JPH04245636A

JPH04245636A - 絶縁膜形成方法

Info

Publication number: JPH04245636A
Application number: JP1086291A
Authority: JP
Inventors: Hisashi Fukuda; 永福田; Makoto Yasuda; 真安田
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 1991-01-31
Filing date: 1991-01-31
Publication date: 1992-09-02

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超大規模集積回路（Ｖ
ＬＳＩ）等において、膜厚が薄く、かつ膜質の優れたシ
リコン酸窒化膜（ＳｉＯｘＮｙ）等の絶縁膜を形成する
絶縁膜形成方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この様な分野の技術としては、例
えば次のような文献に記載されるものがあった。

【０００３】文献１：徳山　　巍・橋本哲一編「ＶＬＳ
Ｉ製造技術」（１９８９）日経ＢＰ社、Ｐ．６５−８５
文献２：菅野卓雄編「ＳｉＭＯＳデバイスの物理」（１
９９０）コロナ社、Ｐ．７９従来、半導体集積回路として、例えばシリコン集積回路
では、膜厚が極めて薄い酸化膜がゲート絶縁膜に用いら
れる。とりわけ１．０μｍ以下のゲート長を有するサブ
ミクロンＭＯＳデバイスでは、膜厚が例えば１００Å以
下となる酸化膜が用いられている。このように膜厚を薄
くすることで、利得の向上が図られている。

【０００４】絶縁膜として従来の酸化膜の形成方法は、
例えば前記文献１に記載されている。この酸化膜の形成
方法では、まず、電気炉によって８００℃〜１２００℃
に加熱した石英管内に、清浄化したシリコン（Ｓｉ）基
板が配置される。その後、酸化膜形成のための酸化性ガ
スが石英管内に導入される。

【０００５】酸化性ガスとしては、例えば乾燥した酸素
（Ｏ２　）ガス、酸素（Ｏ）及び水素（Ｈ）の混合ガス
、或いは塩素（Ｃｌ）を霧状にしてＯ２　ガスと混合し
たガス等が用いられる。酸化性ガスの導入された石英管
内に配置されたＳｉ基板を、形成しようとする酸化膜の
膜厚に見合った時間、一定温度で放置しておく。これに
より、Ｓｉ基板表面に均一な膜厚の酸化膜を形成できる
。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
絶縁膜形成方法では、次のような課題があった。

【０００７】（ａ）　　従来の絶縁膜形成方法では、膜
厚が例えば１００Å以下の薄い酸化膜を形成する場合、
膜厚制御が困難である。そのため、従来の絶縁膜形成方
法で前記のような薄い酸化膜を形成する場合は、石英管
の加熱温度を８００℃以下にする方法（これを低温酸化
法という）、或いは窒素で酸素を稀釈して酸化速度の低
下を図る方法（これを稀釈酸化法という）をとらざるを
得ない。

【０００８】ところが、低温酸化法では、シリコン酸化
膜（ＳｉＯ２　）／Ｓｉ基板界面で数十Åのオーダで、
Ｓｉの突起や、界面のうねりが発生し、絶縁耐圧が低下
してしまうという問題があった。これに対して稀釈酸化
法では、一般に１０００℃以上の高温で長時間熱処理を
行うため、不純物の再分布が生じ、電気的特性が劣化す
るという問題があった。

【０００９】また、低温酸化法及び稀釈酸化法のいずれ
の方法でも、得られる酸化膜は緻密でなく、ＳｉＯ２　
膜／Ｓｉ界面及び酸化膜中に、例えばＳｉ原子の不対結
合や、或いは歪んだＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合が多く存在する
ものである。そのため、トラップ密度が増加する傾向に
あり、電気的特性が劣化してしまう。

【００１０】（ｂ）　　前記（ａ）のような酸化膜を例
えばＭＯＳ型電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）の
ゲート絶縁膜として使用した場合、前記（ａ）の原因に
起因する種々の問題が生じる。

