element, an oxide film having excellent time-zero dielectric breakdown (TZDB) characteristics and time-dependent dielectric breakdown (TDDB) characteristics can be obtained. Examples of the inert gas in the heat treatment include a nitrogen gas, an argon gas, and a helium gas. In addition, examples of the halogen element include chlorine, bromine, and fluorine, and among them, chlorine is preferable. Examples of the form of the halogen element contained in the inert gas include hydrogen chloride (HCl), CCl 4 , C 2 HCl 3 , Cl 2 , HBr, NF 3 Can be mentioned. The content of the halogen element in the inert gas is 0.001 to 10% by volume, preferably 0.005 to 10% by volume, more preferably 0.02 to 10% by volume, based on the form of the molecule or compound. is there. For example, when using hydrogen chloride gas, the content of hydrogen chloride gas in the inert gas is preferably 0.02 to 10% by volume.
[0026]
In the method of the present invention, it is preferable to perform heat treatment in the same processing chamber. The temperature of the heat treatment is 700 to 1200 ° C, preferably 700 to 1000 ° C, more preferably 700 to 950 ° C. Further, the time of the heat treatment is preferably 1 to 10 minutes when performing the single-wafer processing, and 5 to 60 minutes, preferably 10 to 40 minutes, more preferably 20 to 30 when performing the batch processing. Minutes.
[0027]
When heat treatment is performed in the method of the present invention, it is desirable that the temperature of the atmosphere when the heat treatment is performed on the formed oxide film is higher than the temperature when the formation of the oxide film is completed. In this case, after the formation of the oxide film is completed, the atmosphere in the processing chamber is switched to an inert gas atmosphere, and then the temperature may be increased to the ambient temperature for performing the heat treatment. After switching to the active gas atmosphere, it is preferable to raise the temperature to the ambient temperature for performing the heat treatment. Here, examples of the inert gas include a nitrogen gas, an argon gas, and a helium gas. Examples of the halogen element include chlorine, bromine, and fluorine, and among them, chlorine is preferable. Examples of the form of the halogen element contained in the inert gas include hydrogen chloride (HCl), CCl 4 , C 2 HCl 3 , Cl 2 , HBr, NF 3 Can be mentioned. The content of the halogen element in the inert gas is 0.001 to 10% by volume, preferably 0.005 to 10% by volume, more preferably 0.02 to 10% by volume, based on the form of the molecule or compound. is there. For example, when using hydrogen chloride gas, the content of hydrogen chloride gas in the inert gas is preferably 0.02 to 10% by volume.
[0028]
Usually, before forming a silicon oxide film on the surface of a silicon semiconductor substrate, NH 3 4 OH / H 2 O 2 Wash with aqueous solution and add HCl / H 2 O 2 After cleaning the surface of the silicon semiconductor substrate by RCA cleaning, which is cleaning with an aqueous solution, removing fine particles and metal impurities from the surface, the silicon semiconductor substrate is cleaned with a hydrofluoric acid aqueous solution and pure water. However, when the silicon semiconductor substrate is subsequently exposed to the air, the surface of the silicon semiconductor substrate is contaminated, moisture and organic substances adhere to the surface of the silicon semiconductor substrate, or Si atoms on the surface of the silicon semiconductor substrate become hydroxyl groups ( OH) (see, for example, the document "Highly-reliable Gate Oxide Formation for Giga-Scale LSIs by using Closed Wet Cleaning System and Wet Oxidation, Utilization of the U.S.A., U.S.A. Device Meeting Technical Digest 95, pp 855-858). In such a case, if the formation of the oxide film is started as it is, moisture, an organic substance, or, for example, Si-OH is taken into the formed silicon oxide film, and the formed silicon oxide film has reduced characteristics or It can cause the generation of defective portions. Note that a defect portion is a portion of a silicon oxide film containing a defect such as a silicon dangling bond (Si.) Or a Si-H bond, or a portion where a Si-O-Si bond is compressed by stress or a Si-O- It means a portion of the silicon oxide film including a Si-O-Si bond in which the angle of the Si bond is thick or different from the angle of the Si-O-Si bond in the bulk silicon oxide film. Therefore, in order to avoid the occurrence of such a problem, the method of the present invention includes a step of cleaning the surface of the semiconductor layer before forming the oxide film, and exposing the semiconductor layer after the surface cleaning to the atmosphere. The formation of the oxide film is preferably performed without using an inert gas atmosphere or a vacuum atmosphere from the cleaning of the semiconductor layer surface to the start of the oxide film formation step (for example, the atmosphere from the cleaning of the semiconductor layer surface to the start of the oxide film formation step). Thus, for example, when a silicon semiconductor substrate is used as a semiconductor layer, a silicon oxide film can be formed on the surface of a silicon semiconductor substrate having a surface that is mostly terminated with hydrogen and a part of which is terminated with fluorine, Deterioration of the characteristics of the formed silicon oxide film or occurrence of a defective portion can be prevented.
[0029]
In the formation of the oxide film, hydrogen gas and oxygen gas are introduced into the processing chamber. At this time, in order to prevent a detonation reaction from occurring due to hydrogen gas flowing into the processing chamber and flowing out of the system. In addition, it is desirable to introduce oxygen gas before introducing hydrogen gas into the processing chamber. However, there is a possibility that an oxide film is formed in the semiconductor layer by introduction of oxygen gas into the treatment chamber. Such an oxide film is a dry oxide film and has inferior characteristics to an oxide film formed by a humidifying oxidation method. In order to reliably prevent the formation of such a dry oxide film, for example, a hydrogen gas diluted with an inert gas such as nitrogen gas is first introduced into a processing chamber before the formation of an oxide film, and then the processing is performed. What is necessary is just to introduce oxygen gas into a room. However, in this case, in order to reliably prevent the occurrence of a detonation reaction, the concentration of the hydrogen gas is adjusted so that the hydrogen gas does not react with the oxygen gas and burn, specifically, in air. Below the detonation range (18.3% by volume or less when expressed by volume with air), preferably below the combustion range in air (4.0% by volume or less when expressed by volume with air) ) Or below the detonation range in oxygen (less than 15.0% by volume when expressed as volume% with oxygen), preferably below the combustion range in oxygen (expressed as volume% with oxygen) In this case, the concentration is desirably set to be 4.5% by volume or less.
