JPH0429222B2 - - Google Patents

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JPH0429222B2
JPH0429222B2 JP58106161A JP10616183A JPH0429222B2 JP H0429222 B2 JPH0429222 B2 JP H0429222B2 JP 58106161 A JP58106161 A JP 58106161A JP 10616183 A JP10616183 A JP 10616183A JP H0429222 B2 JPH0429222 B2 JP H0429222B2
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104Forming layers
    • H01L21/02107Forming insulating materials on a substrate
    • H01L21/02109Forming insulating materials on a substrate characterised by the type of layer, e.g. type of material, porous/non-porous, pre-cursors, mixtures or laminates
    • H01L21/02112Forming insulating materials on a substrate characterised by the type of layer, e.g. type of material, porous/non-porous, pre-cursors, mixtures or laminates characterised by the material of the layer
    • H01L21/02123Forming insulating materials on a substrate characterised by the type of layer, e.g. type of material, porous/non-porous, pre-cursors, mixtures or laminates characterised by the material of the layer the material containing silicon
    • H01L21/0217Forming insulating materials on a substrate characterised by the type of layer, e.g. type of material, porous/non-porous, pre-cursors, mixtures or laminates characterised by the material of the layer the material containing silicon the material being a silicon nitride not containing oxygen, e.g. SixNy or SixByNz

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、シリコン基板等の試料を直接窒化し
て窒化膜を形成する方法に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Technical Field of the Invention] The present invention relates to a method for forming a nitride film by directly nitriding a sample such as a silicon substrate.

〔発明の技術的背景とその問題点〕[Technical background of the invention and its problems]

半導体集積回路は年々高集積化の一途をたどつ
ている。例えばMOSメモリの代表例としてダイ
ナミツク・ランダム・アクセス・メモリ
(DRAM)をみると、16Kビツトから64K、そし
て256Kビツトへと急速に展開しており、1Mビツ
トDRAMも近々発表されようとしている。この
場合、集積回路チツプの面積はそれ程変らないで
高密度になつていくため、DRAMのメモリセル
面積はますます小さくならざるを得ない。しかし
メモリセル面積の縮小に比例してメモリセルを構
成するMOSキヤパシタの容量が減少することは、
十分なS/N比を確保するためには避けなければ
ならない。そのためには、MOSキヤパシタを構
成するシリコン酸化膜(SiO2膜)の薄膜化が必
要である。例えば、64KビツトDRAMではMOS
キヤパシタのSiO2膜は約400Åであり、256Kビツ
トではこれを約200Åとし、1Mビツトでは約100
Å程度にすることが要求される。
Semiconductor integrated circuits are becoming more and more highly integrated year by year. For example, dynamic random access memory (DRAM), a typical example of MOS memory, is rapidly evolving from 16K bits to 64K bits to 256K bits, and 1M bit DRAM is about to be announced soon. In this case, the area of the integrated circuit chip will continue to increase in density without changing much, so the area of the DRAM memory cell will inevitably become smaller and smaller. However, as the memory cell area decreases, the capacity of the MOS capacitor that makes up the memory cell decreases.
This must be avoided in order to ensure a sufficient S/N ratio. To achieve this, it is necessary to make the silicon oxide film (SiO 2 film) that makes up the MOS capacitor thinner. For example, in 64K bit DRAM, MOS
The SiO 2 film of the capacitor is about 400 Å thick, which is about 200 Å for 256K bits and about 100 Å for 1M bits.
It is required that the thickness be approximately Å.

ところが、このようにSiO膜の薄膜化が進む
と、膜厚の制御性が悪くなり、又、欠陥密度の増
加によりSiO2膜の耐電圧特性が劣化する。
However, as the SiO film becomes thinner in this way, the controllability of the film thickness deteriorates, and the withstand voltage characteristics of the SiO 2 film deteriorate due to an increase in defect density.