【００１１】例えば、ゲート長１μｍ以下の微細なＭＯ
ＳＦＥＴのゲート絶縁膜として使用した場合、チャネル
領域で発生したホットエレクトロンが酸化膜中に侵入す
ることがある。ホットエレクトロンが侵入すると、電子
はＳｉ原子の不対結合や、歪んだＳｉ−Ｏ結合にトラッ
プされ、新たな界面準位を発生させる。そのため、ＭＯ
ＳＦＥＴにおける閾値電圧の変動や、伝達コンダクタン
スの低下を引き起こすという問題が生じる。

【００１２】また、前記のような酸化膜を用いてＭＯＳ
構造を構成し、それらの耐圧試験を行うと、Ｓｉ原子の
不対結合や、歪んだＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合等のような結合
が切れることにより、新たなトラップが該酸化膜中に発
生し、絶縁破壊の原因になる。

【００１３】本発明は、前記従来技術が持っていた課題
として、膜厚が薄く、かつ高い膜質の絶縁膜を形成する
ことが困難である点について解決した絶縁膜形成方法を
提供するものである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、第１の発明は、反応炉内で基板に対し、絶縁膜形成
ガスの雰囲気中での加熱処理を行って該基板に絶縁膜を
形成する絶縁膜形成方法において、次のような手段を講
じたものである。即ち、前記絶縁膜形成ガスとして、窒
素（Ｎ２　）含有の酸化性ガス、或いはＮ２　含有の酸
化性ガス及びＮ２　非含有の酸化性ガスの混合ガスの、
いずれか一方のガスを用い、加熱処理によって前記絶縁
膜を形成する。次に、ハロゲン含有の反応性ガスを用い
て前記絶縁膜を熱処理し、ハロゲン原子を前記絶縁膜中
に混入するようにしたものである。

【００１５】第２の発明は、第１の発明において、前記
Ｎ２　含有の酸化性ガスとして、Ｎ原子が少なくとも１
０１６原子／ｃｍ３　以上含有したガスを用いる。

【００１６】第３の発明は、第１の発明において、フッ
素（Ｆ）や塩素（Ｃｌ）等のハロゲン原子が少なくとも
１０１６原子／ｃｍ３　以上、前記絶縁膜中に含有する
まで熱処理を行う。

【００１７】第４の発明は、第１の発明において、前記
絶縁膜形成時の熱処理、及びそれに続く前記絶縁膜形成
後の熱処理の双方またはその少なくとも一方を、赤外線
照射により行う。

【００１８】第１〜第４の発明において、基板とは、Ｓ
ｉ基板等のような基板そのものである場合は勿論のこと
、基板上にエピタキシャル層が形成されたもの、基板や
エピタキシャル層に素子が作り込まれている中間体等、
絶縁膜が形成されるべき広く下地を意味している。

【００１９】

【作用】第１の発明によれば、以上のように絶縁膜形成
方法を構成したので、Ｎ２　非含有の酸化性ガス及びＮ
２　含有の酸化性ガスを少なくとも一つ含む絶縁膜形成
ガスの雰囲気中で、基板に対する加熱処理を行うと、該
基板上に絶縁膜が形成される。この際、絶縁膜中にＮ原
子が均一に拡散し、この絶縁膜中に含まれている基板原
子の不対結合や未結合等に作用して安定な原子結合構造
が形成される。その後、ハロゲン含有の反応性ガスを用
いて絶縁膜を熱処理すると、ハロゲン原子が絶縁膜中に
混入し、基板と絶縁膜との界面において安定な基板原子
−ハロゲン原子の結合構造が形成され、界面準位密度が
低減する。

【００２０】第２の発明によれば、Ｎ原子が少なくとも
１０１６原子／ｃｍ３　以上含有した酸化性ガスを用い
て絶縁膜の成膜処理を行えば、Ｎ原子が絶縁膜中に拡散
し、該Ｎ原子が絶縁膜中に含まれている基板原子の不対
結合や未結合等に作用して安定な構造の原子結合が得ら
れ、それによって絶縁膜破壊特性の向上が図れる。

【００２１】第３の発明によれば、ハロゲン原子が少な
くとも１０１６／ｃｍ３　以上、絶縁膜中に含有するの
で、熱処理を行うことにより、ハロゲン原子が絶縁膜中
に拡散して基板と絶縁膜との界面において安定な基板原
子−ハロゲン原子結合が形成され、界面準位密度が減少
する。