[0030]
As a semiconductor layer, not only a silicon semiconductor substrate such as a silicon single crystal wafer, but also an epitaxial silicon layer, a polysilicon layer, or an amorphous silicon layer on a semiconductor substrate, and further, a silicon semiconductor substrate and a semiconductor element are formed on these layers Means an underlayer on which an oxide film is to be formed. Forming an oxide film on a semiconductor layer includes not only forming an oxide film on a semiconductor layer formed on or above a semiconductor substrate or the like, but also forming an oxide film on the surface of the semiconductor substrate. Incidentally, the silicon single crystal wafer may be a wafer produced by any method such as a CZ method, an MCZ method, a DLCZ method, an FZ method, or may be a wafer which has been previously subjected to hydrogen annealing. Further, the semiconductor layer may be made of Si-Ge.
[0031]
The method of forming an oxide film according to the present invention includes, for example, forming a gate oxide film of a MOS transistor, forming an interlayer insulating film and an element isolation region, forming a gate oxide film of a top gate or bottom gate thin film transistor, and a tunnel oxide film of a flash memory. For forming an oxide film in various semiconductor devices.
[0032]
In the oxygen plasma generated by the microwave discharge, the ground state O 2 (X 3 Σg ) Is the excited state O 2 (A 3 Σu + ) Or O 2 (B 3 Σu ), And each dissociates into oxygen atoms as in the following formula.
[0033]
Embedded image
O 2 (X 3 Σg ) + E → O 2 (A 3 Σu + ) + E Equation (1-1)
O 2 (A 3 Σu + ) + E → O ( 3 P) + O ( 3 P) + e Equation (1-2)
O 2 (X 3 Σg ) + E → O 2 (B 3 Σu ) + E Equation (1-3)
O 2 (B 3 Σu ) + E → O ( 3 P) + O ( 1 D) + e Formula (1-4)
[0034]
Therefore, excited oxygen molecules and oxygen atoms are present in the oxygen plasma, and these become reactive species. Here hydrogen H 2 Is introduced, the following plasma is generated.
[0035]
Embedded image
H 2 + E → 2H Formula (2)
[0036]
Then, of the oxygen plasma, for example, the oxygen plasma generated by the equation (1-2) and the hydrogen plasma generated by the equation (2) react to generate water vapor. Then, the surface of the heated semiconductor layer is oxidized by the water vapor, and an oxide film is formed on the surface of the semiconductor layer.
[0037]
Embedded image
2H + O ( 3 P) → H 2 O Formula (3)
[0038]
In the method of the present invention, since steam is generated based on such a reaction between oxygen plasma and hydrogen plasma, for example, steam can be easily and reliably generated even under reduced pressure, and the oxidation rate is reduced. In a controlled state, a thin oxide film can be formed by a humidifying oxidation method.
[0039]
On the other hand, nitrogen (N 2 ) When using gas, nitrogen N 2 Is excited in a microwave plasma, for example, as in the following equation. That is, electrons existing in the plasma are excited, and nitrogen molecules and nitrogen molecular ions excited by inelastic collision of the electrons with nitrogen molecules are generated. These excited nitrogen molecules and nitrogen molecule ions are bonded to oxygen atoms and atoms mainly constituting the semiconductor layer on the surface of the oxide film (for example, when the atoms mainly constituting the semiconductor layer are Si, Si—O The bond is cut to form a nitrided oxide (for example, a Si—O—N bond), and the surface of the oxide film is nitrided. The composition of the surface of the oxide film is SiO 2 when atoms mainly constituting the semiconductor layer are Si. X N Y It is represented by
[0040]
Embedded image
N 2 (X 1 Σg) + e → N 2 (A 3 Σu + ) + E Equation (4-1)
N 2 (N 1 Σg) + e → N 2 (C 3 Πu) + e Equation (4-2)
N 2 (C 3 Πu) + e → N 2 (B 3 Πg) + hν formula (4-3)
N 2 (B 3 Πg) + e → N 2 (A 3 Σu + ) + Hν formula (4-4)
[0041]
In the method of the present invention, since the oxide film or the gate oxide film is formed based on the irradiation of the hydrogen gas, the oxygen gas, and the nitrogen-based gas with electromagnetic waves, the oxide film is essentially formed in one oxide film forming apparatus. Alternatively, a gate oxide film can be formed, and the configuration of an apparatus for forming an oxide film or a gate oxide film can be simplified. In addition, since the steam is generated by irradiating the hydrogen gas and the oxygen gas with the electromagnetic wave, the steam is easily and reliably generated in a state where the oxidation rate is suppressed and controlled, that is, for example, even under a reduced pressure. This makes it possible to form a thin oxide film by the humidifying oxidation method. In addition, since the oxide film is formed by an oxidation method using water vapor, an oxide film having excellent time-dependent dielectric breakdown (TDDB) characteristics can be obtained.
[0042]
In addition, since only the surface of the oxide film is nitrided, semiconductor device characteristics such as a decrease in current driving capability due to the invasion of nitrogen into the silicon semiconductor substrate, such as the introduction of nitrogen atoms into the gate oxide film by thermal nitridation, There is no adverse effect on Further, since the oxide film is nitrided, for example, boron atoms pass through the gate oxide film to reach the silicon semiconductor substrate by various heat treatments in the semiconductor device manufacturing process after the formation of the gate electrode, and the threshold voltage of the PMOS semiconductor element is reduced. A phenomenon such as fluctuation can be reliably avoided.
[0043]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described based on embodiments with reference to the drawings.
[0044]
(Example 1)
FIG. 1 shows a conceptual diagram of a single wafer type oxide film forming apparatus suitable for carrying out the method of the present invention. The oxide film forming apparatus includes a processing chamber 10, a stage 11 on which a semiconductor layer (a silicon semiconductor substrate 20 in the first embodiment) is mounted, a magnet 13 provided outside the processing chamber 10, And a gas introduction section 16A, 16B, 16C disposed at the top of the processing chamber 10. The processing chamber 10 includes a plasma generation region 10A and a reaction region 10B. Further, a lamp serving as a heating unit 12 for heating the silicon semiconductor substrate 20 is housed in the stage 11. A magnetron 15 is attached to the microwave waveguide 14, and a microwave of 2.45 GHz is generated by the magnetron 15, and the microwave is introduced into the plasma generation region 10A of the processing chamber 10 through the microwave waveguide 14. You. Further, hydrogen gas, oxygen gas, and nitrogen gas are introduced into the processing chamber 10 from each of the gas introduction units 16A, 16B, and 16C. In addition, an inert gas (for example, nitrogen gas) is introduced into the processing chamber 10 from a gas introduction unit 17 provided on a side surface of the processing chamber 10. Various gases introduced into the processing chamber 10 are exhausted out of the system from a gas exhaust unit 18 provided in a lower part of the processing chamber 10.