このような問題を解決するために、MOSキヤ
パシタの誘電体膜としてSiO2膜に代つてシリコ
ン窒化膜(Si3N4膜)を用いることが従来より検
討されている。Si3N4膜は誘電率がSiO2膜のそれ
の約2倍であり、従つてSiN4膜を用いてMOSキ
ヤパシタを構成すると、SiO2膜を用いた場合と
同じ面積、膜厚で約2倍の容量が実現できるから
である。しかもSi3N4膜はNa等の不純物を阻止
する効果がSiO2膜に比べてはるかに大きく、こ
のことも素子の信頼性向上に有利である。
In order to solve these problems, it has been conventionally considered to use a silicon nitride film (Si 3 N 4 film) instead of the SiO 2 film as the dielectric film of the MOS capacitor. The dielectric constant of the Si 3 N 4 film is approximately twice that of the SiO 2 film. Therefore, if a MOS capacitor is constructed using a SiN 4 film, the area and thickness will be approximately the same as when using an SiO 2 film. This is because twice the capacity can be achieved. Moreover, the Si 3 N 4 film has a much greater effect of blocking impurities such as Na than the SiO 2 film, which is also advantageous for improving the reliability of the device.

従来、Si3N4膜を形成する方法としては、モノ
シラン(SiH4)とアンモニア(NH3)を約850℃
程度で熱分解させる気相成長法(CVD)が一般
的であつた。しかしこの方法は、(1)膜厚の制御が
難しい、(2)通常シリコン基板上には10〜20Åの
SiO2膜が自然酸化膜として存在するため、この
上にSi3N4膜を堆積するとMNOS構造が形成さ
れ、Si−Si3N4界面の表面準位密度が1012/cm2
上にもなつてこれがS/N比低下の原因となる、
といつた本質的欠点があつた。
Conventionally, the method for forming Si 3 N 4 film was to mix monosilane (SiH 4 ) and ammonia (NH 3 ) at about 850°C.
Vapor phase deposition (CVD), which involves thermal decomposition at a moderate level, was common. However, with this method, (1) it is difficult to control the film thickness, and (2) there is usually a thickness of 10 to 20 Å on a silicon substrate.
Since the SiO 2 film exists as a natural oxide film, when a Si 3 N 4 film is deposited on it, an MNOS structure is formed, and the surface state density at the Si-Si 3 N 4 interface increases to 10 12 /cm 2 or more. This causes a decrease in the S/N ratio.
There was an essential flaw.

そこでこのような欠点のないSi3N4膜の形成方
法として、1200℃以上の高温中でN2又はNH3
スとシリコンとを直接反応させる直接窒化法が試
みられている。しかし単に高温中で直接窒化する
方法では、Si3N4膜は約50Å以上にはならない。
これは、Si3N4膜の膜質がSiO2膜に比べてはるか
に緻密であつて、表面にごく薄くSi3N4膜が形成
されるとN原子のシリコン基板への供給が妨げら
れることに起因する。またこの方法によるSiN4
膜の膜質は島状をなす不均質なものである(例え
ば、論文“Very Thin Silicon Nitride Films
Grown by Direct Thermal Reactive with
Nitrogen”(J.Electrochem.:Solid−State
Science and Technology、March 1978)参
照)。
Therefore, as a method for forming a Si 3 N 4 film without such drawbacks, a direct nitriding method in which N 2 or NH 3 gas and silicon are directly reacted at a high temperature of 1200° C. or higher has been attempted. However, if the Si 3 N 4 film is simply nitrided directly at high temperature, the thickness will not exceed about 50 Å.
This is because the quality of the Si 3 N 4 film is much denser than that of the SiO 2 film, and if a very thin Si 3 N 4 film is formed on the surface, the supply of N atoms to the silicon substrate will be blocked. caused by. Also by this method SiN 4
The film quality is island-like and heterogeneous (for example, the paper “Very Thin Silicon Nitride Films
Grown by Direct Thermal Reactive with
Nitrogen” (J.Electrochem.:Solid-State
Science and Technology, March 1978).