【００２２】第４の発明によれば、赤外線照射により加
熱処理を行えば、基板に対する加熱及び冷却の制御が容
易となり、絶縁膜の成長・停止が簡単に行える。従って
、前記課題を解決できるのである。

【００２３】

【実施例】図１は本発明の一実施例の絶縁膜形成方法を
示す工程図であり、各工程（Ａ）〜（Ｃ）における試料
の様子が断面図で示されている。図２は、図１の絶縁膜
形成工程中に実施した加熱サイクルの説明図であり、横
軸に時間、縦軸に温度がとられている。図３は図１の絶
縁膜形成方法を実施するための絶縁膜形成装置の概略を
示す全体の構成図、及び図４は図３中の反応炉及び加熱
部の概略を示す断面図である。

【００２４】まず、図３及び図４を参照しつつ、本実施
例で使用する絶縁膜形成装置について説明する。

【００２５】図３に示す絶縁膜形成装置は、ガス供給系
１０と、絶縁膜が形成される基板が設置される反応炉２
０と、反応炉２０の加熱処理を行う加熱部３０と、反応
炉２０内の真空排気を行う真空排気系４０とを、備えて
いる。

【００２６】ガス供給系１０は、ガス供給部１１を有し
、そのガス供給部１１が自動開閉バルブ１２ａ〜１２ｄ
に接続されている。自動開閉バルブ１２ａ，１２ｂは、
供給管１３により、自動ガス流量コントローラ１４ａ、
自動開閉バルブ１５ａ及びバルブ１７を介して反応炉２
０と接続されている。自動開閉バルブ１２ｃ，１２ｄは
、供給管１３により、自動ガス流量コントローラ１４ｂ
、自動開閉バルブ１５ｂ及びバルブ１７を介して反応炉
２０に接続されている。

【００２７】ガス供給部１１は、還元性ガス源１１ａ、
例えばＮ２　Ｏガス源からなる第１の酸化性ガス源１１
ｂ、例えばＯ２　ガス源からなる第２の酸化性ガス源１
１ｃ、及び反応性ガス源１１ｄより構成されている。こ
のガス供給系１０では、バルブ１２ａ〜１２ｄ、１５ａ
，１５ｂ，１７をそれぞれ任意好適に開閉することによ
り、　　ガス供給部１１から所望のガスを反応炉２０へ
供給可能な構造になっている。

【００２８】反応炉２０に接続された真空排気系４０は
、反応炉２０に接続された排気管４１を有し、その排気
管４１には圧力ゲージ或いは真空計４２ａ〜４２ｄが接
続されている。真空計４２ａ及び４２ｄは、例えば１〜
１０−３Ｔｏｒｒの範囲の圧力測定に用いるバラトロン
真空計とし、他の真空計４２ｂ及び４２ｃを、例えば１
０−４〜１０−１０　Ｔｏｒｒの範囲の圧力測定に用い
るイオンゲージとする。排気管４１と真空計４２ｂとの
間には、該真空計４２ｂを保護するための自動開閉バル
ブ４３が設けられ、真空計４２ｂの動作時に該真空計４
２ｂに対して１０−３Ｔｏｒｒ以上の圧力を負荷しない
ように該バルブ４３の開閉を自動制御するようになって
いる。

【００２９】排気管４１には、複数の自動開閉バルブ４
４ａ〜４４ｅ及び圧力調整用ニードルバルブ４５を介し
て排気手段４６が接続されると共に、自動開閉バルブ４
４ｆが接続されている。排気手段４６は、例えばターボ
分子ポンプ４６ａと、該ポンプ４６ａに接続されたロー
タリーポンプ４６ｂとで構成されている。自動開閉バル
ブ４４ａ〜４４ｆは、それらによって任意好適な圧力に
制御し、反応炉２０内に低真空排気状態及び高真空排気
状態を形成するようになっている。

【００３０】排気管４１には、レリーフバルブ４７が接
続されている。このレリーフバルブ４７は、反応炉２０
内の圧力が大気圧（例えば、７６０Ｔｏｒｒ）を越えた
場合に自動的に開放し、該バルブ４７の開放により、ガ
ス供給系１０から反応炉２０へ供給されたガスを排気す
る機能を有している。