[0045]
In Example 1, a silicon semiconductor substrate was used as a semiconductor layer. In the first embodiment, the oxide film is formed on the surface of the semiconductor layer at a temperature at which atoms mainly constituting the semiconductor layer do not desorb from the surface of the semiconductor layer. A first oxide film forming step of forming an oxide film by holding the semiconductor layer within a temperature range in which atoms mainly constituting the semiconductor layer do not desorb from the surface of the semiconductor layer, and removing the semiconductor layer from the surface of the semiconductor layer. A second oxide film forming step of further forming an oxide film at a temperature higher than the temperature range in which the main constituent atoms do not desorb is performed until a desired thickness is obtained. The method of forming an oxide film and the method of manufacturing a p-type semiconductor device of the present invention using the oxide film forming apparatus shown in FIG. 1 will be described below with reference to FIG. It will be described with reference to FIG.
[0046]
[Step-100]
First, an element isolation region 21 having a LOCOS structure is formed by a known method on a silicon semiconductor substrate 20 which is an N-type silicon wafer (manufactured by a CZ method) having a diameter of 8 inches and doped with phosphorus. Channel stop ion implantation and threshold adjustment ion implantation are performed. Note that the element isolation region may have a trench structure, or may have a combination of a LOCOS structure and a trench structure. Thereafter, fine particles and metal impurities on the surface of the silicon semiconductor substrate 20 are removed by RCA cleaning, and then the surface of the silicon semiconductor substrate 20 is cleaned with a 0.1% aqueous hydrofluoric acid solution and pure water. The surface is exposed (see FIG. 2A). Most of the surface of the silicon semiconductor substrate 20 is terminated with hydrogen, and a very small portion is terminated with fluorine.
[0047]
[Step-110]
Next, the silicon semiconductor substrate 20 is carried into the oxide film forming apparatus shown in FIG. 1 from a door (not shown) and placed on the stage 11, and then an inert gas (for example, nitrogen gas) is supplied from the gas introduction unit 17 to the processing chamber. Introduce into 10. Then, the silicon semiconductor substrate 20 is heated to 300 ° C. by the heating means 12. At this temperature, the Si-H bond on the surface of the semiconductor layer is not broken. Therefore, no irregularities (roughness) are generated on the surface of the semiconductor layer (the silicon semiconductor substrate in the first embodiment).
[0048]
[Step-120]
Then, while introducing an inert gas (for example, nitrogen gas) as a diluting gas from the gas introduction unit 17 into the processing chamber 10, hydrogen gas and oxygen gas are introduced into the processing chamber 10 from the gas introduction units 16 </ b> A and 16 </ b> B. Is introduced. At the same time, microwave power is supplied to the magnetron 15, and the microwave of 2.45 GHz generated by the magnetron 15 is introduced into the plasma generation region 10 </ b> A of the processing chamber 10 via the microwave waveguide 14. Thereby, that is, by irradiating the hydrogen gas and the oxygen gas with the electromagnetic waves, the reactions of the above-described equations (1-1) to (1-4) and the reactions of the equations (2) and (3) occur. Water vapor is generated. The generated steam reaches the reaction region 10B located below the processing chamber 10, and the surface of the semiconductor layer (specifically, the silicon semiconductor substrate 20) heated by the heating unit 12 is oxidized. Thus, an oxide film (a silicon oxide film in Example 1) can be formed on the surface of the semiconductor layer. Table 1 shows the conditions for forming the oxide film. In the first oxide film forming step, an oxide film having a thickness of 1 nm is formed.
[0049]
[Table 1]
Microwave power: 10kW
Microwave frequency: 2.45 GHz
Oxygen gas flow rate: 10 SLM
Hydrogen gas flow rate: 0.2 SLM
Inert gas flow rate: 10 SLM
Substrate temperature: 300 ° C
[0050]
[Step-130]
After that, the supply of the microwave power to the magnetron 15 and the introduction of the hydrogen gas and the oxygen gas into the processing chamber 10 are stopped, and the introduction of the inert gas from the gas introduction unit 17 into the processing chamber 10 is continued. The temperature of the silicon semiconductor substrate is raised to 800 ° C. by the heating means 12. Since an oxide film has already been formed on the surface of the semiconductor layer, no irregularities (roughness) occur on the surface of the semiconductor layer (the silicon semiconductor substrate in the first embodiment) in this temperature raising step. Next, hydrogen gas and oxygen gas are again introduced into the processing chamber 10 from the gas introduction unit 16A and the gas introduction unit 16B. At the same time, the microwave power is again supplied to the magnetron 15, and the microwave of 2.45 GHz generated by the magnetron 15 is introduced into the plasma generation region 10 </ b> A of the processing chamber 10 through the microwave waveguide 14. Thereby, that is, by irradiating the hydrogen gas and the oxygen gas with the electromagnetic waves, the reactions of the above-described equations (1-1) to (1-4) and the reactions of the equations (2) and (3) occur. Water vapor is generated. The generated steam reaches the reaction region 10B located below the processing chamber 10, and further oxidizes the surface of the semiconductor layer (specifically, the silicon semiconductor substrate) heated by the heating unit 12. Thus, an oxide film (a silicon oxide film in Example 1) having a total thickness of 4 nm is formed on the surface of the semiconductor layer. Table 2 below shows conditions for forming an oxide film in the second oxide film forming step.
[0051]
[Table 2]
Microwave power: 10kW
Microwave frequency: 2.45 GHz
Oxygen gas flow rate: 10 SLM
Hydrogen gas flow rate: 0.2 SLM
Inert gas flow rate: 10 SLM
Substrate temperature: 800 ° C
[0052]
[Step-140]