これに対し、直接窒化による窒化速度を速めて
より厚いSi3N4膜を得るために、グロー放電を利
用する方法が提案されている(伊藤隆司:昭和56
年春季第28回応用物理学会連合講演会29P−C−
5参照)。この方法の概略を第1図を用いて説明
する。1は石英管であり、この内部にシリコンカ
ーバイド(SiC)をコートしたサセプタ3に支持
されたシリコンウエハ4が並べて配列される。石
英管1の一端はふた2によりふさがれ、他端は排
気系に接続される。石英管1の外周にはコイル5
が巻かれており、このコイル5の両端にRF電源
6が接続される。7はガス導入部であり、ここか
らNH3、N2+H2もしくはN2等のガスが供給され
る。
On the other hand, a method using glow discharge has been proposed in order to increase the nitriding rate by direct nitriding and obtain a thicker Si 3 N 4 film (Takashi Ito: 1973).
28th Spring 2018 Joint Conference of Applied Physics Society 29P-C-
(see 5). The outline of this method will be explained using FIG. 1. 1 is a quartz tube, inside which silicon wafers 4 supported by a susceptor 3 coated with silicon carbide (SiC) are arranged side by side. One end of the quartz tube 1 is covered with a lid 2, and the other end is connected to an exhaust system. A coil 5 is installed on the outer periphery of the quartz tube 1.
is wound around the coil 5, and an RF power source 6 is connected to both ends of the coil 5. 7 is a gas introduction part, from which gas such as NH 3 , N 2 +H 2 or N 2 is supplied.

いま、NH3ガスが0.1〜10Torrになるように石
英管1内の圧力を設定し、RF電源6から400KHz
のRF電力を供給すると、石英管1内にはグロー
放電によるガスプラズマ8が生成されると同時
に、シリコンウエハ4は誘導加熱により加熱され
る。報告によれば、窒素を含んだガスプラズマ8
とシリコンウエハ4との間に反応が生じ、NH3
流量が1/分、RF電力が10KW、シリコンウ
エハの温度が1050℃の条件で約100分で100Å程度
のSi3N4膜が形成される。
Now, set the pressure inside the quartz tube 1 so that the NH 3 gas is 0.1 to 10 Torr, and set the pressure in the quartz tube 1 to 400KHz from the RF power supply 6.
When RF power is supplied, gas plasma 8 is generated in the quartz tube 1 by glow discharge, and at the same time, the silicon wafer 4 is heated by induction heating. According to reports, nitrogen-containing gas plasma8
A reaction occurs between and the silicon wafer 4, and NH 3
A Si 3 N 4 film of about 100 Å is formed in about 100 minutes under the conditions of a flow rate of 1/min, RF power of 10 KW, and silicon wafer temperature of 1050°C.

しかしながら、本発明者がこの方法を追試した
結果によると、確かに100Å程度のSi3N4膜は得
られたが、Si−Si3N4界面特性は不安定なもので
あつた。その原因を追求した結果、この方法では
得られたSi3N4膜の多くがシリコンウエハの直接
窒化によるものではなく、CVDにより堆積した
ものであることが、膜厚の測定から明らかになつ
た。これは、ガスプラズマによつて石英管内壁や
シリコンウエハがスパツタされて生じたSiと
NH3との反応によるものである。また、この方
法によるSi3N4膜の不安定要素としては、ガスプ
ラズマによるシリコンウエハ表面の損傷も考えら
れる。
However, according to the results of the present inventor's repeated trials of this method, although a Si 3 N 4 film of approximately 100 Å was indeed obtained, the Si-Si 3 N 4 interface characteristics were unstable. As a result of investigating the cause, it became clear from film thickness measurements that much of the Si 3 N 4 film obtained using this method was not deposited by direct nitriding of the silicon wafer, but by CVD. . This is due to Si generated when the inner wall of the quartz tube and silicon wafer are spattered by gas plasma.
This is due to reaction with NH3 . Furthermore, damage to the silicon wafer surface due to gas plasma is also considered to be an unstable factor for the Si 3 N 4 film produced by this method.

より厚いSi3N4膜を形成する他の方法として、
Nをシリコンウエハにイオン注入して熱処理する
方法も提案されている。しかしこの方法も、シリ
コンウエハが損傷を受けるため安定なSi−Si3N4
界面特性が得られないという難点がある。
Other methods to form thicker Si3N4 films include
A method has also been proposed in which N is ion-implanted into a silicon wafer and heat-treated. However, this method also damages the silicon wafer, so stable Si−Si 3 N 4
There is a drawback that interfacial properties cannot be obtained.