【００３１】図４に示すように、反応炉（チャンバー）
２０は、例えば供給管１３及び排気管４１に接続された
ステンレス製等の反応炉本体２１と、ステンレス製等の
昇降部材２２と、石英製等の蓋部材２３とを、備えてい
る。反応炉本体２１及び昇降部材２２は、分離可能に一
体となって凹部２４を形成している。昇降部材２２の凹
部２４側には、処理対象となる基板５０を載置するため
の石英製等の支持体２５が設けられると共に、昇降装置
２６が取り付けられている。この昇降装置２６を用いて
昇降部材２２を昇降することにより、支持体２５に載置
した基板５０を、反応炉２０内へ入れ、或いは該反応炉
２０外へ取り出せるようになっている。反応炉本体２１
と昇降部材２２との間には、バイトンパッキン等の気密
保持部材２７が設けられている。さらに、反応炉本体２
１に着脱自在に取り付けられる蓋部材２３と、該反応炉
本体２１との間にも、バイトンパッキン等の気密保持部
材２８が設けられている。そのため、反応炉２０内の真
空引きを行った際に、気密保持部材２７，２８により、
該反応炉２０内の気密状態が形成できるようになってい
る。

【００３２】また、凹部２４の基板近傍位置には、該基
板５０の表面温度を測定するためのオプティカルパイロ
メータ等の温度測定手段２９が設けられている。

【００３３】反応炉２０を加熱するための加熱部３０は
、任意好適な構成の赤外線照射手段、例えば赤外線ラン
プ３１と、該赤外線ランプ３１を支持するための支持部
材３２とで、構成されている。赤外線ランプ３１として
は、タングステンハロゲンランプ等の任意好適なランプ
を用いる。好ましくは、複数個の赤外線ランプ３１を用
い、反応炉２０内の加熱を均一に行えるように支持部材
３２に配置する。

【００３４】赤外線ランプ３１は、反応炉２０外に配置
する。この際、反応炉２０の一部、例えば蓋部材２３を
、赤外線を透過する材料（例えば、石英等）で構成し、
該赤外線を反応炉２０外から該反応炉２０内に透過させ
るようにしている。支持部材３２は、該支持部材３２と
反応炉本体２１との間に蓋部材２３及び反応炉本体２１
の当接部を閉じこめるように、該反応炉本体２１に着脱
自在に取り付ける。さらに、支持部材３２と反応炉本体
２１との間には、バイトンパッキン等の気密保持部材３
３が設けられ、反応炉２０内の真空気密性の向上が図ら
れている。

【００３５】次に、図３及び図４の絶縁膜形成装置を用
いた本実施例の絶縁膜形成方法を、図１及び図２を参照
しつつ説明する。

【００３６】本実施例の絶縁膜形成方法では、基板５０
として、例えばＳｉ基板を用い、その基板５０を図４の
反応炉２０内の支持体２５に設置した後、（１）基板の
清浄化処理、（２）絶縁膜の成膜処理、及び（３）絶縁
膜のフッ素処理を順に施すようにしている。

【００３７】（１）基板の清浄化処理（１）（ａ）　　前処理まず、図１（Ａ）の基板５０を反応炉２０内に設置する
前に、化学薬品及び純水等を用いて該基板５０の前洗浄
を行う。

【００３８】（１）（ｂ）　　清浄化処理前洗浄を行っ
た基板５０を、図４に示す昇降部材２２の支持体２５上
に固定する。そして、還元性ガス雰囲気中で基板５０の
加熱処理を行い、該基板５０を反応炉２０内で清浄化す
る。以下、この基板表面の清浄化処理を説明する。

【００３９】まず、図３の排気手段４６により、反応炉
２０内を例えば１×１０−８Ｔｏｒｒの高真空に排気し
、該反応炉２０内を清浄化する。

【００４０】この真空排気を行うために、図３のバルブ
４３，４４ａ，４４ｅ，４４ｆ，４５を閉じておいてバ
ルブ４４ｂ，４４ｃ，４４ｄを開き、ロータリーポンプ
４６ｂを作動させ、反応炉２０内の圧力を真空計４２ａ
でモニタ（監視）しながら、真空排気を行う。反応炉２
０内が例えば１×１０−３Ｔｏｒｒの圧力となった後、
バルブ４４ｃ，４４ｄを閉じてバルブ４３，４４ｅを開
き、真空計４２ｂで反応炉２０内の圧力をモニタしなが
ら、１×１０−６Ｔｏｒｒまで反応炉２０内を真空排気
する。