After the formation of the oxide film is completed, the supply of the microwave power to the magnetron 15 and the introduction of the hydrogen gas and the oxygen gas into the processing chamber 10 are stopped, and the silicon semiconductor substrate 20 is cooled to room temperature. Next, the introduction of the inert gas from the gas introduction unit 17 into the processing chamber 10 is stopped. Thereafter, a nitrogen gas, which is a nitrogen-based gas, is introduced into the processing chamber 10 from the gas introduction unit 16C. At the same time, microwave power is supplied to the magnetron 15, and the microwave of 2.45 GHz generated by the magnetron 15 is introduced into the plasma generation region 10 </ b> A of the processing chamber 10 via the microwave waveguide 14. In other words, the excited state of the nitrogen molecules or nitrogen molecule ions generated by the reactions of the above formulas (4-1) to (4-4) by irradiating the nitrogen gas with the electromagnetic wave is located below the processing chamber 10. Reaching the reaction region 10B located, the surface of the oxide film (specifically, the silicon oxide film) is nitrided. Thus, the oxide film 22 whose surface is nitrided (in the first embodiment, a silicon oxide film, which corresponds to a gate oxide film) can be formed on the surface of the semiconductor layer. This state is schematically shown in FIG. The illustration of the nitrided portion of the oxide film is omitted in the figure. Table 3 below shows the conditions of nitriding. The reason for setting the temperature of the silicon semiconductor substrate to room temperature is to suppress the diffusion of nitrogen atoms into the silicon semiconductor substrate during the nitriding treatment.
[0053]
[Table 3]
Microwave power: 1kW
Microwave frequency: 2.45 GHz
Nitrogen gas flow rate: 0.4 SLM
Pressure: 0.16Pa
Substrate temperature: room temperature (25 ° C)
[0054]
[Step-150]
Thereafter, the semiconductor layer is unloaded from the oxide film forming apparatus, and then the semiconductor layer is loaded into a known CVD apparatus. Then, a silicon layer containing no impurities (polysilicon layer in Example 1) is formed on the entire surface by a CVD method. Next, the silicon layer is patterned based on a photolithography technique and a dry etching technique. Then, boron ions are implanted into the silicon layer and the silicon semiconductor substrate by an ion implantation method. Thereby, a gate electrode 23 made of a silicon layer (specifically, a polysilicon layer) containing a p-type impurity can be formed on the gate oxide film, and an LDD structure can be formed at the same time (FIG. 2). (C)).
[0055]
[Step-160]
Next, an insulating film is formed on the entire surface, and the insulating film is etched based on the anisotropic dry etching technique to form sidewalls 24 on the side walls of the gate electrode 23. Next, in order to form the source / drain regions 25, boron ions are implanted into the silicon semiconductor substrate by an ion implantation method, and then activation heat treatment of the ion-implanted impurities is performed. Thereafter, an insulating layer 26 is formed on the entire surface by the CVD method, an opening is provided in the insulating layer 26 above the source / drain region 25, and a wiring material layer is formed on the insulating layer 26 including the inside of the opening by a sputtering method. Then, the wiring 27 is formed by patterning the wiring material layer, and a p-type semiconductor element whose schematic partial cross-sectional view is shown in FIG. 2D can be obtained.
[0056]
(Example 2)
The second embodiment is a modification of the method of forming the oxide film and the method of manufacturing the p-type semiconductor device of the first embodiment. Example 2 differs from Example 1 in that a heat treatment is performed on the formed oxide film between the step of forming an oxide film on the surface of the semiconductor layer and the step of nitriding the surface of the oxide film. is there. Hereinafter, a method for forming an oxide film and a method for manufacturing a p-type semiconductor device according to the second embodiment will be described. In the second embodiment, the oxide film forming apparatus shown in FIG. 1 is used.
[0057]
[Step-200]
By performing the same steps as [Step-100] to [Step-130] of the first embodiment, an oxide film having a total thickness of 4 nm (Example 2) is formed on the surface of the semiconductor layer (the silicon semiconductor substrate in the second embodiment). A silicon oxide film).
[0058]
[Step-210]
After that, the supply of the microwave power to the magnetron 15 and the introduction of the hydrogen gas and the oxygen gas into the processing chamber 10 are stopped, and the introduction of the inert gas from the gas introduction unit 17 into the processing chamber 10 is continued. The temperature of the silicon semiconductor substrate is raised to 850 ° C. by the heating means 12. Next, nitrogen gas containing 0.1% by volume of hydrogen chloride gas is introduced into the processing chamber 10 from the gas introduction unit 17 and heat treatment is performed for 5 minutes. As a result, an oxide film having excellent time-zero dielectric breakdown (TZDB) characteristics and temporal dielectric breakdown (TDDB) characteristics can be obtained.
[0059]
[Step-220]
Thereafter, the introduction of nitrogen gas containing 0.1% by volume of hydrogen chloride gas from the gas introduction unit 17 into the processing chamber 10 is stopped, and an inert gas (for example, nitrogen gas) is introduced into the processing chamber 10 from the gas introduction unit 17. Introduce. Then, after the silicon semiconductor substrate is cooled to room temperature, the same steps as [Step-140] to [Step-160] of the first embodiment are performed, whereby a p-type semiconductor element can be obtained.
[0060]
Although the present invention has been described based on the preferred embodiments, the present invention is not limited to these embodiments. The various conditions and the structure of the oxide film forming apparatus described in the embodiments are merely examples, and can be changed as appropriate.
[0061]
For example, in [Step-130] of the first embodiment, the heating means 12 stops the supply of the microwave power to the magnetron 15 and the introduction of the hydrogen gas and the oxygen gas into the processing chamber 10 so that the silicon semiconductor substrate is 800 ° The temperature may be raised to C. Further, in [Step-210] of Example 2, the temperature of the silicon semiconductor substrate was raised to 850 ° C. by a heating unit while introducing an inert gas (for example, nitrogen gas) from the gas introduction unit 17 into the processing chamber 10. Instead, for example, an inert gas (for example, nitrogen gas) containing 0.1% by volume of hydrogen chloride gas is introduced into the processing chamber 10 from the gas introduction unit 17 while the temperature of the silicon semiconductor substrate is increased by heating means. To 850 ° C. Further, the atmosphere in each of the first oxide film forming step, the temperature raising step, and the second oxide film forming step may include, for example, a hydrogen chloride gas.
[0062]
In the embodiment, the silicon oxide film is formed exclusively on the surface of the silicon semiconductor substrate, but the silicon oxide film is formed on the epitaxial silicon layer formed on the substrate based on the oxide film forming method of the present invention. Alternatively, a silicon oxide film can be formed on the surface of a polysilicon layer or an amorphous silicon layer formed on an insulating layer formed on a substrate. Alternatively, a silicon oxide film may be formed on the surface of a silicon layer in the SOI structure, or a silicon element may be formed on a substrate on which a semiconductor element or a component of the semiconductor element is formed, or on a surface of a silicon layer formed thereon. An oxide film may be formed. Further, a silicon oxide film may be formed on the surface of a silicon element formed on a substrate on which a semiconductor element or a component of the semiconductor element is formed, or a base insulating layer formed on the substrate. The formation of the oxide film including the nitriding treatment can be performed not only in a single wafer process but also in a batch process in which a plurality of semiconductor layers are simultaneously processed.