〔発明の目的〕[Purpose of the invention]

本発明は、試料表面を損傷することなく、しか
もCVDによる堆積現象を全く含まず直接窒化反
応のみで優れた特性の窒化膜を得ることを可能と
した窒化膜の形成方法を提供することを目的とす
る。
An object of the present invention is to provide a method for forming a nitride film that makes it possible to obtain a nitride film with excellent properties only by a direct nitriding reaction without damaging the sample surface and without involving any deposition phenomenon caused by CVD. shall be.

〔発明の概要〕[Summary of the invention]

本発明は、シリコン層表面に予めシリコン酸化
膜が形成された試料基板に、窒素を含むガスを導
入しながら同時に光照射を行つて試料表面の直接
窒化を行うことを特徴とする。
The present invention is characterized in that a gas containing nitrogen is introduced into a sample substrate on which a silicon oxide film has been previously formed on the surface of a silicon layer, and light is irradiated at the same time to directly nitride the sample surface.

本発明において試料表面に照射する光は、
500nm以下の波長成分を主要成分として含む紫
外光であることが望ましい。
In the present invention, the light irradiated onto the sample surface is
It is desirable that the ultraviolet light contains a wavelength component of 500 nm or less as a main component.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

本発明では、光照射の効果と弗素を含むガスの
添加の効果により70Å程度あるいはこれ以上の膜
厚を有する良質な窒化膜を、比較的低温でかつ短
時間に試料表面に形成することができる。弗素を
含むガスの添加は、形成される窒化膜の表面を常
に活性にする働きをし、これにより大きい窒化膜
の成長速度が得られる。しかも、グロー放電やイ
オン注入を利用しないから、試料表面の損傷がな
く、またCVDによる堆積膜もないため、窒化膜
の界面特性も安定なものとなる。本発明によれ
ば、絶縁特性に優れ、かつシリコン酸化膜のみの
場合より高い誘電率を持つシリコン酸化膜とシリ
コン窒化膜の複合膜を容易に形成することができ
る。
In the present invention, a high-quality nitride film having a thickness of about 70 Å or more can be formed on the sample surface at a relatively low temperature and in a short time by the effect of light irradiation and the effect of adding a gas containing fluorine. . Addition of a fluorine-containing gas serves to constantly activate the surface of the nitride film being formed, thereby increasing the growth rate of the nitride film. Furthermore, since no glow discharge or ion implantation is used, there is no damage to the sample surface, and there is no deposited film due to CVD, so the interfacial properties of the nitride film are stable. According to the present invention, it is possible to easily form a composite film of a silicon oxide film and a silicon nitride film that has excellent insulating properties and has a higher dielectric constant than a silicon oxide film alone.

従つて本発明を例えば、DRAMのMOSキヤパ
シタ形成に適用すれば、ますます高集積化が進む
DRAMの特性安定化、信頼性向上を図ることが
できる。
Therefore, if the present invention is applied to, for example, the formation of MOS capacitors in DRAM, higher integration will become possible.
It is possible to stabilize the characteristics of DRAM and improve reliability.

本発明において、光照射により直接窒化による
窒化膜成長速度が向上する理由は未だ明らかでは
ない。最近、光励起を用いたCVDやドライエツ
チングが注目されており、また熱酸化による酸化
膜形成にも光照射が有効であることが明らかにさ
れている。これらの方法での光照射は、供給され
る反応ガスの励起、活性化のために行われる。本
発明の場合、窒化のために供給する例えばN2
スに対しては、300〜500nm程度の紫外光ではフ
オトンエネルギーがN原子励起にとつて不十分で
あること、また、たとえN原子が励起されたとし
ても既に述べたように試料表面にごく薄く窒化膜
が形成されるとN原子の試料表面への供給が阻止
されること、等を考えると、上述の如き従来の光
励起法による場合とは異なる特殊なメカニズムに
よつて窒化膜成長速度が向上するものと思われ
る。
In the present invention, the reason why the growth rate of a nitride film by direct nitriding is improved by light irradiation is not yet clear. Recently, CVD and dry etching using optical excitation have been attracting attention, and it has been revealed that optical irradiation is also effective for forming oxide films by thermal oxidation. Light irradiation in these methods is performed to excite and activate the supplied reactive gas. In the case of the present invention, for example, for N2 gas supplied for nitriding, ultraviolet light of about 300 to 500 nm has insufficient photon energy to excite N atoms, and even if N atoms Even if N atoms are excited, as mentioned above, if a very thin nitride film is formed on the sample surface, the supply of N atoms to the sample surface will be blocked. It is thought that the nitride film growth rate is improved by a special mechanism different from the above.

