JPH05251428A - Method for formation of insulating film and non-volatile semiconductor device using such film - Google Patents

Method for formation of insulating film and non-volatile semiconductor device using such film

Info

Publication number
JPH05251428A
JPH05251428A JP5001892A JP5001892A JPH05251428A JP H05251428 A JPH05251428 A JP H05251428A JP 5001892 A JP5001892 A JP 5001892A JP 5001892 A JP5001892 A JP 5001892A JP H05251428 A JPH05251428 A JP H05251428A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
insulating film
film
nitrogen
reaction furnace
oxidizing gas
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.)
Granted
Application number
JP5001892A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2793416B2 (en
Inventor
Hisashi Fukuda
永 福田
Makoto Yasuda
安田  真
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.)
Oki Electric Industry Co Ltd
Original Assignee
Oki Electric Industry Co Ltd
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
Family has litigation
First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=12847261&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=JPH05251428(A) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Application filed by Oki Electric Industry Co Ltd filed Critical Oki Electric Industry Co Ltd
Priority to JP4050018A priority Critical patent/JP2793416B2/en
Publication of JPH05251428A publication Critical patent/JPH05251428A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP2793416B2 publication Critical patent/JP2793416B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Abstract

PURPOSE:To form a thin and yet highly reliable insulating film by oxidizing the surface of a substrate in an oxidizing gas atmosphere containing no nitrogen to form an oxide film, a first insulating film, and subsequently changing the atmosphere over to that containing nitrogen to convert the first insulating film to an oxynitride. CONSTITUTION:A silicon substrate 200 is heated in a gas atmosphere for insulating film formation in a reaction furnace to form an insulating film. Then the infrared ray irradiation is used for heating means. In the first half part of the heating process, the surface of the substrate 200 is oxidized in an oxidizing gas atmosphere containing no nitrogen (e.g. O2) to form an oxide film, a first insulating film 204; in the second half part of the process, the oxidizing gas atmosphere is changed over to that containing nitrogen (e.g. N2O), and the first insulating film 204 is converted to an oxynitride, turned into a second insulating film 206.

Description

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

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は、シリコンの下地に絶
縁膜を形成する方法およびこの方法により得られた絶縁
膜を用いた不揮発性半導体記憶装置(以下EEPROM
と呼ぶ)に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of forming an insulating film on a silicon underlayer and a nonvolatile semiconductor memory device (hereinafter referred to as EEPROM) using the insulating film obtained by this method.
Call).

【0002】[0002]

【従来の技術】半導体集積回路、例えばシリコン集積回
路には膜厚がごく薄い酸化膜が用いられている。例え
ば、1.0um以下の設計規定を持つ不揮発性メモリ、
特に、1Mビット以降のEEPROMにおいては100
A°(A°はオングストロームを表す記号)以下の極薄
酸化膜、例えばシリコン酸化膜(SiO2 膜)がトンネ
ル酸化膜として用いられている。このような極薄酸化膜
の特性はEEPROMの動作における書き換え回数、デ
ータ記憶保持時間を決定する上で極めて重要な因子とな
る。
2. Description of the Related Art A semiconductor integrated circuit, for example, a silicon integrated circuit, uses an oxide film having a very small thickness. For example, a non-volatile memory having a design rule of 1.0 um or less,
Especially, in the EEPROM of 1M bits or more, 100
An ultrathin oxide film having a thickness of A ° (A ° is a symbol representing angstrom) or less, for example, a silicon oxide film (SiO 2 film) is used as a tunnel oxide film. The characteristics of such an ultra-thin oxide film are extremely important factors in determining the number of rewrites and the data storage retention time in the operation of the EEPROM.

【0003】図9および図10は従来の典型的なEEP
ROMを説明する図であり、図9の(A)〜(C)はE
EPROMセルの概略的構造図を示している。図9
(A)はフローティング型のEEPROMセル(FLO
TOX型)の上面から見た要部平面図であり、Sはソー
ス領域、Dはドレイン領域、CGはコントロールゲー
ト、FGはフローティングゲート、また、Wは電子の注
入領域となるトンネル窓(領域)を示している。また、
図9の(B)および(C)は、図9(A)のX1 −Y1
に沿ってとって示した断面図およびX2 −Y2 に沿って
とって示した断面図である。このEEPROMセルはP
型基板100に一対の不純物拡散領域(ソース領域S、
ドレイン領域D)とチャネル領域(n+ 領域)106を
形成し、絶縁物を介在させてポリシリコンなどをパター
ニングし、コントロールゲートCGと、フローティング
ゲートFGとを形成することにより構成されている。ま
た、トンネル窓Wは一個のセルに対してフローティング
ゲートFGとドレイン領域Dとの間に極薄酸化膜(膜厚
100A°)104(トンネル酸化膜とも称する)を介
在し一個設けられている。
9 and 10 show a typical conventional EEP.
It is a figure explaining ROM, (A)-(C) of FIG. 9 is E.
Figure 3 shows a schematic structural diagram of an EPROM cell. Figure 9
(A) is a floating type EEPROM cell (FLO
(TOX type) is a plan view of a main part as seen from the upper surface, where S is a source region, D is a drain region, CG is a control gate, FG is a floating gate, and W is a tunnel window (region) which is an electron injection region. Is shown. Also,
9B and 9C show X 1 -Y 1 of FIG. 9A.
Is a cross-sectional view and X 2 -Y sectional view showing taken along a 2 shown taken along. This EEPROM cell is P
A pair of impurity diffusion regions (source region S,
A drain region D) and a channel region (n + region) 106 are formed, polysilicon or the like is patterned with an insulator interposed, and a control gate CG and a floating gate FG are formed. Further, one tunnel window W is provided for one cell with an ultrathin oxide film (film thickness 100 A °) 104 (also referred to as a tunnel oxide film) interposed between the floating gate FG and the drain region D.

【0004】次に、10図は、従来のEEPROMセル
の動作を説明するための等価回路図である。図中、記号
1 は選択トランジスタ(セレクトゲートトランジス
タ)、T2 はメモリトランジスタ(フローティングゲー
トトランジスタ)、またBLは選択トランジスタT1
ドレインから延在しているビット線である。また、セレ
クトゲートSGはワード線を形成している。尚、CGは
メモリトランジスタT2のコントロール電極、FGはフ
ローティング電極、またSはソース電極を示している。
この従来のEEPROMセルの動作例について説明す
る。データの消去時にはドレインDを接地しておき、コ
ントロールゲートCGを高電圧に設定して、容量結合に
よりフローティングゲートFGの電位を上げる。その結
果、極薄酸化膜104(図9の(B)および(C))を
通してドレインDからフローティングゲートFGに電子
が注入される。また、データの書き込みにはコントロー
ルゲートCGをドレインDに対して極性(負極)を変え
ることにより、電子をフローティングゲートFGから放
出させることによりしきい電圧Vtを下げる。また、従
来のEEPROMのメモリ動作と各部の電圧の関係を表
1に示している。表中でBLはビット線、SGはセレク
トゲート電極、CGはコントロールゲート電極、またS
はソース電極を示している。また、各部の電圧に対する
読み出し、消去および書き込み時の電圧を表中に示して
いる。
Next, FIG. 10 is an equivalent circuit diagram for explaining the operation of the conventional EEPROM cell. In the figure, symbol T 1 is a select transistor (select gate transistor), T 2 is a memory transistor (floating gate transistor), and BL is a bit line extending from the drain of the select transistor T 1 . Further, the select gate SG forms a word line. CG is a control electrode of the memory transistor T 2 , FG is a floating electrode, and S is a source electrode.
An operation example of this conventional EEPROM cell will be described. When erasing data, the drain D is grounded, the control gate CG is set to a high voltage, and the potential of the floating gate FG is raised by capacitive coupling. As a result, electrons are injected from the drain D to the floating gate FG through the ultrathin oxide film 104 ((B) and (C) in FIG. 9). Further, in writing data, the polarity (negative electrode) of the control gate CG is changed with respect to the drain D, and electrons are emitted from the floating gate FG to lower the threshold voltage Vt. Table 1 shows the relationship between the memory operation of the conventional EEPROM and the voltage of each part. In the table, BL is a bit line, SG is a select gate electrode, CG is a control gate electrode, and S
Indicates the source electrode. Further, the voltages at the time of reading, erasing and writing with respect to the voltage of each part are shown in the table.

【0005】ところで、EEPROMはデータの書き込
みおよび消去という動作を繰り返し行うため、トンネル
酸化膜にかかるストレスは情報データの書き換え回数に
比例して増加する。このストレスは膜厚とデータ保持期
間との間に相互関係を有し、例えば、ストレスが大きく
なるほどデータ保持特性(消去、書き込みの判定)が劣
化する。一般にトンネル酸化膜を厚くすれば書き換え回
数を多くしてもトンネル酸化膜のストレスを小さくする
ことができ、また、データ保持期間も長くすることがで
きる。
By the way, since the EEPROM repeatedly performs the operations of writing and erasing data, the stress applied to the tunnel oxide film increases in proportion to the number of times of rewriting of information data. This stress has a correlation between the film thickness and the data retention period. For example, as the stress increases, the data retention characteristic (determination of erasing or writing) deteriorates. Generally, if the tunnel oxide film is thickened, the stress of the tunnel oxide film can be reduced and the data retention period can be lengthened even if the number of times of rewriting is increased.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、トンネ
ル酸化膜を厚くすると、書き込みおよび消去に20V以
上の電圧が必要になるため、ファウラー・ノルドハイム
(FowlerーNordheim)のトンネリング効
果を利用する電子の注入および放出によって行われる情
報データの消去や書き込み処理ができなくなる。従っ
て、トンネル酸化膜の膜厚はトンネリング効果を得る程
度に薄くしなければならないという制限がある(膜厚は
100A°以下)。
However, if the tunnel oxide film is thickened, a voltage of 20 V or more is required for writing and erasing. Therefore, electron injection and It becomes impossible to erase or write the information data that is released. Therefore, there is a limitation that the film thickness of the tunnel oxide film must be thin enough to obtain the tunneling effect (the film thickness is 100 A ° or less).

【0007】また、情報データの書き換え回数が多くな
るほどトンネル酸化膜に加わるストレスが大きくなり、
このためデータ保持期間が短くなってメモリ動作特性が
劣化し、よってEEPROMの信頼性が低下するという
問題点があった。ここで言う動作特性の劣化とは、主と
してトンネル酸化膜の絶縁破壊やリーク電流の増加とい
う形で現れる。また、これらの動作特性の劣化は酸化膜
の膜厚に強く依存しており、例えば、酸化膜の減少に伴
って絶縁破壊や電荷量の減少、リーク電流の増加が生ず
る。
Further, as the number of times of rewriting information data increases, the stress applied to the tunnel oxide film increases,
For this reason, there is a problem that the data retention period is shortened and the memory operation characteristics are deteriorated, so that the reliability of the EEPROM is lowered. The deterioration of the operating characteristics mentioned here mainly appears in the form of dielectric breakdown of the tunnel oxide film and increase of leak current. Further, the deterioration of these operating characteristics strongly depends on the film thickness of the oxide film, and, for example, as the oxide film decreases, dielectric breakdown, decrease in charge amount, and increase in leak current occur.

【0008】この発明の目的は、絶縁膜の膜厚を薄くし
ても、信頼性の高い優れた絶縁膜の形成方法を提供する
ことにある。
An object of the present invention is to provide a highly reliable method of forming an insulating film which is highly reliable even if the insulating film is thin.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】この目的の達成を図るた
め、この発明では反応炉内でシリコンの下地に対して絶
縁膜形成用ガス雰囲気の中で加熱処理を行い、この下地
に絶縁膜を形成するに当たり次の特徴を有している。
In order to achieve this object, according to the present invention, a heat treatment is performed on a silicon underlayer in a gas atmosphere for forming an insulating film in a reaction furnace, and the insulating film is formed on the underlayer. It has the following characteristics in forming.

【0010】まず、加熱を赤外線照射による加熱源と
し、この加熱処理の前半段階で窒素非含有酸化性ガスの
雰囲気中でこの下地の表面の酸化を行って、第1絶縁膜
である酸化膜を形成する。続いて、この加熱処理の後半
段階で窒素非含有の酸化性ガスを窒素含有酸化性ガス雰
囲気に切り替えて、この後者の酸化性ガス雰囲気中で第
1絶縁膜を酸窒化処理をして、これを第2絶縁膜に変え
る。
First, heating is performed by using a heating source by infrared irradiation, and in the first half of this heat treatment, the surface of the base is oxidized in a nitrogen-free oxidizing gas atmosphere to form an oxide film which is a first insulating film. Form. Subsequently, in the latter half stage of this heat treatment, the nitrogen-free oxidizing gas is switched to a nitrogen-containing oxidizing gas atmosphere, and the first insulating film is oxynitrided in this latter oxidizing gas atmosphere. To the second insulating film.

【0011】また、この発明の好適実施例によれば窒素
非含有酸化性ガスを酸素ガスとし、それにより得られる
第1絶縁膜を二酸化シリコン(SiO2 )膜とするのが
良い。
Further, according to a preferred embodiment of the present invention, it is preferable that the nitrogen-free oxidizing gas is oxygen gas and the first insulating film obtained thereby is a silicon dioxide (SiO 2 ) film.

【0012】また、この発明の実施に当たり、好ましく
は、窒素含有酸化ガスを一酸化窒素(NO)、二酸化窒
素(NO2 )および亜酸化窒素(N2 O)のガス群から
選ばれた少なくとも一種のガスとし、それにより得られ
る酸窒化膜を(SiO−N)膜構造とするのが良い。
Further, in carrying out the present invention, preferably, the nitrogen-containing oxidizing gas is at least one selected from the gas group of nitric oxide (NO), nitrogen dioxide (NO 2 ) and nitrous oxide (N 2 O). It is preferable that the oxynitride film thus obtained has a (SiO-N) film structure.

【0013】また、この発明によれば第2絶縁膜をトン
ネル膜として用いて不揮発性半導体装置を形成すること
を特徴とする。
Further, according to the present invention, a nonvolatile semiconductor device is formed by using the second insulating film as a tunnel film.

【0014】[0014]

【作用】上述したこの発明の絶縁膜形成方法によれば、
シリコン下地上に形成された第2絶縁膜は、後述する二
次イオン質量分析法(SIMS)やX線(XPS)分析
の結果からも理解できるように、シリコン絶縁膜界面付
近に窒素原子が多く取り込まれており(最大4×1021
原子/cm3 )、またSi−N結合による界面を形成し
ている。このような第2絶縁膜は、ストレスの少ない、
かつリーク電流値の低い性質を有するため、今までの酸
化膜(SiO2 膜)の膜厚では不可能とされてきた60
A°いう下限領域において、実用に供し得るトンネル酸
化膜を提供できる。
According to the insulating film forming method of the present invention described above,
As can be understood from the results of secondary ion mass spectrometry (SIMS) and X-ray (XPS) analysis described later, the second insulating film formed on the silicon base has many nitrogen atoms near the interface of the silicon insulating film. Incorporated (maximum 4 × 10 21
Atoms / cm 3 ) and also forms an interface by Si—N bonds. Such a second insulating film has less stress,
In addition, since it has a property of low leakage current value, it has been considered impossible with the conventional film thickness of the oxide film (SiO 2 film).
In the lower limit region of A °, a tunnel oxide film that can be put to practical use can be provided.

【0015】[0015]

【実施例】以下、図面を参照して、この発明の絶縁膜形
成方法の実施例について説明する。しかしながら、説明
に用いる装置および工程図は、これらの発明が理解でき
る程度に、各構成成分の形状、大きさおよび配置関係を
概略的に示してあるにすぎない。まず、この実施例に入
る前に、この発明を実施するための装置につき説明す
る。
Embodiments of the insulating film forming method of the present invention will be described below with reference to the drawings. However, the apparatus and process diagrams used for the description only schematically show the shapes, sizes, and positional relationships of the respective constituent components to the extent that these inventions can be understood. First, before entering this embodiment, an apparatus for carrying out the present invention will be described.

【0016】《この発明の実施のために使用して好適な
絶縁膜形成装置の構造の実施例》図2はこの発明の方法
を実施するための絶縁膜形成装置の主要部(主として反
応炉および加熱部の構成)を概略的に示す断面図であ
る。尚、図2では反応炉内に基板を設置した状態を示
す。
<< Embodiment of Structure of Insulating Film Forming Apparatus Suitable for Use in Carrying Out the Invention >> FIG. 2 shows a main part of an insulating film forming apparatus (mainly a reactor and a reactor for carrying out the method of the present invention. It is sectional drawing which shows the structure of a heating part) schematically. Incidentally, FIG. 2 shows a state where the substrate is installed in the reaction furnace.

【0017】また図3はこの発明の実施例の説明に供す
る図であり、絶縁膜形成装置の全体構成を概略的に示す
図である。
FIG. 3 is a diagram for explaining an embodiment of the present invention, and is a diagram schematically showing an overall structure of an insulating film forming apparatus.

【0018】図2に示すように、この絶縁膜形成装置
は、基板が設置される反応炉10と、反応炉10内の真
空排気を行なうための排気手段12と、ガス供給部14
と、加熱処理を行なうための加熱部16とを備えてい
る。以下、この装置の構造の実施例につき説明する。
As shown in FIG. 2, this insulating film forming apparatus has a reaction furnace 10 in which a substrate is installed, an exhaust means 12 for evacuating the inside of the reaction furnace 10, and a gas supply section 14.
And a heating unit 16 for performing heat treatment. An example of the structure of this device will be described below.

【0019】図2に示すようにこの実施例では、反応炉
(チャンバー)10を例えば本体10a、蓋部材10b
および昇降部材10cから構成する。本体10aおよび
昇降部材10cの形成材料としては、例えばステンレス
を、また蓋部材10bおよび後述の支持体20の形成材
料としては、例えば石英を用いるか、または、その逆の
組み合わせで用いてもよい。
As shown in FIG. 2, in this embodiment, the reaction furnace (chamber) 10 is, for example, a main body 10a and a lid member 10b.
And an elevating member 10c. As the material for forming the main body 10a and the elevating member 10c, for example, stainless steel may be used, and as the material for forming the lid member 10b and the support 20 described later, for example, quartz or vice versa may be used.

【0020】本体10aおよび昇降部材10cは分離可
能に一体となって凹部aを形成するものであり、昇降部
材10cの凹部aの側に基板18を載せるための支持体
20を設けて昇降部材10cの昇降によって支持体20
をのせた基板18を反応炉10内へ入れ或いは反応炉1
0外へ取り出せるようにする。図示例では昇降部材10
cを、例えば機械的に昇降させるための昇降部材10c
を昇降装置22と連結させている。
The main body 10a and the elevating member 10c are separably united to form a concave portion a. A supporting body 20 for mounting the substrate 18 is provided on the elevating member 10c side of the concave portion a to provide the elevating member 10c. Support 20
The substrate 18 on which is placed is placed in the reaction furnace 10 or the reaction furnace 1
0 Allow it to be taken out. In the illustrated example, the lifting member 10
elevating member 10c for mechanically elevating and lowering c
Is connected to the lifting device 22.

【0021】また蓋部材10bを着脱自在に本体10a
に取り付ける。本体10aと蓋部材10bおよび昇降部
材10cとの間には気密保持部材24例えばバイトンパ
ッキンを設けており、従って反応炉10内の真空引きを
行なった際に気密保持部材24を介し、気密状態が形成
できるようになっている。
The lid member 10b is detachably attached to the main body 10a.
Attach to. An airtight holding member 24 such as a Viton packing is provided between the main body 10a and the lid member 10b and the elevating member 10c. Therefore, when the inside of the reaction furnace 10 is evacuated, the airtight holding member 24 keeps the airtight state. It can be formed.

【0022】また凹部aの基板近傍位置に基板18の表
面温度を測定するための温度測定手段26例えばオプテ
ィカルパイロメータを設ける。
Further, a temperature measuring means 26 for measuring the surface temperature of the substrate 18 such as an optical pyrometer is provided at a position near the substrate in the recess a.

【0023】さらにこの実施例では加熱部16を任意好
適な構成の赤外線照射手段、例えば赤外線ランプ16a
とこの手段16aを支持するための支持部材16bとを
以って構成する。赤外線ランプ16aとしては基板18
を効率良く加熱できる波長域の光を発するランプとする
のが良く、基板材料に応じた任意好適なランプで構成す
る。この実施例では、タングステンハロゲンランプその
他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16aを反応炉10内の加熱を均一に行な
えるように配置する。
Further, in this embodiment, the heating section 16 is provided with an infrared irradiating means of any suitable structure, for example, an infrared lamp 16a.
And a supporting member 16b for supporting the means 16a. The substrate 18 serves as the infrared lamp 16a.
Is preferably a lamp that emits light in a wavelength range that can be efficiently heated, and is composed of any suitable lamp according to the substrate material. In this embodiment, a tungsten halogen lamp or any other suitable lamp is used. Preferably, the plurality of infrared lamps 16a are arranged so that the inside of the reaction furnace 10 can be heated uniformly.

【0024】通常、赤外線ランプ16aは、反応炉10
外に配置する。この際、反応炉10の一部を赤外線を透
過する材料を以って構成し、赤外線を反応炉10外から
反応炉10内に透過させるようにする。既に説明したよ
うに、この実施例では、蓋部材10bを石英で構成して
あるので、赤外線を透過することができる。
Usually, the infrared lamp 16a is used in the reaction furnace 10.
Place it outside. At this time, a part of the reaction furnace 10 is made of a material that transmits infrared rays, and the infrared rays are transmitted from outside the reaction furnace 10 into the reaction furnace 10. As described above, in this embodiment, since the lid member 10b is made of quartz, infrared rays can be transmitted.

【0025】加熱部16の構成および配設位置は後述す
る加熱処理を行なえる任意好適な構成および配設位置と
して良く、例えば加熱部16をヒーターを以って構成
し、このヒーターを反応炉10内に設けるようにしても
良い。
The structure and position of the heating unit 16 may be any suitable structure and position capable of performing the heat treatment described later. For example, the heating unit 16 is composed of a heater, and this heater is used as the reactor 10. It may be provided inside.

【0026】支持部材16bの配設位置をこれに限定す
るものではないが、図示例では支持部材16bを支持部
材16bと本体10aとの間に蓋部材10bおよび本体
10aの当接部を閉じ込めるように、本体10aに着脱
自在に取り付け、さらに支持部材16bと本体10との
間に気密保持部材24を設ける。このように支持部材1
6bを設けることによって反応炉10内の真空気密性の
向上が図れる。
Although the disposing position of the supporting member 16b is not limited to this, in the illustrated example, the supporting member 16b is closed between the supporting member 16b and the main body 10a so that the abutting portions of the lid member 10b and the main body 10a are confined. In addition, the airtight holding member 24 is provided between the support member 16b and the main body 10 so as to be detachably attached to the main body 10a. In this way, the support member 1
By providing 6b, the vacuum tightness in the reaction furnace 10 can be improved.

【0027】尚、図2において符号28は反応炉10お
よびガス供給部14の間に設けたガス供給管、また30
は反応炉10および排気手段12の間に設けた排気管を
示す。
In FIG. 2, reference numeral 28 denotes a gas supply pipe provided between the reaction furnace 10 and the gas supply unit 14, and 30
Indicates an exhaust pipe provided between the reaction furnace 10 and the exhaust means 12.

【0028】次に図3を参照してこの実施例の真空排気
系およびガス供給系につき説明する。尚、真空排気系お
よびガス供給系を以下に述べる例に限定するものではな
い。
Next, the vacuum exhaust system and the gas supply system of this embodiment will be described with reference to FIG. The vacuum exhaust system and the gas supply system are not limited to the examples described below.

【0029】まず真空排気系につき説明する。この実施
例では排気手段12を例えばターボ分子ポンプ12aと
このポンプ12aと接続されたロータリーポンプ12b
とを以って構成する。排気手段12を例えば図示のよう
に配設した排気管30およびバルブを介して反応炉10
と連通させて接続する。
First, the vacuum exhaust system will be described. In this embodiment, the exhaust means 12 is, for example, a turbo molecular pump 12a and a rotary pump 12b connected to the pump 12a.
And with. For example, the reaction means 10 is provided via an exhaust pipe 30 and a valve in which the exhaust means 12 is arranged as shown in the figure.
Connect to connect with.

【0030】図3において32a〜32dは排気管30
に連通させて設けた真空計(或は圧力ゲージ)であり、
真空計32aおよび32dを例えば1〜10-3(10の
マイナス3乗)Torrの範囲の圧力測定に用いるバラ
トロン真空計(或いはピラニー真空計)とし、また真空
計32bおよび32cを例えば10-3〜10-8(10の
マイナス8乗)Torrの範囲の圧力測定に用いるイオ
ンゲージとする。真空計32bと排気管30との間には
真空計32bを保護するための自動開閉バルブ34を設
け、真空計32bの動作時に真空計32bに対して10
-3Torr以上の圧力を負荷しないようにバルブ34の
開閉を自動制御する。36a〜36fは排気手段12お
よび反応炉10の間に設けられる自動開閉バルブであ
り、これらバルブ36a〜36fをそれぞれ任意好適に
開閉することによって、反応炉10内の圧力を任意好適
な圧力に制御し反応炉10内に低真空排気状態および高
真空排気状態を形成する。
In FIG. 3, 32a to 32d are exhaust pipes 30.
Is a vacuum gauge (or pressure gauge) that is connected to the
The vacuum gauges 32a and 32d are baratron vacuum gauges (or Pirani vacuum gauges) used for pressure measurement in the range of, for example, 1 to 10 -3 (10 to the third power) Torr, and the vacuum gauges 32b and 32c are, for example, 10 -3 to. An ion gauge used for pressure measurement in the range of 10 −8 (10 −8 ) Torr. An automatic opening / closing valve 34 for protecting the vacuum gauge 32b is provided between the vacuum gauge 32b and the exhaust pipe 30.
-3 Automatically control the opening and closing of the valve 34 so as not to apply a pressure of 3 Torr or more. Reference numerals 36a to 36f are automatic opening / closing valves provided between the exhaust means 12 and the reaction furnace 10. By appropriately opening / closing these valves 36a to 36f, respectively, the pressure inside the reaction furnace 10 is controlled to an arbitrary suitable pressure. Then, a low vacuum exhaust state and a high vacuum exhaust state are formed in the reaction furnace 10.

【0031】さらに38は圧力調整用のニードルバルブ
および40はレリーフバルブであり、バルブ40は反応
炉10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、バルブ40の開放によってガス
供給部14から反応炉10内へ供給されたガスを排気す
る。
Further, 38 is a needle valve for pressure adjustment and 40 is a relief valve. The valve 40 is automatically opened when the pressure in the reaction furnace 10 exceeds atmospheric pressure, for example, 760 Torr. The gas supplied from the gas supply unit 14 into the reaction furnace 10 is exhausted.

【0032】次にガス供給系につき説明する。この実施
例ではガス供給部14を第一の酸化性ガス源例えば、O
2 ガス源14a、第二の酸化性ガス源例えば、N2 Oガ
ス源14b、予備のガス源14cおよび不活性ガス源1
4dを以って構成する。ガス供給部14を例えば図示の
ように配設した供給管28およびバルブを介して反応炉
10と連通させて接続する。
Next, the gas supply system will be described. In this embodiment, the gas supply unit 14 is connected to a first oxidizing gas source such as O 2.
2 gas source 14a, second oxidizing gas source, for example N 2 O gas source 14b, auxiliary gas source 14c and inert gas source 1
4d. The gas supply unit 14 is connected to the reaction furnace 10 through a supply pipe 28 and a valve arranged as shown in the drawing so as to communicate with the reaction furnace 10.

【0033】図3において42はガス供給系、44はバ
ルブ、46a〜46d、48aおよび48bは自動開閉
バルブ、50aおよび50bはガス供給部14から反応
炉ガスへ導入されるガスに関する自動ガス流量コントロ
ーラである。
In FIG. 3, 42 is a gas supply system, 44 is a valve, 46a to 46d, 48a and 48b are automatic opening / closing valves, and 50a and 50b are automatic gas flow controllers relating to the gas introduced from the gas supply unit 14 into the reactor gas. Is.

【0034】バルブ44、48a、48b、46a〜4
6dをそれぞれ任意好適に開閉することによって、所望
のガスをガス供給部14から反応炉10へ供給できる。
Valves 44, 48a, 48b, 46a-4
A desired gas can be supplied from the gas supply unit 14 to the reaction furnace 10 by opening / closing each of 6d arbitrarily and suitably.

【0035】《この発明の絶縁膜形成方法の実施例の説
明》次に、この発明の絶縁膜形成方法について説明す
る。図1は、この発明の説明に供する加熱処理工程を説
明するための図である。図の横軸は時間、縦軸は温度お
よび圧力をプロットして示している。
<< Description of Embodiments of Insulating Film Forming Method of the Present Invention >> Next, the insulating film forming method of the present invention will be described. FIG. 1 is a diagram for explaining a heat treatment step used for explaining the present invention. The horizontal axis of the figure plots time, and the vertical axis plots temperature and pressure.

【0036】また、図4の(A)〜(C)はこの発明の
絶縁膜形成方法の一実施例の説明に供する工程図であ
り、各図は主要工程段階で得られた構造体断面の切り口
を慨略的に示している。以下の説明では図1、図4を適
宜参照して説明する。
Further, FIGS. 4A to 4C are process diagrams for explaining an embodiment of the insulating film forming method of the present invention, and each of the diagrams shows the cross section of the structure obtained in the main process steps. The cut is schematically shown. The following description will be given with reference to FIGS. 1 and 4 as appropriate.

【0037】この発明における実施例において、先ず、
下地としてシリコン基板200を用意し、前処理とし
て、従来おこなわれているごとく、化学薬品、純水等を
用いて基板200の前洗浄を行うのがよい。なお、この
発明の実施例では最初、硫酸(H2 SO4 )、および過
酸化水素(H2 2 )の混合液(1:4)中で洗浄後、
純水洗浄を行って、基板上の有機物を除去する。続い
て、1%フッ酸(HF)溶液中で自然酸化膜202の除
去を行い、その後、純水洗浄、および乾燥を行う。
In the embodiment of the present invention, first,
It is preferable to prepare the silicon substrate 200 as a base and pre-clean the substrate 200 with a chemical agent, pure water or the like as a conventional pretreatment. In the embodiment of the present invention, first, after washing in a mixed solution (1: 4) of sulfuric acid (H 2 SO 4 ) and hydrogen peroxide (H 2 O 2 ),
Cleaning with pure water is performed to remove organic substances on the substrate. Then, the natural oxide film 202 is removed in a 1% hydrofluoric acid (HF) solution, and then pure water cleaning and drying are performed.

【0038】次に、反応炉10内で基板200に新たに
自然酸化膜が成長するのを防止するため反応炉10内に
乾燥した不活性ガス、例えば、窒素ガス或いはアルゴン
ガスを予め導入しておく。この時、バルブ44、48
b、および46dを開き、46a〜46cを閉じて不活
性ガス源14dから不活性ガスを流入させる。
Next, in order to prevent a new natural oxide film from growing on the substrate 200 in the reaction furnace 10, a dry inert gas such as nitrogen gas or argon gas is previously introduced into the reaction furnace 10. deep. At this time, valves 44 and 48
b and 46d are opened, 46a to 46c are closed, and an inert gas is introduced from the inert gas source 14d.

【0039】次に、反応炉10内に基板200を設置す
る。基板200は昇降部材10cの支持体20上に固定
する。次に、バルブ44および46dを閉じて基板20
0を設置した反応炉10内への不活性ガスの供給を停止
する。
Next, the substrate 200 is set in the reaction furnace 10. The substrate 200 is fixed on the support 20 of the elevating member 10c. The valves 44 and 46d are then closed and the substrate 20
The supply of the inert gas into the reaction furnace 10 in which 0 is installed is stopped.

【0040】次に、排気手段12によって反応炉10内
を例えば、10-6(10マイナス6乗)Torrの高真
空に真空排気し、反応炉10内の水分を除去する。この
真空排気を行うため、バルブ38、36a、36e、3
6fおよび36dを閉じておいて、バルブ36cおよび
36dを開き、ドライポンプ12bを動作させ、反応炉
内の圧力を真空計32aで監視しながら真空排気を行
う。
Next, the inside of the reaction furnace 10 is evacuated to a high vacuum of, for example, 10 −6 (10 −6 power) Torr by the exhaust means 12 to remove the water in the reaction furnace 10. In order to perform this vacuum exhaust, the valves 38, 36a, 36e, 3
With 6f and 36d closed, the valves 36c and 36d are opened, the dry pump 12b is operated, and vacuum exhaust is performed while the pressure inside the reaction furnace is monitored by the vacuum gauge 32a.

【0041】次に、反応炉10内が、例えば、1×10
-3Torrの圧力となった後、バルブ36c、および3
6dを閉じてバルブ36e、36bおよび34を開き真
空計32bで反応炉10内の圧力を監視しながら、例え
ば、1×10-6Torrの高真空になるまで反応炉10
内を真空排気する。
Next, the inside of the reaction furnace 10 is, for example, 1 × 10
After reaching -3 Torr, valves 36c and 3
6d is closed and valves 36e, 36b, and 34 are opened, and the pressure inside the reaction furnace 10 is monitored by a vacuum gauge 32b, while the reaction furnace 10 is kept until a high vacuum of, for example, 1 × 10 −6 Torr is reached.
The inside is evacuated.

【0042】次に、窒素非含有の酸化性ガス雰囲気中で
加熱処理を行って基板200に第1絶縁膜であるシリコ
ン酸化膜を形成するため、バルブ36bおよび36eを
閉じ、バルブ44、48aおよび46aを開き、第1の
酸化性ガス源14aから乾燥した酸素ガスを反応炉10
内に供給する。この時、最初は、基板温度を室温、例え
ば、25℃程度としておく。酸素圧は真空計32aで監
視しながら大気圧(760Torr)まで反応炉10内
を昇圧する。大気圧に到達したらバルブ36fを開け、
酸素ガスを一定流量、例えば、2リットル/分流すため
マスフローコントローラ50aを調整する(図1にH1
で示すO2 フロー)。
Next, in order to form a silicon oxide film which is the first insulating film on the substrate 200 by performing heat treatment in a nitrogen-free oxidizing gas atmosphere, the valves 36b and 36e are closed and the valves 44, 48a and 46a is opened, and dry oxygen gas is supplied from the first oxidizing gas source 14a to the reaction furnace 10.
Supply in. At this time, initially, the substrate temperature is set to room temperature, for example, about 25 ° C. The oxygen pressure is increased in the reaction furnace 10 up to the atmospheric pressure (760 Torr) while monitoring it with the vacuum gauge 32a. When the atmospheric pressure is reached, open the valve 36f,
The mass flow controller 50a is adjusted in order to flow oxygen gas at a constant flow rate, for example, 2 liters / minute (see H1 in FIG. 1).
O 2 flow).

【0043】次に、酸素ガスを流しながら加熱部16に
よる加熱処理によって反応炉10内の基板200(図2
の18に相当する)を1000℃程度にまで加熱する。
この加熱処理によって、基板表面に第1の絶縁膜、例え
ばSiO2 膜204を形成する(図4の(B))。ま
た、このときの成膜のための加熱時間をt1とする(図
1)。この基板200の加熱は、加熱部16の赤外線ラ
ンプ16aによって行う。この際、例えば、基板温度を
温度測定手段26で測定しながら、例えば、50℃/s
ec〜200℃/secの間の適当な割合で、好ましく
は、昇温速度100℃/secで、加熱温度である約1
000℃まで上昇させ、好ましくは約10秒間、約10
00℃に保持するようにする(図1のt1)。この場
合、昇温速度を一定の割合とするのが好適である。それ
は、酸化膜などの絶縁膜の成長を一定にして品質の良い
膜を形成するためである。なお、昇温速度を上述したよ
うな範囲としたのは膜厚の制御性および品質の良い膜を
形成するためである。また、加熱温度を約1000℃と
したのは、第1絶縁膜であるSiO2 膜204の成膜に
要する好ましい最低の温度であるからである。このよう
な条件で基板を加熱することによって膜厚約50オング
ストローム(A°)という薄くて良質の酸化膜を形成で
きる。また、この酸化膜の膜厚は、例えば、酸化温度、
酸化時間および酸化ガスの流量を調整することによって
制御できる。なお、ここまでの工程で得られた酸化膜を
ここでは純酸化膜とも称する。
Next, the substrate 200 in the reaction furnace 10 (see FIG. 2) is subjected to heat treatment by the heating unit 16 while flowing oxygen gas.
(Corresponding to 18) is heated to about 1000 ° C.
By this heat treatment, a first insulating film, for example, a SiO 2 film 204 is formed on the surface of the substrate (FIG. 4B). The heating time for film formation at this time is t1 (FIG. 1). The heating of the substrate 200 is performed by the infrared lamp 16a of the heating unit 16. At this time, for example, while measuring the substrate temperature by the temperature measuring means 26, for example, 50 ° C./s
ec to 200 ° C./sec at an appropriate rate, preferably a heating rate of 100 ° C./sec and a heating temperature of about 1
The temperature is raised to 000 ° C., preferably about 10 seconds, about 10
The temperature is kept at 00 ° C. (t1 in FIG. 1). In this case, it is preferable that the rate of temperature rise be constant. This is because the growth of an insulating film such as an oxide film is kept constant to form a high quality film. The heating rate is set within the above range in order to form a film with good controllability of film thickness and good quality. The heating temperature is set to about 1000 ° C. because it is a preferable minimum temperature required for forming the SiO 2 film 204 which is the first insulating film. By heating the substrate under such conditions, a thin and high-quality oxide film having a film thickness of about 50 Å (A °) can be formed. The thickness of this oxide film is, for example, the oxidation temperature,
It can be controlled by adjusting the oxidation time and the flow rate of the oxidizing gas. The oxide film obtained through the steps up to here is also referred to as a pure oxide film.

【0044】所望の膜厚までSiO2 膜204を形成し
たら、ただちにバルブ46a、および36fを閉じ、3
6dおよび36eを開き、反応炉10内を1×10-1
orrの真空に排気する。この真空排気期間を図1にt
2で示す。この場合、基板200、従って第1酸化膜で
あるSiO2 膜204の加熱温度を約1000℃に保持
した状態とする。この時間t2を約10秒間とし、この
真空排気した後、バルブ36dおよび36eを閉じ、バ
ルブ46bを開き、窒素を含む酸化性ガス、例えば、一
酸化二窒素(N2 O)を反応炉10内に導入する(図1
中のN2 Oフロー)。
Immediately after the SiO 2 film 204 is formed to a desired film thickness, the valves 46a and 36f are closed and 3
6d and 36e are opened, and the inside of the reaction furnace 10 is 1 × 10 −1 T
Evacuate to orr vacuum. This evacuation period is shown in FIG.
2 shows. In this case, the heating temperature of the substrate 200, that is, the SiO 2 film 204 that is the first oxide film is kept at about 1000 ° C. This time t2 is set to about 10 seconds, and after evacuation, the valves 36d and 36e are closed, the valve 46b is opened, and an oxidizing gas containing nitrogen, for example, dinitrogen monoxide (N 2 O) is placed in the reactor 10. (Fig. 1
N 2 O flow inside).

【0045】この時、反応炉内の圧力は、ただちに76
0Torrになる。この圧力下での基板200の加熱温
度を約1000℃とし、この温度にt3時間例えば30
秒間保持する。この窒素含有の酸化ガス中での加熱処理
によって、第1絶縁膜204が第2絶縁膜に変わる。こ
の実施例では、第2絶縁膜206は酸窒化SiO2 膜で
あり、その膜厚を例えば約60オングストローム(A
°)とする。この状態を図4の(C)に示す。
At this time, the pressure in the reaction furnace immediately increased to 76
It will be 0 Torr. The heating temperature of the substrate 200 under this pressure is set to about 1000 ° C., and this temperature is maintained for t3 hours, for example, 30 hours.
Hold for seconds. By the heat treatment in the nitrogen-containing oxidizing gas, the first insulating film 204 is changed to the second insulating film. In this embodiment, the second insulating film 206 is an oxynitride SiO 2 film and has a film thickness of, for example, about 60 Å (A).
°). This state is shown in FIG.

【0046】次に、基板200の加熱を停止する。この
加熱の停止と共に、或いは加熱停止の後に、バルブ48
aおよび48bを閉じ、N2 Oガスの供給を停止する。
図1に示す例では、加熱停止後にガスフローを止めてい
る(図1にH2で示す)。その後、基板200の表面温
度が室温、例えば、25℃程度となるまで基板200が
冷却するのを待つ。(図1にt4で示す期間) 次に、バルブ36fおよび44を閉じ、36dおよび3
6eを開き、反応炉10内を例えば、1×10-3Tor
rの閉じ、真空に排気する。
Next, the heating of the substrate 200 is stopped. With this heating stop or after the heating stop, the valve 48
Close a and 48b and stop the supply of N 2 O gas.
In the example shown in FIG. 1, the gas flow is stopped after the heating is stopped (indicated by H2 in FIG. 1). After that, it waits for the substrate 200 to cool until the surface temperature of the substrate 200 reaches room temperature, for example, about 25 ° C. (Period indicated by t4 in FIG. 1) Next, the valves 36f and 44 are closed, and 36d and 3
6e is opened and the inside of the reaction furnace 10 is, for example, 1 × 10 −3 Tor.
Close r and evacuate to vacuum.

【0047】次に、バルブ36dおよび36eを閉じ、
バルブ44、48bおよび46dを開き、反応炉10内
雰囲気を不活性ガス、例えば窒素ガスで置換する(図1
にH3で示すN2 フロー)。反応炉10内の圧力が大気
圧(760Torr)になったら反応炉10から第2絶
縁膜206が形成されている基板200を取り出す。こ
のような工程を経て、第2絶縁膜206としてSi−N
結合を含む酸窒化SiO2 膜が均一に、また、極薄い膜
厚約60A°(オングストローム)程度の薄い膜厚に形
成することができる。
Next, the valves 36d and 36e are closed,
The valves 44, 48b and 46d are opened, and the atmosphere in the reaction furnace 10 is replaced with an inert gas such as nitrogen gas (see FIG. 1).
N 2 flow indicated by H3 in FIG. When the pressure in the reaction furnace 10 reaches the atmospheric pressure (760 Torr), the substrate 200 on which the second insulating film 206 is formed is taken out from the reaction furnace 10. Through such a process, Si-N is formed as the second insulating film 206.
An oxynitride SiO 2 film containing a bond can be formed uniformly and with a very thin film thickness of about 60 A ° (angstrom).

【0048】このようにSi基板上に形成した絶縁膜と
しての酸窒化膜(SiOーN膜)と、従来のSi基板上
に形成した絶縁膜としての純酸化膜(SiO2 膜)とに
つき、膜中窒素および水素の深さ方向の分布特性を二次
イオン質量分析法(SIMS)で測定し、比較データを
得た。図5の(A)は、純酸化膜および図5の(B)は
酸窒化膜に対する実験データをそれぞれ示す。両図にお
いて、横軸に絶縁膜の表面からSi基板側への深さ(n
m単位)をとって示し、および縦軸に濃度(原子/cm
3 単位)をとって示している。また、両図において、曲
線IおよびIIは水素および窒素の特性曲線をそれぞれ
示している。図5の(A)の普通の酸化膜の場合には、
絶縁膜とSi基板との境界面付近で水素および窒素とも
に最大濃度となっているが、水素濃度が窒素濃度より高
く、しかも、窒素濃度は最大でも5×1019原子/cm
3 程度であるにすぎない。これに対し、この発明の実施
例で完成した酸窒化膜の場合には、同一条件で測定して
も、絶縁膜とSi基板との境界面付近では、窒素濃度が
水素濃度よりも著しく大となっており、窒素濃度の最大
値は4×1021原子/cm3 程度となっていることが理
解できる。このように、この発明の方法により形成した
酸窒化膜では、Si(シリコン)との境界面付近で窒素
原子が従来の通常の酸化膜よりも多く取り込まれている
ことがわかる。
Regarding the oxynitride film (SiO-N film) as an insulating film thus formed on the Si substrate and the pure oxide film (SiO 2 film) as an insulating film formed on the conventional Si substrate, The distribution characteristics of nitrogen and hydrogen in the film in the depth direction were measured by secondary ion mass spectrometry (SIMS) to obtain comparative data. FIG. 5A shows experimental data for a pure oxide film and FIG. 5B shows experimental data for an oxynitride film. In both figures, the horizontal axis indicates the depth from the surface of the insulating film to the Si substrate side (n
It is shown by taking the unit of m, and the vertical axis shows the concentration (atoms / cm).
3 units). In both figures, curves I and II show characteristic curves of hydrogen and nitrogen, respectively. In the case of the ordinary oxide film of FIG.
Both the hydrogen concentration and the nitrogen concentration are maximum near the interface between the insulating film and the Si substrate, but the hydrogen concentration is higher than the nitrogen concentration, and the nitrogen concentration is 5 × 10 19 atoms / cm at maximum.
It is only about 3 . On the other hand, in the case of the oxynitride film completed in the example of the present invention, the nitrogen concentration is significantly higher than the hydrogen concentration near the interface between the insulating film and the Si substrate even when measured under the same conditions. Therefore, it can be understood that the maximum value of the nitrogen concentration is about 4 × 10 21 atoms / cm 3 . As described above, in the oxynitride film formed by the method of the present invention, it is understood that more nitrogen atoms are taken in near the boundary surface with Si (silicon) than in the conventional normal oxide film.

【0049】一方、SiO2 /Si界面近傍でのSiO
2 膜について、X線光電子分光法(XPS)を用いてこ
の膜中に含まれている原子の種類や結合状態を調べた。
このX線光電子分光法での測定結果を図6に示す。図6
において、横軸に結合エネルギー(eV単位)をとって
示してあり、また、縦軸にX線の透過強度(任意の単
位)をとってプロットして示してある。この測定ではS
iO2 /Si界面より約10A°のSiO2 膜表面で測
定した。また、この測定では窒素(N)の1s準位に注
目した。図中N(1s)で示してある。得られたスペク
トルのうちIで示す領域はOーN結合、IIで示す領域
はN−H結合およびIIIで示す領域はSiーN結合で
あり、SiーN結合が396〜398eV付近でピーク
が最大となっていることがわかる。窒素原子は、膜中お
よび界面でのシリコン原子と結合しており、酸化膜中に
もみられるSiダングリングボンドが窒素原子で終端し
ていると予想される。このような作用によって電子注入
にるストレスに耐性を有するものと考えられる。
On the other hand, SiO in the vicinity of the SiO 2 / Si interface
For the two films, the type and bonding state of atoms contained in the films were examined by using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS).
The measurement result by this X-ray photoelectron spectroscopy is shown in FIG. Figure 6
In the figure, the horizontal axis represents the binding energy (eV unit), and the vertical axis represents the X-ray transmission intensity (arbitrary unit). S in this measurement
It was measured at the SiO 2 film surface at about 10 A ° from the iO 2 / Si interface. In this measurement, attention was paid to the 1s level of nitrogen (N). It is shown by N (1s) in the figure. In the obtained spectrum, the region indicated by I is an O—N bond, the region indicated by II is an N—H bond, and the region indicated by III is a Si—N bond, and the Si—N bond has a peak around 396 to 398 eV. You can see that it is the maximum. Nitrogen atoms are bonded to silicon atoms in the film and at the interface, and it is expected that Si dangling bonds also found in the oxide film are terminated by nitrogen atoms. It is considered that due to such an action, it has resistance to the stress caused by electron injection.

【0050】図7の(A)および(B)と図8(A)お
よび(B)は、純酸化膜およびこの発明により得られる
酸窒化膜をトンネル膜として用いて図9で示したと同様
な構造のEEPROMセルを形成して、このセルにつき
注入電荷量をパラメータとしてコントロール電極ードレ
イン(CGーD)間電圧とリーク電流との関係を測定し
た実験データをそれぞれ示す。図7の(A)および
(B)は、純酸化膜をトンネル酸化膜として用いた場合
の実験データであり、また、図8の(A)および(B)
は、この発明により形成した酸窒化膜をトンネル酸化膜
として用いた実験データである。
FIGS. 7A and 7B and FIGS. 8A and 8B are the same as those shown in FIG. 9 using the pure oxide film and the oxynitride film obtained by the present invention as the tunnel film. Experimental data obtained by forming an EEPROM cell having a structure and measuring the relationship between the voltage between the control electrode-drain (CG-D) and the leak current by using the injected charge amount as a parameter for this cell are shown. 7A and 7B are experimental data when a pure oxide film is used as a tunnel oxide film, and FIGS. 8A and 8B are also shown.
Are experimental data using the oxynitride film formed by the present invention as a tunnel oxide film.

【0051】この実験に当たり、コントロール電極CG
とフローテイング電極FGをショートさせておき、コン
トロール電極CGとドレインD間で一定電圧となるよう
にコントロール電極CGの電圧を調整して注入電荷量
(=一定電流密度×時間)を定めた。この注入量により
トンネル酸化膜にストレスが加わっている状態で、コン
トロール電極CGとドレインDとの間の電圧を変えてい
き、その間を流れる電流をリーク電流として測定する。
従って、図7および図8において、注入電荷量をパラメ
ータとし、横軸にコントロール電極CGとドレインDと
の間の電圧(V)をとり、縦軸にリーク電流(A)をと
ってそれぞれ示してある。注入電荷量を与える前の、す
なわちストレスを印加する前の測定曲線をI0 、注入電
荷量を1.00C/cm2 、0.50C/cm2 および
0.05C/cm2 に対する測定曲線をI1 、I2 、お
よびI3 でそれぞれ示してある。そして、両図のうち
(A)図は、コントロール電極CGにドレインDよりも
正の電圧を印加した場合の実験データ(正極性)を示
し、また、(B)図は逆にドレインDをコントロール電
極CGよりも正の電極を印加した場合(負極性)の実験
データを示す。
In this experiment, the control electrode CG
Then, the floating electrode FG was short-circuited, and the voltage of the control electrode CG was adjusted so as to be a constant voltage between the control electrode CG and the drain D to determine the injected charge amount (= constant current density × time). The voltage between the control electrode CG and the drain D is changed while the tunnel oxide film is stressed by this implantation amount, and the current flowing between them is measured as a leak current.
Therefore, in FIGS. 7 and 8, the injected charge amount is used as a parameter, the horizontal axis represents the voltage (V) between the control electrode CG and the drain D, and the vertical axis represents the leakage current (A). is there. The measurement curve before giving the injected charge amount, that is, before applying the stress was I 0 , and the measured curves for the injected charge amount were 1.00 C / cm 2 , 0.50 C / cm 2 and 0.05 C / cm 2 They are denoted by 1 , I 2 , and I 3 , respectively. And, in both figures, (A) shows experimental data (positive polarity) when a positive voltage is applied to the control electrode CG more than the drain D, and (B) shows conversely control the drain D. The experimental data when a positive electrode is applied rather than the electrode CG (negative polarity) is shown.

【0052】純酸化膜および酸窒化膜のいずれの場合に
おいても、負極性および正極性での印加によってリーク
電流の傾向は変わらない。しかしながら、純酸化膜の場
合には、曲線I0 とI1 、I2 およびI3 とを比較すれ
ば理解できるように、電荷を注入する前後においてスト
レスが大きく変わることがわかる。これに対し、この発
明の方法によれば形成した酸窒化膜の場合電荷を注入す
る前後において実質的にストレスの変動はないと結論で
きる。しかも負極性であるとコントロール電極CGとド
レインDとの間の電圧が約4V以上であると、また、正
極性の場合にはその電圧が約2V以上であると、純酸化
膜の方が酸窒化SiO2 膜の場合よりもリーク電流が大
きくなってしまう。この事実からストレス印加後のリー
ク電流値は、EEPROMセルの駆動時に印加する電圧
領域では、この発明で形成した酸窒化膜のトンネル酸化
膜よりも低い値となる。
In both cases of the pure oxide film and the oxynitride film, the tendency of the leak current is not changed by the application of the negative polarity and the positive polarity. However, in the case of the pure oxide film, as can be understood by comparing the curves I 0 with I 1 , I 2 and I 3 , it can be seen that the stress largely changes before and after the charge injection. On the other hand, according to the method of the present invention, it can be concluded that, in the case of the oxynitride film formed, there is substantially no change in stress before and after the charge injection. Moreover, when the voltage between the control electrode CG and the drain D is about 4 V or more when the polarity is negative and when the voltage is about 2 V or more when the polarity is positive, the pure oxide film is more acidic. The leak current becomes larger than that in the case of the nitrided SiO 2 film. From this fact, the leak current value after the stress application is lower than that of the tunnel oxide film of the oxynitride film formed in the present invention in the voltage region applied when the EEPROM cell is driven.

【0053】以上説明したように、この説明による方法
で形成した酸窒化膜は、従来の純酸化膜よりも高品質の
絶縁膜として供し得るので、この酸窒化膜を電子デバイ
ス、例えばFLOTOX型EEPROMの形成に用いる
と、その電気的特性を従来のセルより向上させることが
できる。
As described above, the oxynitride film formed by the method according to this description can be used as an insulating film of higher quality than the conventional pure oxide film. Therefore, this oxynitride film is used as an electronic device, for example, FLOTOX type EEPROM. When used to form a cell, its electrical characteristics can be improved over conventional cells.

【0054】[0054]

【発明の効果】上述した説明からも明らかなように、こ
の発明の絶縁膜形成方法によれば、絶縁膜を60A°と
いう従来では不可能とされていた極薄膜にでき、このよ
うな薄膜であるにもかかわらず、ストレスの少ない、リ
ーク電流値の低い膜を形成することができる。このた
め、この絶縁膜をEEPROMなどのトンネル膜に利用
することにより、従来のものに比べ高品質の電気特性を
有する信頼性の高いEEPROMを提供することができ
る。また、この酸窒化SiO2 膜はEEPROM以外に
もトランジスターのゲート酸化膜としても利用できる。
As is apparent from the above description, according to the insulating film forming method of the present invention, the insulating film can be formed into an extremely thin film of 60 A °, which has been impossible in the past. Nevertheless, a film with less stress and a lower leak current value can be formed. Therefore, by utilizing this insulating film as a tunnel film of an EEPROM or the like, it is possible to provide a highly reliable EEPROM having higher quality electric characteristics than conventional ones. Further, the oxynitride SiO 2 film can be used as a gate oxide film of a transistor as well as the EEPROM.

【0055】[0055]

【表1】 [Table 1]

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

【図1】この発明に供する加熱処理方法を説明するため
のブロック図である。
FIG. 1 is a block diagram for explaining a heat treatment method used in the present invention.

【図2】この発明の加熱処理に供する反応炉を説明する
ための断面図である。
FIG. 2 is a cross-sectional view for explaining a reaction furnace used for the heat treatment of the present invention.

【図3】この発明の加熱処理に供するガス供給系、およ
び真空排気系を説明するためのブロック図である。
FIG. 3 is a block diagram for explaining a gas supply system and a vacuum exhaust system used for the heat treatment of the present invention.

【図4】この発明の絶縁膜を形成するための工程図であ
る。
FIG. 4 is a process drawing for forming an insulating film of the present invention.

【図5】絶縁膜中の窒素、および水素の深さ方向分布を
表す曲線図である。
FIG. 5 is a curve diagram showing the distribution of nitrogen and hydrogen in the insulating film in the depth direction.

【図6】SiO2 /Si界面近傍のXPSスペクトル図
である。
FIG. 6 is an XPS spectrum diagram near the SiO 2 / Si interface.

【図7】絶縁膜のストレス印加前後のリーク電流をプロ
ットした電圧・リーク電流曲線図である。
FIG. 7 is a voltage / leakage current curve diagram in which a leakage current before and after applying stress to the insulating film is plotted.

【図8】絶縁膜のストレス印加前後のリーク電流をプロ
ットした電圧・リーク電流曲線図である。
FIG. 8 is a voltage / leakage current curve diagram in which a leakage current before and after applying stress to the insulating film is plotted.

【図9】従来のEEPROMセルの構造図である。FIG. 9 is a structural diagram of a conventional EEPROM cell.

【図10】従来のEEPROMセルの動作を説明する回
路図である。
FIG. 10 is a circuit diagram illustrating an operation of a conventional EEPROM cell.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10:反応炉 10a:本体 10b:蓋部材 10c:昇降部材 12:排気手段 12a:ターボ分子ポンプ 12b:ドライポンプ 14:ガス供給部 14a:酸化性ガス源(O2 ) 14b:酸化性ガス源(N2 O) 14c:予備のガス源 14d:不活性ガス源 16:加熱部 16a:赤外線ランプ 16b:支持部材 18:基板 20:支持体 22:昇降装置 24:気密保持部材 26:温度測定手段 28:ガス供給管 30:排気管 32a〜32d:真空計 34、36a〜36f、38、40、44、46a〜4
6d、48a、48b:バルブ 42:ガス供給系 50a、50b:ガス流量コントローラ 200:シリコン基板 202:自然酸化膜 204:第一酸化膜 206:酸窒化SiO2 膜(トンネル酸化膜)
10: Reactor 10a: Main body 10b: Lid member 10c: Elevating member 12: Exhaust means 12a: Turbo molecular pump 12b: Dry pump 14: Gas supply unit 14a: Oxidizing gas source (O 2 ) 14b: Oxidizing gas source ( N 2 O) 14c: Spare gas source 14d: Inert gas source 16: Heating part 16a: Infrared lamp 16b: Support member 18: Substrate 20: Support member 22: Lifting device 24: Airtight holding member 26: Temperature measuring means 28 : Gas supply pipe 30: Exhaust pipe 32a to 32d: Vacuum gauge 34, 36a to 36f, 38, 40, 44, 46a to 4
6d, 48a, 48b: valve 42: gas supply system 50a, 50b: gas flow controller 200: silicon substrate 202: natural oxide film 204: first oxide film 206: oxynitride SiO 2 film (tunnel oxide film)

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 反応炉内でシリコンの下地に対して、絶
縁膜形成用ガス雰囲気のなかで加熱処理を行ない、該下
地に絶縁膜を形成するに当たり、 (a)前記加熱を赤外線照射による加熱とし、 (b)その処理中の前半段階で窒素非含有酸化性ガスの
雰囲気中で前記下地の表面の酸化を行なって第1絶縁膜
である酸化膜を形成する工程と、 (c)前記加熱処理中の後半段階で前記窒素非含有の酸
化性ガス雰囲気を窒素含有酸化性ガスの雰囲気に切り替
えて、この後者の酸化性ガス雰囲気中で前記第1絶縁膜
を酸窒化して、これを第2絶縁膜に変える工程とを含む
ことを特徴とする絶縁膜形成方法。
1. A silicon underlayer is heated in a reaction furnace in an insulating film forming gas atmosphere to form an insulating film on the underlayer. (A) The heating is performed by infrared irradiation. And (b) a step of oxidizing the surface of the base in an atmosphere of a nitrogen-free oxidizing gas in the first half stage of the treatment to form an oxide film which is a first insulating film, and (c) the heating. In the latter half of the process, the nitrogen-free oxidizing gas atmosphere is switched to the nitrogen-containing oxidizing gas atmosphere, the first insulating film is oxynitrided in the latter oxidizing gas atmosphere, 2. A method of forming an insulating film, comprising the step of changing to an insulating film.
【請求項2】 請求項1に記載の絶縁膜形成方法におい
て、前記窒素非含有酸化性ガスを酸素ガスとし、それに
より得られる第1絶縁膜を二酸化シリコン(SiO2
膜とすることを特徴とする絶縁膜形成方法。
2. The insulating film forming method according to claim 1, wherein the nitrogen-free oxidizing gas is oxygen gas, and the first insulating film obtained thereby is silicon dioxide (SiO 2 ).
A method for forming an insulating film, which is a film.
【請求項3】 請求項1に記載の絶縁膜形成方法におい
て、前記窒素含有酸化ガスを一酸化窒素(NO)、二酸
化窒素(NO2 )および亜酸化窒素(N2 O)のガス群
から選ばれた少なくとも一種のガスとし、それにより得
られる酸窒化膜をSiOxNy膜構造とする(但し、x
およびyは組成比を与える値であって、0<xおよび0
<yで、かつx+y≦2を満足する値をとる)ことを特
徴とする絶縁膜形成方法。
3. The method for forming an insulating film according to claim 1, wherein the nitrogen-containing oxidizing gas is selected from a gas group of nitric oxide (NO), nitrogen dioxide (NO 2 ) and nitrous oxide (N 2 O). At least one kind of gas, and the oxynitride film obtained thereby has a SiOxNy film structure (provided that x
And y are values giving composition ratios, and 0 <x and 0
<A value that satisfies y and x + y ≦ 2).
【請求項4】 請求項1に記載の絶縁膜形成方法により
得られた前記第2絶縁膜をトンネル膜として用いること
を特徴とする不揮発性半導体装置。
4. A nonvolatile semiconductor device, wherein the second insulating film obtained by the insulating film forming method according to claim 1 is used as a tunnel film.
JP4050018A 1992-03-06 1992-03-06 Insulating film formation method Expired - Lifetime JP2793416B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP4050018A JP2793416B2 (en) 1992-03-06 1992-03-06 Insulating film formation method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP4050018A JP2793416B2 (en) 1992-03-06 1992-03-06 Insulating film formation method

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPH05251428A true JPH05251428A (en) 1993-09-28
JP2793416B2 JP2793416B2 (en) 1998-09-03

Family

ID=12847261

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP4050018A Expired - Lifetime JP2793416B2 (en) 1992-03-06 1992-03-06 Insulating film formation method

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2793416B2 (en)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5639520A (en) * 1994-09-28 1997-06-17 Midwest Research Institute Application of optical processing for growth of silicon dioxide
JP2002353343A (en) * 2001-05-29 2002-12-06 Nec Corp Semiconductor device and method of manufacturing same
WO2005076339A1 (en) * 2004-02-10 2005-08-18 Seiko Epson Corporation A semiconductor device, an electronic device and an electronic apparatus
US7189661B2 (en) 2004-09-23 2007-03-13 Samsung Electronics Co., Ltd. Method of forming silicon oxynitride layer in semiconductor device and apparatus of forming the same
KR100777964B1 (en) * 2005-06-24 2007-11-21 가부시끼가이샤 도시바 Method of forming insulating film, method of manufacturing semiconductor device and semiconductor device
JP2010098322A (en) * 2004-02-10 2010-04-30 Seiko Epson Corp Insulating film, semiconductor element, electronic device and electronic apparatus
US7981809B2 (en) 2004-12-14 2011-07-19 Tokyo Electron Limited Film formation method and apparatus for semiconductor process

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH03160720A (en) * 1989-11-20 1991-07-10 Oki Electric Ind Co Ltd Formation of insulating film
JPH03257828A (en) * 1990-03-07 1991-11-18 Toshiba Corp Manufacture of semiconductor device

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH03160720A (en) * 1989-11-20 1991-07-10 Oki Electric Ind Co Ltd Formation of insulating film
JPH03257828A (en) * 1990-03-07 1991-11-18 Toshiba Corp Manufacture of semiconductor device

Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5639520A (en) * 1994-09-28 1997-06-17 Midwest Research Institute Application of optical processing for growth of silicon dioxide
JP2002353343A (en) * 2001-05-29 2002-12-06 Nec Corp Semiconductor device and method of manufacturing same
JP4594554B2 (en) * 2001-05-29 2010-12-08 ルネサスエレクトロニクス株式会社 Semiconductor device and manufacturing method thereof
WO2005076339A1 (en) * 2004-02-10 2005-08-18 Seiko Epson Corporation A semiconductor device, an electronic device and an electronic apparatus
KR100820386B1 (en) * 2004-02-10 2008-04-08 세이코 엡슨 가부시키가이샤 A semiconductor device, an electronic device and an electronic apparatus
JP2010098322A (en) * 2004-02-10 2010-04-30 Seiko Epson Corp Insulating film, semiconductor element, electronic device and electronic apparatus
US8168482B2 (en) 2004-02-10 2012-05-01 Seiko Epson Corporation Semiconductor device, an electronic device and an electronic apparatus
US8395225B2 (en) 2004-02-10 2013-03-12 Seiko Epson Corporation Semiconductor device, an electronic device and an electronic apparatus
US7189661B2 (en) 2004-09-23 2007-03-13 Samsung Electronics Co., Ltd. Method of forming silicon oxynitride layer in semiconductor device and apparatus of forming the same
US7981809B2 (en) 2004-12-14 2011-07-19 Tokyo Electron Limited Film formation method and apparatus for semiconductor process
KR100777964B1 (en) * 2005-06-24 2007-11-21 가부시끼가이샤 도시바 Method of forming insulating film, method of manufacturing semiconductor device and semiconductor device
US7521263B2 (en) 2005-06-24 2009-04-21 Kabushiki Kaisha Toshiba Method of forming an insulating film, method of manufacturing a semiconductor device, and semiconductor device

Also Published As

Publication number Publication date
JP2793416B2 (en) 1998-09-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6365458B1 (en) Semiconductor memory device and method of manufacturing the same
JP4987206B2 (en) Method for manufacturing flash memory device
US7001810B2 (en) Floating gate nitridation
US6297092B1 (en) Method and structure for an oxide layer overlaying an oxidation-resistant layer
US5063423A (en) Semiconductor memory device of a floating gate tunnel oxide type
JP2793416B2 (en) Insulating film formation method
US6372578B1 (en) Manufacturing method of non-volatile semiconductor device
JP3402881B2 (en) Method for manufacturing semiconductor device
US6991987B1 (en) Method for producing a low defect homogeneous oxynitride
US6368984B1 (en) Insulating film and method of forming the same
JP4891272B2 (en) Manufacturing method of flash memory
US6387756B1 (en) Manufacturing method of non-volatile semiconductor device
JPH09115904A (en) Manufacture and manufacturing apparatus for oxide film
JP4594554B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof
US20020177276A1 (en) Method of forming tunnel oxide layer
JP3425579B2 (en) Method for manufacturing semiconductor device
JPH09148325A (en) Method for manufacturing semiconductor device
US7776731B2 (en) Method of removing defects from a dielectric material in a semiconductor
JPH05304146A (en) Deposition of insulation film
JP2793441B2 (en) Insulating film formation method
US6525400B2 (en) Semiconductor memory device and method of manufacturing the same
JPH01117332A (en) Non-volatile semiconductor memory and manufacture thereof
JPH05198574A (en) Formation of insulating film
JPH04199683A (en) Dielectric film and mos field effect transistor and mos type non-volatile memory provided therewith
JPH08191067A (en) Semiconductor device and its manufacture

Legal Events

Date Code Title Description
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 19980609