[0063]
Alternatively, in the embodiment, after the surface of the semiconductor layer is cleaned with a 0.1% aqueous hydrofluoric acid solution and pure water, the semiconductor layer is carried into the oxide film forming apparatus. The atmosphere before the transfer to the apparatus may be an inert gas (eg, nitrogen gas) atmosphere. Note that such an atmosphere may be, for example, an atmosphere of an apparatus for cleaning a surface of a semiconductor layer set to an inert gas atmosphere, and a semiconductor layer (for example, a silicon semiconductor substrate) placed in a transport box filled with an inert gas. As shown in the schematic diagram in FIG. 3, a method for carrying in the oxide film forming apparatus, a surface cleaning apparatus, an oxide film forming apparatus, a transport path, a cluster tool apparatus including a loader and an unloader, and the surface cleaning apparatus. This can be achieved by a method in which the surface of the surface cleaning device, the transfer path, and the processing chamber of the oxide film forming device are set to an inert gas atmosphere by connecting the oxide film forming device to the oxide film forming device.
[0064]
Alternatively, instead of cleaning the surface of the semiconductor layer with a 0.1% aqueous solution of hydrofluoric acid and pure water, the semiconductor layer is subjected to a gas phase cleaning method using anhydrous hydrogen fluoride gas under the conditions exemplified in Table 4. Surface cleaning may be performed. Note that methanol is added to prevent generation of particles. Alternatively, the surface of the semiconductor layer may be cleaned by a gas phase cleaning method using hydrogen chloride gas under the conditions shown in Table 5. The atmosphere in the surface cleaning apparatus and the atmosphere in the transfer path before the start of the surface cleaning of the semiconductor layer or after the completion of the surface cleaning may be an inert gas atmosphere, for example, 1.3 × 10 3. -1 Pa (10 -3 A vacuum atmosphere of about Torr) may be used. When the atmosphere in the transfer path or the like is a vacuum atmosphere, the atmosphere in the processing chamber 10 of the oxide film forming apparatus when loading the semiconductor layer is set to, for example, 1.3 × 10 -1 Pa (10 -3 The atmosphere in the processing chamber 10 may be an inert gas (eg, nitrogen gas) atmosphere after setting the vacuum atmosphere of about Torr) and completing the transfer of the semiconductor layer.
[0065]
[Table 4]
Anhydrous hydrogen fluoride gas: 300 SCCM
Methanol vapor: 80 SCCM
Nitrogen gas: 1000 SCCM
Pressure: 0.3Pa
Temperature: 60 ° C
[0066]
[Table 5]
Hydrogen chloride gas / nitrogen gas: 1% by volume
Temperature: 800 ° C
[0067]
By employing these methods, the surface of the semiconductor layer can be kept free from contamination or the like before the formation of the oxide film. As a result, moisture or organic substances, or, for example, Si-OH Can be effectively prevented from deteriorating the properties of the formed oxide film or generating defective portions.
[0068]
As described above, in forming an oxide film, hydrogen gas and oxygen gas are introduced into the processing chamber 10. At this time, hydrogen gas flows into the processing chamber 10 and flows out of the system. In order to prevent a detonation reaction from occurring and to prevent a dry oxide film from being formed on the semiconductor layer, for example, in the [step-120] of the first embodiment, the processing is performed from the gas introduction unit 17. While introducing, for example, an inert gas (for example, nitrogen gas) as a diluent gas at a flow rate of 10 SLM into the chamber 10, hydrogen gas at a flow rate of 0.2 SLM is introduced into the processing chamber 10 from the gas introduction unit 16A, For example, oxygen gas at a flow rate of 10 SLM may be introduced into the processing chamber 10 from the gas introduction unit 16B. Next, microwave power is supplied to the magnetron 15, and the microwave of 2.45 GHz generated by the magnetron 15 is introduced into the plasma generation region 10 </ b> A of the processing chamber 10 via the microwave waveguide 14. By such an operation, the hydrogen gas concentration in the processing chamber 10 before the generation of steam becomes a sufficiently low value, and it is possible to reliably prevent the detonation reaction from occurring, and furthermore, to surely form the dry oxide film. Can be prevented.
[0069]
【The invention's effect】
According to the present invention, an oxide film or a gate oxide film can be formed essentially in one oxide film forming apparatus, and only one apparatus for forming an oxide film or a gate oxide film is required. The configuration can be simplified. In addition, water vapor can be easily and reliably generated with the oxidation rate suppressed and controlled, and a thin oxide film can be formed by the humidification oxidation method. In addition, since the oxide film is formed by an oxidation method using water vapor, an oxide film having excellent time-dependent dielectric breakdown (TDDB) characteristics can be obtained. In addition, since only the surface of the oxide film is nitrided, there is no adverse effect on the characteristics of the semiconductor element such as a reduction in current driving capability. Further, since the oxide film is nitrided, the p-type impurity reaches the semiconductor layer through the gate oxide film by various heat treatments in a semiconductor device manufacturing process after the formation of the gate electrode, for example, so that the threshold voltage of the PMOS semiconductor element is reduced. A phenomenon such as fluctuation can be reliably avoided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual diagram of an oxide film forming apparatus suitable for carrying out a method of the present invention.
FIG. 2 is a schematic partial cross-sectional view of a silicon semiconductor substrate and the like for describing a method of forming an oxide film according to the first embodiment.
FIG. 3 is a schematic view of a cluster tool device.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Processing room, 10A ... Plasma generation area, 10B ... Reaction area, 11 ... Stage, 12 ... Heating means, 13 ... Magnet, 14 ... Microwave waveguide, Reference numeral 15: magnetron, 16A, 16B, 16C, 17: gas introduction portion, 18: gas exhaust portion, 20: silicon semiconductor substrate, 21: element isolation region, 22: oxide film (Gate oxide film), 23 gate electrode, 24 sidewall, 25 source / drain region, 26 insulating layer, 27 wiring