【００４１】高真空に反応炉２０内を排気したら、図２
の（ｉ）Ｈ２　フローに示すように、該反応炉２０内に
還元性ガス、例えばＨ２　ガスを導入する。この還元性
ガスの導入に際し、次に行う還元性ガス雰囲気中での加
熱処理において、反応炉２０内の減圧状態を維持するた
めに、バルブ４３，４４ｂ，４４ｅを閉じてバルブ４４
ａ，４５を開いた状態とする。この状態で、バルブ１２
ａ，１５ａ，１７を開いて還元性ガス源１１ａのＨ２　
ガスを反応炉２０内へ供給する。

【００４２】反応炉２０内の減圧状態の維持は、還元性
ガスを導入しながら、バルブ４５を操作すると共に、該
還元性ガスの流量を自動ガス流量コントローラ１４ａで
調節することによって行える。このようにして、反応炉
２０内を例えば１００〜１０−２Ｔｏｒｒの低真空の減
圧状態に維持する。

【００４３】次に、図１（Ａ）に示すように、基板５０
上に形成された自然酸化膜５０ａを除去するため、図３
の加熱部３０によって基板５０の加熱処理を行う。この
加熱処理では、減圧状態下の還元性ガス雰囲気中で、図
４の赤外線ランプ３１を用いた赤外線照射により、基板
５０を加熱して自然酸化膜５０ａを除去する。このよう
に、反応炉２０内を減圧状態に維持しながら加熱処理を
行うことにより、自然酸化膜５０ａの還元による反応生
成物によって基板５０及び反応炉２０内が汚染される度
合を低減できる。

【００４４】この加熱処理では、基板５０の表面温度を
図４の温度測定手段２９で測定しながら行う。例えば、
基板５０の表面温度を５０℃／秒〜２００℃／秒の間の
適当な割合で、好ましくは約１００℃／秒で上昇させて
約１０００℃となったら、約１０〜３０秒間、１０００
℃の状態を保持するように、基板５０の加熱を制御する
。

【００４５】加熱処理後、図４の加熱部３０を用いた基
板５０の加熱を停止すると共に、図３の自動開閉バルブ
１２ａを閉じて還元性ガスの供給を停止する。そして、
基板５０の表面温度が室温（例えば、約２５℃）となる
まで、該基板５０が冷却するのを待つ。冷却したならば
、図３のバルブ４４ｃ，４４ｄを閉じてバルブ４４ｂ，
４４ｅを開け、反応炉２０内を例えば１×１０−８Ｔｏ
ｒｒの高真空に排気し、該反応炉２０内を清浄化する。

【００４６】（２）絶縁膜の成膜処理図２の（ｉｉ）Ｏ２　＋Ｎ２　Ｏフローに示すように、
Ｎ２　非含有の第１の酸化性ガス（例えば、Ｏ２　ガス
）、及びＮ２　含有の第２の酸化性ガス（例えば、一酸
化二窒素Ｎ２　Ｏガス）の雰囲気中で、加熱処理を行っ
て絶縁膜（例えば、ＳｉＯｘＮｙ）を形成する。そのた
め、図３のバルブ４４ｂ，４４ｅを閉じ、バルブ１２ｃ
，１５ｂ，４４ａ，４５を開き、第２の酸化性ガス源１
１ｃから、Ｎ２　非含有のＯ２　ガスを反応炉２０内へ
供給する。続いて、図３のバルブ１２ｂを開き、第１の
酸化性ガス源１１ｂから、Ｎ２　含有のＮ２　Ｏガスを
反応炉２０内へ供給し、図２の（ｉｉ）Ｏ２　＋Ｎ２Ｏ
フローを行う。

【００４７】この絶縁膜形成は、大気圧下でも行えるが
、絶縁膜形成時の反応生成物を反応炉２０外へ排気する
ために、該外反応炉２０内を例えば１００〜１０−２Ｔ
ｏｒｒの低真空の減圧状態に維持する。この減圧状態で
、図４の赤外線ランプ３１によって基板５０の加熱処理
を行う。

【００４８】具体的には、基板５０の表面温度を図４の
温度測定手段２９で測定しながら、該基板５０の温度を
例えば５０℃／秒〜２００℃／秒の間の適当な割合で、
好ましくは、昇温速度が約１００℃／秒で上昇させた後
、約６０秒間、１０００℃に保持するように行う。この
場合、温度の上昇割合が一定となるように加熱を行うの
が好適である。これは、絶縁膜の成長度合を一定にして
品質の良い絶縁膜を形成するためである。

【００４９】このような条件で基板５０を加熱すること
により、図１（Ｃ）に示すように、約１００Åの膜厚で
、ＮがＳｉＯ２　膜中に約５原子％混入したＳｉＯｘＮ
ｙ膜５０ｂが形成できる。

【００５０】（３）絶縁膜のフッ素処理ＳｉＯｘＮｙ膜
５０ｂの形成後、反応炉２０内を酸化性ガスから、ハロ
ゲンとして例えばＦを含有する反応性ガスに切り替え、
次のようにしてＳｉＯｘＮｙ膜５０ｂのフッ素処理を行
う。

【００５１】まず、図２に示す（ｉｉｉ）ＮＦ３　フロ
ーに示すように、図３のバルブ４４ｂ，４４ｅを閉じ、
バルブ１２ｄ，１５ｂ，４４ａ，４５を開き、反応性ガ
ス源１１ｄから、アルゴン（Ａｒ）ガス稀釈１％フッ化
窒素（ＮＦ３　）ガスを反応炉２０内へ供給する。

【００５２】この際、反応炉２０内は、例えば１００〜
１０−２Ｔｏｒｒの低真空の減圧状態に維持するのが好
適である。これは、後の加熱処理において生成される反
応生成物等を反応炉２０外へ排気するためである。

【００５３】反応炉２０内を減圧状態に維持した後、図
４の赤外線ランプ３１を点灯し、絶縁膜形成済みの基板
５０をＮＦ３　ガス雰囲気中で加熱する。具体的には、
基板５０の表面温度を図４の温度測定手段２９で測定し
ながら、例えば基板５０の表面温度を１００℃／秒の割
合で上昇させ、約１０００℃となったら、約１０〜３０
秒間、１０００℃の状態を保持するように、基板５０の
加熱を制御する。このような条件で、基板５０を加熱す
ることにより、ＳｉＯｘＮｙ膜５０ｂ中に約１０原子％
のＦを混入できる。この含有Ｆの量は、例えばフッ素処
理時間、処理温度、１％ＮＦ３　／Ａｒガス流量、及び
ＮＦ３　／Ａｒガス流量比を調整することによって行え
る。

【００５４】フッ素処理が終了したら、次に基板５０の
加熱を停止する。この基板５０の加熱停止と共に、或い
は加熱停止の後に、図３のバルブ１２ｄを閉じてＮＦ３
　ガスの供給を停止する。そして、基板５０を室温（例
えば、２５℃）まで冷却する。基板５０が室温まで下が
ったら、反応炉２０を大気圧にし、該基板５０を取り出
すことにより、本実施例の絶縁膜形成処理工程が終了す
る。

【００５５】以上のように、本実施例の絶縁膜形成方法
では、次のような利点がある。

【００５６】（ａ）　　本実施例では、Ｎ２　非含有の
酸化性ガス（Ｏ２　ガス）とＮ２　含有の酸化性ガス（
Ｎ２　Ｏガス）を混合し、赤外線ランプ３１を用いた赤
外線照射により、基板５０の表面にＳｉＯｘＮｙ膜５０
ｂを形成している。この結果、該ＳｉＯｘＮｙ膜５０ｂ
中にＮ原子が数原子％一様に拡散し、これら膜中に含ま
れているＳｉ原子の不対結合や、或いは歪んだＳｉ−Ｏ
−Ｓｉ結合等のような未結合等に作用して安定なＳｉ−
Ｎ結合やＯ−Ｎ結合が形成される。そのため、未結合手
や弱い結合が低減され、ＳｉＯｘＮｙ膜の絶縁破壊特性
の向上が図れ、品質の優れた絶縁膜が得られる。