〔発明の実施例〕[Embodiments of the invention]

第2図は本発明の一実施例に使用する窒化膜形
成装置の概略構成図である。11はステンレス製
チヤンバであり、この内部に石英製支持体12に
より支持されたサフアイア製試料ホルダ13をお
き、この試料ホルダ13上に試料14をおくよう
になつている。試料ホルダ13はタングステンヒ
ータ15を内蔵しており、タングステンヒータ1
5のリード線16はチヤンバ11外部に導出され
直流電源17に接続されている。試料ホルダ13
は直流抵抗加熱により約1200℃まで昇温可能であ
る。18は熱電対であつて例えばアルミナセメン
トにより直接試料14に固定され、外部の温度検
出器19に接続される。
FIG. 2 is a schematic diagram of a nitride film forming apparatus used in an embodiment of the present invention. Reference numeral 11 denotes a stainless steel chamber, in which a sapphire sample holder 13 supported by a quartz support 12 is placed, and a sample 14 is placed on this sample holder 13. The sample holder 13 has a built-in tungsten heater 15.
The lead wire 16 of No. 5 is led out of the chamber 11 and connected to a DC power source 17. Sample holder 13
The temperature can be raised to approximately 1200℃ using DC resistance heating. A thermocouple 18 is directly fixed to the sample 14 with, for example, alumina cement, and connected to an external temperature sensor 19.

チヤンバ11内は、先ずバルブ20を開いて排
気口21から油拡散ポンプ(図示せず)により粗
引し、その後バルブ20を閉じてゲートバルブ2
2を開き、主排気口23からクライオポンプ(図
示せず)により排気する。そして真空度が
10-6Torr台に達した後、ゲートバルブ22を閉
じ、ガス導入口24から窒素を含むガスを供給す
る。25は供給したガスの排気口である。
The inside of the chamber 11 is first opened by opening the valve 20 and roughly pumped out from the exhaust port 21 by an oil diffusion pump (not shown), and then closed by closing the valve 20 and draining the gate valve 2.
2 is opened, and the main exhaust port 23 is evacuated using a cryopump (not shown). And the degree of vacuum
After reaching the 10 -6 Torr level, the gate valve 22 is closed and a gas containing nitrogen is supplied from the gas inlet 24. 25 is an exhaust port for the supplied gas.

26は試料14の表面を照射する光源としての
Hg−Xeランプである。ランプ26の光は回転放
物面鏡27により集光しており、チヤンバ11の
上蓋30に設けられた溶融石英板28を透過して
試料14に照射されるようになつている。291
292はチヤンバ11内が1気圧以上のときに上
蓋30および石英板28がはずれないようにする
ためのクランプである。
26 is a light source that illuminates the surface of the sample 14;
It is a Hg-Xe lamp. The light from the lamp 26 is focused by a parabolic mirror 27 of revolution, passes through a fused quartz plate 28 provided on the upper lid 30 of the chamber 11, and is irradiated onto the sample 14. 29 1 ,
29 2 is a clamp for preventing the top cover 30 and the quartz plate 28 from coming off when the pressure inside the chamber 11 is 1 atmosphere or more.

なお、減圧下で窒化を行う場合には、バルブ2
0を調整してチヤンバ11内の圧力を所定圧に設
定し、常圧で窒化を行う場合には、バルブ20を
閉じた状態で、導入ガスをガス排出口25から排
出しながら行う。ガス排出口25には逆止弁(図
示せず)が設けられており、減圧下ではこの逆止
弁が閉じ、常圧の場合には導入ガスがこのガス排
出口25から流出することにより、常圧に保たれ
ることになる。
In addition, when performing nitriding under reduced pressure, valve 2
0 to set the pressure in the chamber 11 to a predetermined pressure, and when nitriding is performed at normal pressure, the introduced gas is discharged from the gas outlet 25 with the valve 20 closed. The gas outlet 25 is provided with a check valve (not shown), and this check valve closes under reduced pressure, and when the pressure is normal, the introduced gas flows out from the gas outlet 25. It will be kept at normal pressure.

この装置を用いて、本発明の実施例に先立つ
て、基礎データとしてN2ガスのみを用いて光照
射を行つてシリコンフエハを直接窒化した具体的
な実験データを説明する。導入ガスはN2であり、
その流量を1000c.c./分に固定してチヤンバ11内
を常圧に保ち、シリコンウエハを加熱しながら、
同時にHg−Xeランプ26によりシリコンウエハ
表面を照射した。シリコンウエハ表面の光強度は
100mw/cm2に固定し、窒化時間は60分とした。
Using this apparatus, prior to working examples of the present invention, specific experimental data will be described in which silicon wafers were directly nitrided by light irradiation using only N 2 gas as basic data. The introduced gas is N2 ,
The flow rate was fixed at 1000c.c./min to maintain normal pressure inside the chamber 11, and while heating the silicon wafer,
At the same time, the surface of the silicon wafer was irradiated with the Hg-Xe lamp 26. The light intensity on the silicon wafer surface is
The power was fixed at 100 mw/cm 2 and the nitriding time was 60 minutes.

第3図は使用したHg−Xeランプ26の分光ス
ペクトルを示している。図から明らかなように、
この光は500nm以下の線スペクトルからなり、
多くは350nm以下の紫外線であることがわかる。
FIG. 3 shows the spectrum of the Hg-Xe lamp 26 used. As is clear from the figure,
This light consists of a line spectrum of 500 nm or less,
It can be seen that most of the UV rays are 350 nm or less.

第4図は、本実験例により得れられたSi3N4
の膜厚をシリコンウエハの加熱温度との関係で示
したものである。実線が実験例であり、光照射を
行わなかつた場合の参考例を破線により示した。
膜厚測定はエリプソメータにより行つた。図から
明らかなように、光照射を行わない場合にはシリ
コンウエハは殆んど窒化されず、1050℃でも
Si3N4膜は20Å以下である。これに対し本実験例
では、1050℃で100Å近い膜厚が得られ、光照射
をしない場合に比べて約5倍の成長速度が得られ
ている。また、本実験例により形成されたSi3N4
膜は表面が平滑で島状になつていないことが、電
気顕微鏡観察により認められた。
FIG. 4 shows the thickness of the Si 3 N 4 film obtained in this experimental example in relation to the heating temperature of the silicon wafer. The solid line is an experimental example, and the broken line is a reference example in which no light irradiation was performed.
Film thickness was measured using an ellipsometer. As is clear from the figure, without light irradiation, the silicon wafer is hardly nitrided, even at 1050℃.
The Si 3 N 4 film is 20 Å or less. On the other hand, in this experimental example, a film thickness of nearly 100 Å was obtained at 1050° C., and the growth rate was about five times that of the case without light irradiation. In addition, Si 3 N 4 formed in this experimental example
Observation with an electric microscope revealed that the surface of the film was smooth and did not form islands.

本実験例によるSi3N4膜は膜質および界面特性
の安定性ともに優れたものである。第5図は、
1050℃で得られた本実験例によるSi3N4膜の深さ
方向の元素組成をオージエ分光装置により分析し
た結果である。図から明らかなように、得られた
Si3N4膜中にはO原子は殆んど含まれていない。
表面でO濃度が高いのは、オージエ分析装置に試
料を入れる際に試料表面が空気にさらされた結果
と思われる。
The Si 3 N 4 film obtained in this experimental example has excellent film quality and stability of interfacial properties. Figure 5 shows
These are the results of analyzing the elemental composition in the depth direction of the Si 3 N 4 film obtained at 1050°C in this experimental example using an Auger spectrometer. As is clear from the figure, the obtained
The Si 3 N 4 film contains almost no O atoms.
The high O concentration on the surface is thought to be the result of the sample surface being exposed to air when the sample is introduced into the Augier analyzer.

光照射により、Si3N4膜の成長速度が速くなる
理由は、前述のように未だ明らかではない。光照
射による試料表面の温度上昇は小さく、試料の温
度上昇による成長速度向上ではないことも確認さ
れた。第6図は試料温度を1000℃に設定し、A点
でHg−Xeランプ26をオンにしたときの試料温
度変化を示したものであるが、60分間光照射して
も試料温度は1020℃以下であり、温度上昇の影響
は殆んどないことが明らかである。
As mentioned above, the reason why the growth rate of the Si 3 N 4 film increases due to light irradiation is not yet clear. It was also confirmed that the temperature increase on the sample surface due to light irradiation was small, and that the growth rate was not increased by increasing the sample temperature. Figure 6 shows the change in sample temperature when the sample temperature is set at 1000°C and the Hg-Xe lamp 26 is turned on at point A. Even after 60 minutes of light irradiation, the sample temperature remains at 1020°C. It is clear that there is almost no effect of temperature rise.

上記実験例により、1050℃で得られた90Åの
Si3N4膜を用いて面積1mm2のMOSキヤパシタを形
成し、その耐圧分布を測定した結果を第7図に示
す。この耐圧特性は従来法によるSi3N4膜を用い
た場合に比べて非常に優れたものである。以上に
おいてはN2ガスのみを用いた基礎データを示し
たが、本発明では実際にはこれに弗素を含むガス
例えば、CF4、NF3、XeF2等から選ばれた一種
以上のガスを混合することができる。これによつ
て、より速い窒化膜成長速度が得られる。これは
次のような理由による。直接窒化によりある程度
の膜厚の安定な窒化膜が形成されると、それ以上
の窒化反応が抑制される。ところが原料ガス中に
弗素を含ませると、形成された窒化膜のボンドが
切られて常に活性な表面状態が得られる結果、窒
化反応が促進されるのである。
In the above experimental example, the 90 Å obtained at 1050℃
A MOS capacitor with an area of 1 mm 2 was formed using a Si 3 N 4 film, and the breakdown voltage distribution was measured. The results are shown in FIG. This breakdown voltage characteristic is extremely superior to that of the conventional method using a Si 3 N 4 film. Although basic data using only N 2 gas has been shown above, in the present invention, it is actually mixed with fluorine-containing gas, for example, one or more gases selected from CF 4 , NF 3 , XeF 2 , etc. can do. This results in a faster nitride film growth rate. This is due to the following reasons. Once a stable nitride film of a certain thickness is formed by direct nitriding, further nitriding reactions are suppressed. However, when fluorine is included in the raw material gas, the bond of the formed nitride film is broken and a constantly active surface state is obtained, which accelerates the nitriding reaction.

なお、本発明は上記実施例に限られるものでは
ない。例えば窒化によりSi3N4膜を形成しようと
する試料としては、単結晶シリコンウエハに限ら
ず、少なくとも表面部に単結晶、多結晶もしくは
非結晶質のシリコン層を含む基板であればよい。
また他の材料基板を直接窒化する場合にも有効で
ある。
Note that the present invention is not limited to the above embodiments. For example, a sample on which a Si 3 N 4 film is to be formed by nitridation is not limited to a single-crystal silicon wafer, but may be any substrate that includes a single-crystal, polycrystalline, or amorphous silicon layer at least in the surface portion.
It is also effective when directly nitriding substrates made of other materials.

次に本発明による実施例を説明する。第8図a
に示すように、シリコンウエハ31の表面に予め
熱酸化もしくはCVDによる薄いSiO2膜32を形
成したものを試料として先に述べたのと同様に、
Nを含むガスとFを含むガスの混合ガスを導入し
て光照射しながら直接窒化を行うことにより、同
図bに示すようにSiO2膜32の下にSi3N4膜33
を形成することができる。このことは、オージエ
分析により確認されている。この実施例によれ
ば、絶縁特性に優れ、しかも誘電率がシリコン酸
化膜のみに比べて大きい複合絶縁膜を得ることが
できる。この複合膜は、例えばDRAMのキヤパ
シタ絶縁膜や各種ICの層間絶縁膜として優れた
特性を示す。
Next, embodiments according to the present invention will be described. Figure 8a
As shown in FIG. 3, a silicon wafer 31 with a thin SiO 2 film 32 formed on its surface by thermal oxidation or CVD was used as a sample.
By introducing a mixed gas of N-containing gas and F-containing gas and performing direct nitriding while irradiating with light, a Si 3 N 4 film 33 is formed under the SiO 2 film 32 as shown in FIG.
can be formed. This is confirmed by Augier analysis. According to this embodiment, it is possible to obtain a composite insulating film that has excellent insulating properties and a larger dielectric constant than a silicon oxide film alone. This composite film exhibits excellent properties as, for example, a capacitor insulating film for DRAM and an interlayer insulating film for various ICs.

実施例では導入ガスとしてN2を用いたが、N2
に代つてNH3を用いることができる。
In the example, N 2 was used as the introduced gas, but N 2
NH 3 can be used instead.

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

第1図はグロー放電を利用した窒化膜形成装置
の概略構成図、第2図は本発明の一実施例に使用
した窒化膜形成装置の概略構成図、第3図は同装
置の光源として使用したHg−Xeランプの発光ス
ペクトルを示す図、第4図は上記実施例による
Si3N4膜の膜厚の試料温度との関係を参考例と比
較して示す図、第5図は同じく上記実施例による
Si3N4膜のオージエ分析結果を示す図、第6図は
同じく上記実施例における試料の温度変化を示す
図、第7図は同じく上記実施例によるSi3N4膜を
用いたMOSキヤパシタの耐圧分布を示す図、第
8図a,bは他の実施例によるSi3N4膜形成の様
子を示す図である。 11……チヤンバ、13……試料ホルダ、14
……試料、15……ヒータ、24……ガス導入
口、25……ガス排出口、26……Hg−Xeラン
プ、27……回転放物面鏡、28……溶融石英
板。
Figure 1 is a schematic diagram of a nitride film forming apparatus using glow discharge, Figure 2 is a schematic diagram of a nitride film forming apparatus used in an embodiment of the present invention, and Figure 3 is used as a light source for the same apparatus. Figure 4 is a diagram showing the emission spectrum of the Hg-Xe lamp obtained in the above example.
A diagram showing the relationship between the film thickness of the Si 3 N 4 film and the sample temperature in comparison with a reference example, and Figure 5 is also based on the above example.
FIG. 6 is a diagram showing the results of Auger analysis of the Si 3 N 4 film, FIG. 6 is a diagram showing the temperature change of the sample in the above example, and FIG. 7 is a diagram showing the MOS capacitor using the Si 3 N 4 film according to the above example. Figures 8a and 8b, which show the breakdown voltage distribution, are diagrams showing the state of Si 3 N 4 film formation according to another example. 11... Chamber, 13... Sample holder, 14
... Sample, 15 ... Heater, 24 ... Gas inlet, 25 ... Gas discharge port, 26 ... Hg-Xe lamp, 27 ... Paraboloid of revolution mirror, 28 ... Fused quartz plate.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 チヤンバ内に、少くとも表面部がシリコン層
であつてその表面にシリコン酸化膜が形成された
試料基板を配置し、窒素を含むガスを導入して、
前記試料基板表面に光を照射しながら前記試料基
板表面の直接窒化を行うことを特徴とする窒化膜
の形成方法。 2 前記窒素を含むガスは、N2若しくはNH3
またはこれにCF4、NF3、XeF2から選ばれた一
種以上のガスを含む混合ガスであるである特許請
求の範囲第1項記載の窒化膜の形成方法。
[Claims] 1. A sample substrate having at least a silicon layer on the surface and a silicon oxide film is placed in a chamber, and a gas containing nitrogen is introduced into the chamber.
A method for forming a nitride film, comprising directly nitriding the surface of the sample substrate while irradiating the surface of the sample substrate with light. 2 The nitrogen-containing gas is N 2 or NH 3 ,
The method for forming a nitride film according to claim 1, wherein the gas is a mixed gas containing at least one gas selected from CF 4 , NF 3 , and XeF 2 .
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