Claims (16)

(イ)水素ガス及び酸素ガスに電磁波を照射することによって水蒸気を生成させ、該水蒸気を用いて半導体層の表面を酸化し、以て半導体層の表面に酸化膜を形成する工程と、
(ロ)窒素系ガスに電磁波を照射することによって生成した励起状態の窒素分子若しくは窒素分子イオンにより該酸化膜の表面を窒化する工程、
から成り、
工程(イ)及び工程(ロ)を同一の処理室内で行うことを特徴とする酸化膜の形成方法。
(A) irradiating the hydrogen gas and the oxygen gas with electromagnetic waves to generate steam, oxidizing the surface of the semiconductor layer using the steam, and thereby forming an oxide film on the surface of the semiconductor layer;
(B) a step of nitriding the surface of the oxide film by nitrogen molecules or nitrogen molecule ions in an excited state generated by irradiating a nitrogen-based gas with electromagnetic waves;
Ri consists of,
A method for forming an oxide film, wherein the step (a) and the step (b) are performed in the same processing chamber .
(イ)水素ガス及び酸素ガスに電磁波を照射することによって水蒸気を生成させ、該水蒸気を用いて半導体層の表面を酸化し、以て半導体層の表面に酸化膜を形成する工程と、(A) irradiating the hydrogen gas and the oxygen gas with electromagnetic waves to generate steam, oxidizing the surface of the semiconductor layer using the steam, and thereby forming an oxide film on the surface of the semiconductor layer;
(ロ)窒素系ガスに電磁波を照射することによって生成した励起状態の窒素分子若しくは窒素分子イオンにより該酸化膜の表面を窒化する工程、(B) a step of nitriding the surface of the oxide film by nitrogen molecules or nitrogen molecule ions in an excited state generated by irradiating a nitrogen-based gas with electromagnetic waves;
から成り、Consisting of
工程(イ)において、酸化膜の形成が完了したときの半導体層の温度を、酸化膜の形成を開始する際の半導体層の温度よりも高くすることを特徴とする酸化膜の形成方法。In the step (a), the temperature of the semiconductor layer when the formation of the oxide film is completed is higher than the temperature of the semiconductor layer when the formation of the oxide film is started.
水素ガス及び酸素ガスに照射する電磁波はマイクロ波であり、窒素系ガスに照射する電磁波もマイクロ波であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の酸化膜の形成方法。 The method for forming an oxide film according to claim 1 or 2 , wherein the electromagnetic waves applied to the hydrogen gas and the oxygen gas are microwaves, and the electromagnetic waves applied to the nitrogen-based gas are also microwaves . 工程(イ)と工程(ロ)の間で、形成された酸化膜に熱処理を施すことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の酸化膜の形成方法。 3. The method for forming an oxide film according to claim 1, wherein a heat treatment is performed on the formed oxide film between the steps (a) and (b). 熱処理の雰囲気は、ハロゲン元素を含有する不活性ガス雰囲気であることを特徴とする請求項4に記載の酸化膜の形成方法。The method for forming an oxide film according to claim 4 , wherein the atmosphere of the heat treatment is an inert gas atmosphere containing a halogen element. ハロゲン元素は塩素であることを特徴とする請求項5に記載の酸化膜の形成方法。The method for forming an oxide film according to claim 5 , wherein the halogen element is chlorine. 塩素は塩化水素の形態であり、不活性ガス中に含有される塩化水素の濃度は0.02乃至10容量%であることを特徴とする請求項6に記載の酸化膜の形成方法。7. The method according to claim 6 , wherein the chlorine is in the form of hydrogen chloride, and the concentration of hydrogen chloride contained in the inert gas is 0.02 to 10% by volume. 熱処理は700乃至950゜Cの温度で行われることを特徴とする請求項4に記載の酸化膜の形成方法。The method of claim 4 , wherein the heat treatment is performed at a temperature of 700 to 950 ° C. (A)半導体層の表面にゲート酸化膜を形成する工程と、
(B)該ゲート酸化膜上にp形不純物を含むシリコン層から成るゲート電極を形成する工程、
を含むp形半導体素子の製造方法であって、
工程(A)は、
(イ)水素ガス及び酸素ガスに電磁波を照射することによって水蒸気を生成させ、該水蒸気を用いて半導体層の表面を酸化し、以て半導体層の表面に酸化膜を形成する工程と、
(ロ)窒素系ガスに電磁波を照射することによって生成した励起状態の窒素分子若しくは窒素分子イオンにより該酸化膜の表面を窒化し、以てゲート酸化膜を形成する工程、
から成り、
工程(イ)及び工程(ロ)を同一の処理室内で行うことを特徴とするp形半導体素子の製造方法。
(A) forming a gate oxide film on the surface of the semiconductor layer;
(B) forming a gate electrode made of a silicon layer containing a p-type impurity on the gate oxide film;
A method for manufacturing a p-type semiconductor device comprising:
Step (A) includes:
(A) irradiating the hydrogen gas and the oxygen gas with electromagnetic waves to generate steam, oxidizing the surface of the semiconductor layer using the steam, and thereby forming an oxide film on the surface of the semiconductor layer;