【００５７】（ｂ）　　前記（ａ）の絶縁膜成膜処理で
は、例えばＳｉ−Ｎ結合が、ＳｉＯ２　／Ｓｉ界面付近
に形成された場合、界面準位密度が増加するという問題
が生じる。そのため、本実施例では、絶縁膜形成後、フ
ッ素で処理を行い、意図的にフッ素をＳｉＯｘＮｙ膜中
に侵入させる。侵入したフッ素は、絶縁膜であるＳｉＯ
２　膜中にすみやかに拡散し、ＳｉＯｘＮｙ／Ｓｉ界面
で安定なＳｉ−Ｆ結合を形成する。Ｓｉ−Ｆ結合エネル
ギーは５．７ｅＶであり、Ｓｉ−Ｎ結合の４．６ｅＶよ
りも大きく、界面でより安定な状態となる。界面でのこ
のＳｉ−Ｆ結合は、前記文献２に記載されているように
、Ｓｉ−Ｃｌ結合と同様、界面準位密度を低減させるこ
とができる。

【００５８】（ｃ）　　絶縁膜形成前に基板５０に対し
、還元性ガス（Ｈ２　ガス）の雰囲気中での加熱処理を
行い、清浄化処理を行っている。そのため、基板５０上
の自然酸化膜５０ａ等を除去でき、清浄化された基板５
０にＳｉＯｘＮｙ膜５０ｂが形成されることになる。

【００５９】（ｄ）　　絶縁膜形成ガス雰囲気中での加
熱処理を赤外線ランプ３１を用いて行っているので、基
板５０の加熱及び冷却を応答性良く行える。このため、
ＳｉＯｘＮｙ膜５０ｂを高温条件で形成しても、そのＳ
ｉＯｘＮｙ膜５０ｂの成長・停止が容易であり、薄い膜
厚で、かつ品質の優れた絶縁膜形成が可能になる。

【００６０】なお、上記実施例の図面では、本発明を理
解できる程度に各構成成分の寸法、形状及び配置位置等
を概略的に示しているにすぎない。従って、各構成成分
の寸法、形状及び配置関係等は、図示のものに限定され
るものではない。また、上記実施例の絶縁膜形成工程に
おいて、特定の材料及び特定の数値的条件等を挙げて説
明しているが、これら材料及び条件等は、単なる好適例
にすぎない。従って、本発明はこれら材料及び条件等に
限定されるものではなく、種々の変形が可能である。そ
の変形例としては、例えば次のようなものがある。

【００６１】（１）　　図３及び図４の絶縁膜形成装置
において、例えば加熱部３０の構成及び配置位置は、加
熱処理を行える任意好適な構成及び配置位置等としても
よい。例えば、上記実施例では、各加熱処理を赤外線ラ
ンプ３１により行っているが、この加熱処理はアークラ
ンプやレーザビーム、さらにはヒータ等で行ってもよい
。例えば、加熱部３０をヒータをもって構成し、そのヒー
タを反応炉２０内に設けるようにしてもよい。この際、
図４の支持部材３２は、それに応じて構成及び配置位置
を変形すればよい。

【００６２】（２）　　図１の絶縁膜形成方法は、低温
酸化法或いは稀釈酸化法等に適用した場合等にも、絶縁
膜の膜質向上が可能となる。また、ＳｉＯｘＮｙ膜５０
ｂのｘ，ｙは、基板５０の材質等に応じて適宜設定すれ
ばよい。しかも、本発明の絶縁膜はＳｉＯｘＮｙ膜５０
ｂに限らず、他の成分の絶縁膜であっても、適用可能で
ある。

【００６３】（３）　　上記実施例では、Ｎ２　非含有
の酸化性ガスとしてＯ２　ガスを用い、Ｎ２　含有の酸
化性ガスにＮ２　Ｏガスを用い、反応性ガスとしてＡｒ
稀釈ＮＦ３　ガスを用いているが、これらのガスは同様
な効果が得られる他のガスでもよい。例えば、Ｎ２　含
有の酸化性ガスとしてＮＯガスやＮＯ２　ガス等を用い
、反応性ガスとしてＣｌ等の他のハロゲン含有の不活性
ガスを用いてもよい。

【００６４】（４）　　上記実施例では、絶縁膜形成の
前に還元性ガス雰囲気中での加熱処理を行って基板５０
を清浄化しているが、処理工程によっては、この清浄化
処理を省略することも可能である。

【００６５】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、第１の発明
によれば、Ｎ２　非含有の酸化性ガス及びＮ２　含有の
酸化性ガスを少なくとも一つ含む酸化性ガスを用い、加
熱処理によって基板上に絶縁膜を形成する。そのため、
絶縁膜中に絶縁膜形成ガス中の原子が一様に拡散し、こ
れら絶縁膜中に含まれている基板原子の不対結合や未結
合等に作用して安定な結合構造になる。これにより、未
結合手や弱い結合が低減され、絶縁膜の絶縁破壊特性の
向上が図れ、品質の優れた絶縁膜が得られる。

【００６６】さらに、ハロゲン含有の反応性ガスを用い
て絶縁膜を熱処理しているので、ハロゲン原子が前記絶
縁膜中に混入し、基板と絶縁膜との界面における原子結
合の界面準位密度が低減し、前記の界面で安定した原子
結合構造を得ることができる。

【００６７】第２の発明では、窒素原子が少なくとも１
０１６原子／ｃｍ３　以上（例えば、１０２０程度）含
有した酸化性ガスを用いているので、絶縁膜中へのＮ原
子の拡散が効率良く行われる。

【００６８】第３の発明によれば、ハロゲン原子が少な
くとも１０１６原子／ｃｍ３　以上（例えば、１０２０
程度）、絶縁膜中に含有するまで熱処理を行うので、基
板と絶縁膜との界面において原子結合がより安定した状
態となり、界面準位密度が低減し、電気的特性がより向
上する。

【００６９】第４の発明によれば、加熱処理を赤外線照
射により行うので、基板の加熱及び冷却を応答性良く行
える。そのため、絶縁膜を高温条件で形成しても、その
絶縁膜の成長・停止が容易であり、より薄い膜厚で、か
つより品質の優れた絶縁膜の形成が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す絶縁膜形成方法の工程図
である。

【図２】図１の加熱サイクルの説明図である。

【図３】本発明の実施例を示す絶縁膜形成装置の全体の
構成図である。

【図４】図３中の反応炉及び加熱部の断面図である。

【符号の説明】

１０　　　　ガス供給系２０　　　　反応炉３０　　　　加熱部４０　　　　真空排気系５０　　　　基板５０ａ　　自然酸化膜５０ｂ　　ＳｉＯｘＮｙ膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　反応炉内で基板に対し、絶縁膜形成ガ
スの雰囲気中での加熱処理を行って該基板に絶縁膜を形
成する絶縁膜形成方法において、前記絶縁膜形成ガスと
して、窒素含有の酸化性ガス、または窒素含有の酸化性
ガス及び窒素非含有の酸化性ガスの混合ガスの、いずれ
か一方のガスを用い、加熱処理によって前記絶縁膜を形
成した後、ハロゲン含有の反応性ガスを用いて前記絶縁
膜を熱処理し、ハロゲン原子を前記絶縁膜中に混入する
ことを特徴とする絶縁膜形成方法。
【請求項２】　　請求項１記載の絶縁膜形成方法におい
て、前記窒素含有の酸化性ガスとして、窒素原子が少な
くとも１０１６原子／ｃｍ３　以上含有したガスを用い
る絶縁膜形成方法。
【請求項３】　　請求項１記載の絶縁膜形成方法におい
て、前記ハロゲン原子が少なくとも１０１６原子／ｃｍ
３　以上、前記絶縁膜中に含有するまで熱処理を行う絶
縁膜形成方法。
【請求項４】　　請求項１記載の絶縁膜形成方法におい
て、前記絶縁膜形成時の熱処理、及び前記絶縁膜形成後
の熱処理の双方またはその少なくとも一方を、赤外線照
射により行う絶縁膜形成方法。