(B) nitriding the surface of the oxide film with nitrogen molecules or nitrogen molecule ions in an excited state generated by irradiating a nitrogen-based gas with an electromagnetic wave, thereby forming a gate oxide film;
Ri consists of,
A method for manufacturing a p-type semiconductor device, wherein the steps (a) and (b) are performed in the same processing chamber .
(A)半導体層の表面にゲート酸化膜を形成する工程と、(A) forming a gate oxide film on the surface of the semiconductor layer;
(B)該ゲート酸化膜上にp形不純物を含むシリコン層から成るゲート電極を形成する工程、(B) forming a gate electrode made of a silicon layer containing a p-type impurity on the gate oxide film;
を含むp形半導体素子の製造方法であって、A method for manufacturing a p-type semiconductor device comprising:
工程(A)は、Step (A) includes:
(イ)水素ガス及び酸素ガスに電磁波を照射することによって水蒸気を生成させ、該水蒸気を用いて半導体層の表面を酸化し、以て半導体層の表面に酸化膜を形成する工程と、(A) irradiating the hydrogen gas and the oxygen gas with electromagnetic waves to generate steam, oxidizing the surface of the semiconductor layer using the steam, and thereby forming an oxide film on the surface of the semiconductor layer;
(ロ)窒素系ガスに電磁波を照射することによって生成した励起状態の窒素分子若しくは窒素分子イオンにより該酸化膜の表面を窒化し、以てゲート酸化膜を形成する工程、(B) nitriding the surface of the oxide film with nitrogen molecules or nitrogen molecule ions in an excited state generated by irradiating a nitrogen-based gas with an electromagnetic wave, thereby forming a gate oxide film;
から成り、Consisting of
工程(イ)において、酸化膜の形成が完了したときの半導体層の温度を、酸化膜の形成を開始する際の雰囲気温度よりも高くすることを特徴とするp形半導体素子の製造方法。A method for manufacturing a p-type semiconductor device, wherein in step (a), the temperature of the semiconductor layer when the formation of the oxide film is completed is higher than the ambient temperature when the formation of the oxide film is started.
水素ガス及び酸素ガスに照射する電磁波はマイクロ波であり、窒素系ガスに照射する電磁波もマイクロ波であることを特徴とする請求項9又は請求項10に記載のp形半導体素子の製造方法。 The method of manufacturing a p-type semiconductor device according to claim 9, wherein the electromagnetic waves applied to the hydrogen gas and the oxygen gas are microwaves, and the electromagnetic waves applied to the nitrogen-based gas are also microwaves . 工程(イ)と工程(ロ)の間で、形成された酸化膜に熱処理を施すことを特徴とする請求項9又は請求項10に記載のp形半導体素子の製造方法。The method for manufacturing a p-type semiconductor device according to claim 9 , wherein a heat treatment is performed on the formed oxide film between step (a) and step (b). 熱処理の雰囲気は、ハロゲン元素を含有する不活性ガス雰囲気であることを特徴とする請求項12に記載のp形半導体素子の製造方法。The method for manufacturing a p-type semiconductor device according to claim 12 , wherein the atmosphere of the heat treatment is an inert gas atmosphere containing a halogen element. ハロゲン元素は塩素であることを特徴とする請求項13に記載のp形半導体素子の製造方法。14. The method according to claim 13 , wherein the halogen element is chlorine. 塩素は塩化水素の形態であり、不活性ガス中に含有される塩化水素の濃度は0.02乃至10容量%であることを特徴とする請求項14に記載のp形半導体素子の製造方法。The method according to claim 14 , wherein the chlorine is in the form of hydrogen chloride, and the concentration of hydrogen chloride contained in the inert gas is 0.02 to 10% by volume. 熱処理は700乃至950゜Cの温度で行われることを特徴とする請求項12に記載のp形半導体素子の製造方法。The method according to claim 12 , wherein the heat treatment is performed at a temperature of 700 to 950 ° C.
JP32624397A 1997-11-27 1997-11-27 Method of forming oxide film and method of manufacturing p-type semiconductor device Expired - Fee Related JP3588994B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP32624397A JP3588994B2 (en) 1997-11-27 1997-11-27 Method of forming oxide film and method of manufacturing p-type semiconductor device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP32624397A JP3588994B2 (en) 1997-11-27 1997-11-27 Method of forming oxide film and method of manufacturing p-type semiconductor device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPH11162971A JPH11162971A (en) 1999-06-18
JP3588994B2 true JP3588994B2 (en) 2004-11-17

Family

ID=18185601

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP32624397A Expired - Fee Related JP3588994B2 (en) 1997-11-27 1997-11-27 Method of forming oxide film and method of manufacturing p-type semiconductor device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP3588994B2 (en)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW471068B (en) 1997-03-05 2002-01-01 Hitachi Ltd Method for fabricating semiconductor integrated circuit device with insulation film
JP4095326B2 (en) 2002-03-29 2008-06-04 株式会社東芝 Semiconductor device manufacturing method and semiconductor device
TWI235433B (en) * 2002-07-17 2005-07-01 Tokyo Electron Ltd Oxide film forming method, oxide film forming apparatus and electronic device material
US6821833B1 (en) * 2003-09-09 2004-11-23 International Business Machines Corporation Method for separately optimizing thin gate dielectric of PMOS and NMOS transistors within the same semiconductor chip and device manufactured thereby
PT105039A (en) 2010-04-06 2011-10-06 Univ Nova De Lisboa P-TYPE OXIDE ALLOYS BASED ON COPPER OXIDES, TANK OXIDES, COPPER TIN ALLOYS AND THEIR METAL LEAGUE, AND NICKEL OXIDE, WITH THE RESPECTIVE METALS EMBEDDED, THEIR MANUFACTURING AND USE PROCESS

Also Published As

Publication number Publication date
JPH11162971A (en) 1999-06-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7759598B2 (en) Substrate treating method and production method for semiconductor device
US6953727B2 (en) Manufacture method of semiconductor device with gate insulating films of different thickness
JP2000349081A (en) Method for formation of oxide film
JP2000332245A (en) MANUFACTURE OF SEMICONDUCTOR DEVICE AND MANUFACTURE OF p-TYPE SEMICONDUCTOR ELEMENT
JP2000332009A (en) Method of forming insulating film and manufacture of p-type semiconductor element
JP4403321B2 (en) Method for forming oxide film and method for manufacturing p-type semiconductor element
US6258730B1 (en) Ultra-thin gate oxide formation using an N2O plasma
JP3588994B2 (en) Method of forming oxide film and method of manufacturing p-type semiconductor device
JPH11162970A (en) Method of formation of oxide film
JPH11204517A (en) Forming method of silicon oxide film and silicon oxide film forming equipment
US6225169B1 (en) High density plasma nitridation as diffusion barrier and interface defect densities reduction for gate dielectric
JPH11186255A (en) Method of forming silicon oxide film
JP3757566B2 (en) Silicon oxide film forming method and oxide film forming apparatus
JP2000332005A (en) Plasma nitriding apparatus, formation of insulating film, and manufacture of p-type semiconductor element
JP3619795B2 (en) Manufacturing method of semiconductor device
JP2001127280A (en) Method for manufacturing semiconductor device and p- channel type semiconductor device
JP2000340670A (en) Insulating film and formation thereof
JP2000216156A (en) Formation of silicon nitride oxide film and manufacture of p type semiconductor element
JPH11135492A (en) Method and device for forming silicon oxide film
JPH11297689A (en) Heat treatment of silicon insulating film and manufacture of semiconductor device
JP3800788B2 (en) Method for forming silicon oxide film
JP2000068266A (en) Method for forming oxide film
JPH11288933A (en) Method for forming insulation film and manufacture of p-type semiconductor element
JP3952542B2 (en) Method for forming silicon oxide film
JP3823798B2 (en) Method for forming silicon nitride film, method for forming gate insulating film, and method for forming p-type semiconductor element

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20040115

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20040617

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20040622

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20040702

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20040727

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20040809

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20080827

Year of fee payment: 4

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090827

Year of fee payment: 5

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees