JPH06326083A

JPH06326083A - 薄い絶縁膜の形成方法

Info

Publication number: JPH06326083A
Application number: JP5114398A
Authority: JP
Inventors: Hisashi Fukuda; 永福田; Makoto Yasuda; 安田　　真
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 1993-05-17
Filing date: 1993-05-17
Publication date: 1994-11-25

Abstract

(57)【要約】【目的】絶縁膜の膜厚を薄くした場合でも絶縁膜の膜
厚制御が可能であり、しかも下地中の不純物が絶縁膜中
に侵入するのを抑制できる信頼性の高い優れた絶縁膜の
成形方法を提供する。【構成】この発明の薄い絶縁膜の形成方法によれば、
まず、炉内を高真空に排気した後（Ｖ_ac１の期間）、窒
素含有ガスと窒素非含有酸化性ガスを炉内に混入する。
その後、窒素含有ガスを第１分圧比に設定して（Ｏ_X１
の期間）、第１段階の絶縁膜部分を下地上に成膜し、続
いて、所定の期間（Ｖ_ac２の期間）、炉内を真空排気す
る。更に、窒素含有ガスを第１段階分圧比より高い第２
段階分圧比に設定（Ｏ_x２の期間）して、第２段階の絶
縁膜部分を第１段階で形成された絶縁膜部分上に成膜す
る。第３段階以降は、分圧比を前段階の分圧比より高く
設定し、かつ、各成膜間に炉内を真空排気する所定の期
間（Ｖ_ac３の期間）を設けて第３段階以降の絶縁膜を順
次成膜する。

Description

【発明の詳細な説明】

【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、特に、薄膜で、かつ絶縁特性の優
れた絶縁膜を形成する方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、ＭＯＳデバイスの発展は、電気的
に安定でかつ、薄いＳｉＯ₂膜の形成技術に支えられて
いる。ＭＯＳＬＳＩは、５０ｎｍ以下の薄いＳｉＯ₂
膜が使用されるようになってきた。このため、短チャネ
ルのＭＯＳＦＥＴの信頼度に関係してＳｉＯ₂膜の重
要性がますます認識されつつある。

【０００３】また、従来、絶縁膜はＭＯＳ構造での、ゲ
ート絶縁膜、素子分離に必要なフィード絶縁膜、配線交
差部分の層間絶縁膜およびイオン打ち込みなどでのマス
クとして応用されてきた。しかし、ＭＯＳ構造の微細化
による素子スケーリング則によってゲート酸化膜はます
ます薄膜化が要求されている（文献：「ＭＯＳＬＳＩ
製造技術」、徳山他、日経マグドウヒル社、１９８５
年、Ｐ．６５参照）。

【０００４】従来の酸化膜の形成方法については、文献
Ｉ（文献Ｉ：「超高速ディジタルデバイスシリーズ２
超高速ＭＯＳディバイス」、香山著、培風館、昭和６１
年発行）に開示されている。ここでは、この文献ＩＩに
開示されている酸化膜の形成方法につき簡単に説明す
る。

【０００５】先ず、基板（ウエハ）表面の洗浄を行う。
この基板の洗浄は、通常、過酸化水素（Ｈ₂Ｏ₂）を中
心とした化学薬品を用いて行われる。しかし、１００Ａ
°（Ａ°はオングストロームを表す記号である。）以下
の酸化膜の形成に対しては必ずしも上述した表面処理の
みでは十分でない。従って、化学薬品によって処理され
たウエーハは更に高真空中や還元ガス中で高温処理され
る。このよにして、ウエハのシリコン表面の付着物を除
去する。

【０００６】次に、ウェハ表面上に薄いゲート酸化膜を
形成する。このとき、ウエハ中の薄膜の均一性を保つた
め、ゆっくりとした酸化速度で成膜する方法がある。こ
の方法では、低温（８００℃〜９００℃）で酸化膜を形
成するか、もしくは減圧（酸素分圧〈０．１気圧）条件
の下で酸化膜を形成する。以下、この方法を低温減圧酸
化法という。このとき酸化性ガスとしては、一般には酸
素（Ｏ₂）ガスや酸素ガスと水素（Ｈ₂）ガスの混合ガ
スが用いられる。

【０００７】尚、これとは別の薄いゲート酸化膜を成膜
する方法として、酸素（Ｏ₂）ガスにアルゴン（Ａｒ）
ガスや窒素（Ｎ₂）ガスなどの希釈ガスを炉内に混入さ
せて酸化速度を下げる方法も実用化されている。以下、
この方法を希釈酸化法という。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た低温減圧酸化法により酸化速度を下げる方法は、酸化
膜中に発生する応力によってシリコン基板と酸化膜との
界面の平坦性が損なわれ、従って、界面に凹凸が発生し
て酸化膜の膜厚が不均一になるという問題がある。

【０００９】一方、希釈酸化法を用いて薄い酸化膜を成
膜する方法は、高温長時間の酸化過程を経るため、シリ
コン基板中の不純物が酸化膜中に取り込まれ、これが核
となって絶縁破壊を起こすという問題がある。

【００１０】また、低温減圧酸化法や希釈酸化法により
成膜される酸化膜は、この酸化膜とシリコン基板との界
面近傍に多数のシリコン原子の不対結合とか歪んだＳｉ
−Ｏ結合が存在してしまう。従って、この酸化膜を例え
ばＥＥＰＲＯＭのトンネル酸化膜に応用した場合、これ
らの結合は、酸化膜中で高エネルギー電子に対してトラ
ップとしての働きをするため、リーク電流の増大、また
は耐久性（エンデュランス）特性の劣化の原因となる。

【００１１】この発明の目的は、上述した問題点に鑑み
行われたものであり、従って、この発明の第１の目的
は、絶縁膜の膜厚を薄くした場合でも絶縁膜の膜厚制御
が可能であること。更に、この発明の第２の目的は、下
地中の不純物が絶縁膜中に侵入するのを抑制できる信頼
性の高い優れた絶縁膜を形成する方法を提供することに
ある。

【００１２】

【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、加熱炉内に窒素非含有酸化性ガスと
窒素含有ガスとを用いて所定の加熱温度を加えることに
より下地上に絶縁膜を形成するに当たり、窒素含有ガス
の分圧比を一定期間毎に変えて前記絶縁膜を段階的に成
膜することを特徴とする。

【００１３】また、この発明の実施に当たり、好ましく
は、窒素含有ガスを窒素含有酸化性ガスとするのが良
い。

【００１４】また、この発明の実施に当たり、好ましく
は、窒素含有ガスをアンモニアガスとするのが良い。

【００１５】また、この発明の好適実施例によれば、加
熱炉内に窒素非含有酸化性ガスと窒素含有ガスとを用い
て所定の加熱温度を加えることにより下地上に絶縁膜を
形成するに当たり、（ａ）前記炉内を高真空に排気する
工程と、（ｂ）その後、窒素非含有酸化性ガスと窒素含
有ガスを炉内に混入させ、前記窒素含有ガスの第１段階
分圧比に設定して第１段階の絶縁膜部分を成膜する工程
と、（ｃ）所定の期間炉内を真空排気する工程と、
（ｄ）前記窒素含有ガスを前記第１段階分圧比より高い
第２段階分圧比に設定して第２段階の絶縁膜部分を成膜
する工程と、（ｅ）所定の期間炉内を真空排気する工程
と、（ｆ）第３段階以降の分圧比を前段階分圧比より高
く設定して、かつ、各成膜間に、前記真空排気する工程
を設けて、第３段階以降の絶縁膜部分を順次に成膜して
一定の膜厚の絶縁膜を形成するのが良い。

【００１６】また、この発明の実施に当たり、好ましく
は、前記炉内に混入するガスをアンモニア（ＮＨ₃）ガ
スと前記窒素含有酸化性ガスとの混合ガスとするのが良
い。

【００１７】また、この発明の実施に当たり、好ましく
は、前記炉内に混入するガスをアンモニアガスと窒素非
含有酸化性ガスとの混合ガスとするのが良い。

【００１８】また、この発明の好適実施例によれば、好
ましくは、前記窒素非含有酸化性ガスを酸素（Ｏ₂）ガ
スまたはオゾン（Ｏ₃）ガスとするのが良い。

【００１９】また、この発明の実施例によれば、好まし
くは、前記窒素含有酸化性ガスを一酸化窒素（ＮＯ）ガ
ス、一酸化二窒素（Ｎ₂Ｏ）ガス、二酸化窒素（Ｎ
Ｏ₂）中の群の１つまたはこれらの群の中から選択され
た２つ以上の混合ガスとするのが良い。

【００２０】

【作用】上述したこの発明の薄い絶縁膜の形成方法によ
れば、炉内の加熱温度を高い温度に設定し、窒素含有ガ
スの分圧比を一定期間毎に段階的に変えて絶縁膜を成膜
する。このため、従来のような低温減圧酸化法と違い、
絶縁膜中に発生する応力を低減することができる。従っ
て、絶縁膜と下地の界面の平坦性が均一化される。

【００２１】また、窒素含有ガス分圧を変えていくた
め、絶縁膜と下地との界面に存在する窒素濃度を容易に
制御できる。このため、膜厚の制御が容易になる。

【００２２】また、この発明の絶縁膜の成膜方法は、加
熱処理温度を一定に保持して窒素含有ガスの分圧比を変
えて窒素含有ガスと窒素非含有酸化性ガスとを導入また
は置換する工程を繰り返す。従って、従来の加熱炉内へ
のガス導入サイクル毎に昇温および降温をする加熱方式
に比べて界面のＳｉ原子とＯ₂原子との不対結合や歪ん
だＳｉ−Ｏ結合が減少する。従って、薄くて膜厚の優れ
た絶縁膜を成膜することができる。

【００２３】また、絶縁膜中の窒素原子は、Ｓｉ基板中
の不純物の拡散を抑制する効果をもつと考えられるの
で、絶縁破壊も改善され、耐絶縁性が良くなる。

【００２４】また、窒素含有ガスとして窒素含有酸化性
ガスまたはＮＨ₃ガスを用いるが良い。また、窒素非含
有酸化性ガスとして酸素（Ｏ₂）またはオゾン（Ｏ₃）
ガス用いるのが良い。このような窒素含有ガスと窒素非
含有酸化性ガスとを混合して窒素含有ガスの分圧比を任
意に変えることができる。

【００２５】

【実施例】以下、図面を参照してこの発明の実施例につ
き説明する。なお、各図は、この発明が理解出来る程度
に各構成成分の形状、配置および寸法を概略的に示して
いるにすぎない。また、以下説明する実施例は単なる好
適例にすぎず、従ってこの発明は以下説明する実施例の
みに何ら限定されるものではないことを理解されたい。

【００２６】先ず、この発明の絶縁膜形成方法を説明す
るに先立ち、図４および図５を参照してこの発明に用い
る絶縁膜形成装置およびガス供給装置につき説明する。

【００２７】この装置の加熱炉（反応炉とも呼ぶ。）１
０は、ステンレス製の本体１０ａおよび昇降部材１０ｃ
と、石英製の蓋部材１０ｂおよび下地（ここでは一例と
して基板１８の）支持体２０とを具えている。

【００２８】反応炉１０内への基板１８の出し入れは、
昇降装置２２による昇降部材１０ｃの昇降により行なわ
れる。本体１０ａ、蓋部材１０ｂおよび昇降部材１０ｃ
間には機密保持部材２４、例えば、バイトンパッキンを
設けている。従って、反応炉１０内の真空引きを行なっ
た際に、機密保持部材２４を介して炉内の機密状態を保
持できるようになっている。

【００２９】また、温度測定器２６、例えば、オプチカ
ルパイロメータは凹部１０ａの基板近傍位置に取り付け
てあり、基板１８の表面温度を測定するために用いる。

【００３０】加熱部１６には、赤外線照射手段として赤
外線ランプ１６ａを用い、これを支持部材１６ｂにより
支持して設けてある。この赤外線ランプ１６ａには、例
えば、タングステンハロゲンランプを用いる。反応炉１
０の蓋部材１０ｂを赤外線透過材で形成してあるので、
赤外線は反応炉１０内へと透過する。

【００３１】このランプへのパワー供給装置のコントロ
ール部（図示せず）は、温度測定装置とクローズドルー
プを構成しているものとする。すなわち、温度測定装置
により測定された基板１８の温度はランプパワーのコン
トロール部にフィードバックされ、基板温度が目標とす
る値に一定に保たれるようにランプパワーが制御される
ような構造となっている。

【００３２】ガス供給管２８は、反応炉１０とガス供給
部１４（図５）との間に設けられている。また、排気管
３０には真空排気装置が接続されている。

【００３３】次に、図５を参照して、この実施例のガス
供給系につき説明する。この実施例において、ガス供給
部１４を、窒素非含有酸化性ガス源１４ａ、窒素含有酸
化性ガス源１４ｂ、不活性ガス源１４ｃで構成してあ
る。図５において、４２はガス供給系、４４はバルブ、
４６ａ〜４６ｃは自動開閉バルブ、５０はガス供給部１
４から反応炉へ導入されるガス流量のモニタである。バ
ルブ４４および４６ａ〜４６ｃを適当量開閉することに
よって所望の流量のガスを反応炉内へと導入することが
出来る。

【００３４】次に、この発明の第１および第２実施例の
絶縁膜の形成方法を、図１、図２（Ａ）、（Ｂ）、
（Ｃ）、図３、図４および図５を参照して具体的に説明
する。

【００３５】以下、第１実施例の絶縁膜形成方法を、図
１、図２（Ａ）〜（Ｃ）、図４および図５を参照して詳
細に説明する。

【００３６】先ず、反応炉１０内に膜形成の下地となる
Ｓｉ基板１８（図４）、好ましくは、Ｓｉ単結晶基板を
導入する。この基板１８は必要に応じて表面の清浄化処
理を行なったものとする。

【００３７】図１は、加熱温度（Ｔ_max）を一定とし、
窒素含有ガス（以下、Ｎ₂Ｏガスと称する。）の分圧比
を変えたときの分圧比サイクル図を示す。なお、図の左
の縦軸に処理温度を℃の単位で取り、また、右の縦軸に
圧力（Ｔｏｒｒ）の単位でとって示してある。そして、
Ｎ₂Ｏ分圧比を破線で示し、温度プロファイルを実線で
示してある。

【００３８】先ず、反応炉１０内を、例えば１０^-3〜１
０^-5Ｔｏｒｒの高真空に所定の期間排気する（図１にＶ
_ac１で示す期間）。

【００３９】次に、バルブ４４、４６ａおよび４６ｂを
開き、反応炉１０内に窒素含有酸化性ガス、例えば、Ｎ
₂Ｏガスと窒素非含有酸化性ガス、例えば酸素（Ｏ₂）
ガスを導入する。このとき各バルブの開閉量を適当に調
整することで、反応炉１０内のＮ₂Ｏガス分圧比を１０
％の分圧比（第１段階の分圧比）にすることができる
（図１にＯｘ１で示す期間）。そして、所望の雰囲気が
得られた時点でガスの供給を停止する。このとき炉内の
圧力は、１００Ｔｏｒｒ程度の減圧状態に維持しても良
い。

【００４０】次に、図４の加熱部１６によって基板１８
を加熱し、Ｓｉ基板１８の表面に薄い絶縁膜（以下、Ｓ
ｉ酸窒化膜と称する。）を形成する。尚、このＳｉ酸窒
化膜の組成は、ＳｉＯ_xＮ_y（ただし、ｘおよびｙは組
成比を表す記号である。）になる。この場合、基板１８
の加熱は、基板表面の温度を温度測定手段２６で測定し
ながら、１００〜２００℃／秒の範囲内の適当な昇温速
度、好ましくは、１００℃／秒で行なう。このような範
囲内の昇温速度とするのは、Ｓｉ酸窒化膜の成長速度を
一定にして膜質の向上を図るためである。加熱温度すな
わち加熱のピーク温度Ｔ_maxを、好ましくは、１０００
〜１２００℃の範囲内の適当な温度とする。このように
加熱温度および反応性ガスの雰囲気維持時間（図１にＯ
ｘ１で示す期間）を適当に制御することによって第１段
階として数十オングストローム（Ａ°）オーダ以上の任
意の厚さの第１段階のＳｉ酸窒化膜部分６２を形成する
ことが出来る。この様子を図２（Ａ）に示す。

【００４１】続いて、加熱温度が保持されている状態で
バルブを任意好適に調整して再度炉内を真空排気し、上
述したＶ_ac１で示す期間と同様な条件に維持する（図１
にＶ_aC２に示す期間）。

【００４２】次に、反応炉１０内のＮ₂Ｏ分圧比を第１
段階分圧比より高く設定する。このときのＮ₂Ｏ分圧比
（第２段階分圧比）を例えば５０％とする。このような
反応性ガス雰囲気の維持期間（図１にＯｘ２で示す期
間）を適当に制御することによってＳｉ酸窒化膜の膜厚
増加量を数オングストロームから数十オングストローム
とすることができる。この様子を第２段階のＳｉ酸窒化
膜部分６４として示す（図２（Ｂ））。

【００４３】次に、第３段階のＮ₂Ｏ分圧比を、例えば
１００％とし、第３段階のＳｉ酸窒化膜部分を形成する
（図示せず。）このようにして順次に第ｎ段階まで繰り
返して一定の膜厚のＳｉ酸窒化膜部分６６を形成する
（図２の（Ｃ））。尚、Ｓｉ酸窒化膜部分６５は、第３
段階以降のＳｉ酸窒化膜部分を表している。このような
工程を経て、所望の薄い膜厚のＳｉ酸窒化膜を形成した
後、バルブ４４、４６ｃを開き不活性ガス、例えば窒素
ガスを反応炉１０内に導入してＳｉ基板１８（図４）を
室温まで冷却することにより成膜工程を終了する。

【００４４】次に、この発明の第２実施例につき図２
（Ａ）〜（Ｃ）、図３、図４および図５を参照して説明
する。なお、第１実施例と同様な工程は、その説明を省
略する。

【００４５】この第２実施例を説明するために、図３に
窒素含有ガス分圧比サイクルを示す。なお、破線は、窒
素含有ガス（第２実施例では、アンモニア（ＮＨ₃）ガ
スとする。）の分圧比を表し、実線は、温度プロファイ
ルを表す。

【００４６】先ず、反応炉１０内を高真空に排気する。
このときの排気条件は、第１実施例のＶ_ac１期間の条件
と同様にする。

【００４７】次に、反応炉１０内に窒素含有ガス（例え
ばＮＨ₃ガス）と窒素非含有酸化性ガス（例えば酸素ガ
ス）または窒素含有酸化性ガス（例えばＮ₂Ｏガス）を
導入する。このとき炉１０内のＮＨ₃分圧比（第１段
階）を、例えば５％未満とする（図３にＯｘ１で示す期
間）。

【００４８】次に、基板１８を加熱する。このときの昇
温速度およびピーク温度（Ｔ_max）を、例えば第１実施
例のときと同様１０００℃〜１２００℃に設定する。

【００４９】続いて、第２段階のＮＨ₃分圧比（図３に
Ｏｘ２で示す期間）を、例えば５％とし、更に、第３段
階のＮＨ₃分圧比（図示せず）を、例えば１０％と順次
ＮＨ₃分圧比を高くしていく。この時のＳｉ基板６０上
に成膜されるＳｉ酸窒化膜部分は図２（Ａ）〜（Ｃ）の
成膜工程と同様であるため、その説明を省略する。

【００５０】次に、図６は、Ｎ₂Ｏ分圧比を変えたとき
のＳｉ酸窒化膜中での窒素原子濃度分布を示している。
それぞれの曲線は、二次イオン質量分析法（ＳＩＳＭ）
で測定した結果である。なお、図中、横軸にＳｉＯ₂膜
の表面からＳｉ基板方向への深さ（Ａ°）を取り、縦軸
に各原子濃度（原子／ｃｍ³）を取って表している。
尚、このときのＳｉ酸窒化膜を形成する条件は、炉内の
ガス雰囲気をＮ₂ＯガスとＯ₂ガスの混合ガスとし、こ
のときの加熱温度は、１１００℃と一定にする。

【００５１】Ｎ₂Ｏ分圧比を変化させた場合、窒素原子
のスペクトル強度を曲線１０３、１０５、１０７および
１１１で表している。このときの加熱温度は、１１００
℃とする。図中、曲線１０１は酸素（Ｏ₂）原子の濃度
分布を表す。また、曲線１０３はＮ₂Ｏ分圧比を０％の
ときの窒素原子濃度、曲線１０５はＮ₂Ｏ分圧比を１０
％のときの窒素原子濃度、曲線１０７はＮ₂Ｏ分圧比２
０％のときの窒素原子濃度、曲線１０９はＮ₂Ｏ分圧比
３０％のときの窒素原子濃度、曲線１１１はＮ₂Ｏ分圧
比を５０％のときのそれぞれの窒素原子濃度分布を表
す。尚、Ｓｉ酸窒化膜とＳｉ基板との界面は深さ約１０
０Ａ°のところにある。

【００５２】図６から明らかなように、Ｎ₂Ｏ分圧比が
大きくなるとともにＳｉ酸窒化膜中の窒素原子濃度も増
大していく。特に、Ｓｉ酸窒化膜の表面から約８５Ａ°
の深さ近傍で最大値を示す。このときそれぞれのＮ₂Ｏ
分圧比に対する最大値は、１０％のとき４×１０²¹原子
／ｃｍ³、２０％のとき５×１０²¹原子／ｃｍ³、３０
％のとき７×１０²¹原子／ｃｍ³、５０％のとき９×１
０²¹原子／ｃｍ³の値を示す。更に、Ｓｉ酸窒化膜の深
さ８５Ａ°より深くなると各分圧の窒素原子濃度は急速
に低下する。この低下の原因は、Ｓｉ基板の領域に入る
ためと考えられる。

【００５３】一方、酸素原子濃度（曲線１０１）は、表
面から浅い領域で２×１０²²（原子／ｃｍ³）と一定で
あるが、Ｓｉ酸窒化膜の深さ約８０Ａ°を過ぎると窒素
原子濃度と同様急速に低下して行く。

【００５４】また、この第１実施例で形成されるＳｉ酸
窒化膜は、Ｓｉ−Ｏ結合部に窒素原子が侵入することに
より、新たに窒素原子はＳｉ原子と結合する。また、窒
素原子は酸素原子と置換したりするため、シリコン（Ｓ
ｉ）と窒素（Ｎ）との結合が安定する。従って、絶縁膜
の耐絶縁性は向上する。また、Ｓｉ酸窒化膜は、従来の
酸化膜（例えばＳｉＯ₂膜）に比べて緻密な膜質構造を
有する。また、Ｓｉ酸窒化膜中の窒素原子はシリコン基
板中の不純物拡散を抑制すると考えられる。また、Ｓｉ
酸窒化膜に窒素原子が導入されると誘電率は向上する。
また、Ｓｉ酸窒化膜／Ｓｉの界面のバリヤハイト（電位
障壁高さ）の低下も期待できる。

【００５５】また、従来は、窒素濃度を高くして酸窒化
膜を形成していたため、酸窒化膜／Ｓｉ基板の界面近傍
に窒素原子が偏析して酸化種の拡散防止の働きをしてい
た。

【００５６】しかし、この発明では、窒素含有ガスの分
圧比を段階的に変化させているため、窒素原子濃度の制
御が可能になる。従って、絶縁膜の膜厚が緻密になり、
膜厚の平坦性も良好となる。

【００５７】また、この発明の薄い絶縁膜形成方法によ
れば、加熱処理温度を一定に保持した状態で、反応性ガ
スの導入および置換を行う。従って、従来のガス導入サ
イクル毎に加熱温度を昇温および降温させる方式に比べ
てＳｉ基板や絶縁膜中の不対結合および弱い結合の数は
減少する。また、加熱処理温度も高温度でＳｉ基板を処
理するため、低温で昇温および降温にしたときに生ずる
結露（水分）が絶縁膜中に取り込まれることもなくな
る。更に、加熱処理時間の短縮化を図ることができる。

【００５８】上述した第１実施例の窒素含有ガスにＮ₂
Ｏガス、窒素非含有酸化性ガスにＯ₂ガスを用いたが何
らこれに限定されず、窒素含有ガスに一酸化窒素（Ｎ
Ｏ）ガスまたは二酸化窒素ガス（ＮＯ₂）ガスを用いて
もよい。また、窒素非含有酸化性ガスにオゾン（Ｏ₃）
ガスを用いても良い。

【００５９】また、下地にシリコン単結晶を用いたが多
結晶シリコンを用いても良い。このような材料を用いる
ことによって、Ｓｉ酸窒化膜中で酸素（Ｏ）がＳｉと結
合して形成されＳｉーＯ結合や窒素がＳｉと結合して形
成されるＳｉ−Ｎ結合の安定した絶縁膜を得ることがで
きる。

【００６０】また、第２実施例の窒素非含有酸化性ガス
にＯ₂ガスを用いたがオゾン（Ｏ₃）ガスを用いても良
い。また、窒素非含有酸化性ガスにＮ₂Ｏガスを用いた
が一酸化窒素（ＮＯ）ガスまたは二酸化窒素（ＮＯ₂）
ガスを用いても良い。

【００６１】

【発明の効果】上述した説明からも明らかなように、こ
の発明の薄い絶縁膜の形成方法によれば、炉内の加熱温
度を所定の温度で、かつ、一定に保持した状態で、窒素
含有ガスの分圧比を一定期間毎に変えて段階的に絶縁膜
を成膜する。その方法としては、先ず、炉内を高真空に
排気した後、窒素含有ガスと窒素非含有酸化性ガスを炉
内に混入する。その後、窒素含有ガスを第１段階分圧比
に設定して、第１段階の絶縁膜部分を下地上に成膜す
る。続いて、所定の期間炉内を真空排気する。更に、窒
素含有ガスを第１段階分圧比より高い第２段階分圧比に
設定して第２段階で形成される絶縁膜部分を第１段階の
絶縁膜部分上に成膜する。その後、所定の期間炉内を真
空排気する。更に、第３段階以降としては、分圧比を前
段階の分圧比より高く設定し、かつ、各成膜間に炉内を
真空排気する所定の期間を設けて第３段階以降の絶縁膜
部分を順次に成膜する。このようにして形成された絶縁
膜は、膜厚中の応力が減少するので、絶縁膜（ＳｉＯ_x
Ｎ_y膜）とシリコン基板との界面の平坦性が良くなり、
膜厚の制御が容易になる。また、絶縁膜中の窒素原子の
濃度を段階的に変えることができるため、従来のように
界面に高い濃度をもった窒素原子の影響により絶縁膜の
膜厚の成長が抑制されることは少なくなる。従って、所
望の絶縁膜の膜厚の制御が容易になる。

【００６２】また、最終的に成膜された絶縁膜は、界面
近傍に高い濃度の窒素原子を有するため、Ｓｉ基板中の
不純物が絶縁膜中に取り込まれることはなくなるものと
考えられる。従って、この絶縁膜をＥＥＰＲＯＭのトン
ネル絶縁膜に応用すれば、リーク電流の小さい、かつ耐
久性（エンデユランス特性）の優れた絶縁膜を提供でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１実施例の説明に供するＮ₂Ｏ分
圧比サイクル図である。

【図２】この発明の絶縁膜（ＳｉＯ_xＮ_y膜）の成膜方
法の説明に供する工程図である。

【図３】この発明の第２実施例の説明に供するＮＨ₃分
圧比サイクル図である。

【図４】この発明の第１および第２実施例に用いた加熱
炉の要部断面図である。

【図５】この発明の第１および第２実施例に用いたガス
供給部分の説明に供するための図である。

【図６】絶縁膜のＳｉＯ₂／Ｓｉ界面近傍の絶縁膜深さ
に対する原子濃度スペクトル図である。

【符号の説明】

１０：反応炉１０ａ：本体１０ｂ：蓋部材１０ｃ：昇降部材１４：ガス供給部１４ａ：酸化性ガス源（Ｏ₂）１４ｂ：酸化性ガス源（Ｎ₂Ｏ）１４ｃ：不活性ガス源（Ｎ₂）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４４：バルブ４６ａ〜４６ｃ：自動開閉バルブ４２：ガス供給系５０：ガス流量計６０：シリコン基板６２：第１段階のＳｉ酸窒化（ＳｉＯ_xＮ_y）膜部分６４：第２段階のＳｉ酸窒化（ＳｉＯ_xＮ_y）膜部分６５：第３段階のＳｉ酸窒化（ＳｉＯ_xＮ_y）膜部分６６：第ｎ段階のＳｉ酸窒化（ＳｉＯ_xＮ_y）膜部分

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】加熱炉内に窒素非含有酸化性ガスと窒素
含有ガスとを用いて所定の加熱温度を加えることにより
下地上に絶縁膜を形成するに当たり、前記窒素含有ガスの分圧比を一定期間毎に変えて前記絶
縁膜を段階的に成膜することを特徴とする薄い絶縁膜の
形成方法。
【請求項２】請求項１に記載の窒素含有ガスを窒素含
有酸化性ガスとすることを特徴とする薄い絶縁膜の形成
方法。
【請求項３】請求項１に記載の窒素含有ガスをアンモ
ニアガスとすることを特徴とする薄い絶縁膜の形成方
法。
【請求項４】加熱炉内に窒素非含有酸化性ガスと窒素
含有ガスとを用いて所定の加熱温度を加えることにより
下地上に絶縁膜を形成するに当たり、（ａ）前記炉内を高真空に排気する工程と、（ｂ）その後、窒素非含有酸化性ガスと窒素含有ガスを
炉内に混入させ、前記窒素含有ガスの第１段階分圧比に
設定して第１段階の絶縁膜部分を成膜する工程と、（ｃ）所定の期間炉内を真空排気する工程と、（ｄ）前記窒素含有ガスを前記第１段階分圧比より高い
第２段階分圧比に設定して第２段階の絶縁膜部分を成膜
する工程と、（ｅ）所定の期間炉内を真空排気する工程と、（ｆ）第３段階以降の分圧比を前段階分圧比より高く設
定して、かつ、各成膜間に、前記真空排気する工程を設
けて、第３段階以降の絶縁膜部分を順次に成膜して一定
の膜厚の絶縁膜を形成することを特徴とする薄い絶縁膜
の形成方法。
【請求項５】請求項１に記載の薄い絶縁膜を形成する
に当たり、前記炉内に混入するガスをアンモニア（ＮＨ₃）ガスと
前記窒素含有酸化性ガスとの混合ガスとすることを特徴
とする薄い絶縁膜の形成方法。
【請求項６】請求項１に記載の薄い絶縁膜を形成する
に当たり、前記炉内に混入するガスをアンモニアガスと窒素非含有
酸化性ガスとの混合ガスとすることを特徴とする薄い絶
縁膜の形成方法。
【請求項７】請求項１に記載の前記窒素非含有酸化性
ガスを酸素（Ｏ₂）ガスまたはオゾン（Ｏ₃）ガスとす
ることを特徴とする薄い絶縁膜の形成方法。
【請求項８】請求項１に記載の前記窒素含有酸化性ガ
スを一酸化窒素（ＮＯ）ガス、一酸化二窒素（Ｎ₂Ｏ）
ガスおよび二酸化窒素（ＮＯ₂）のガス群の中ら選ばれ
た１つのガスまたは２つ以上のガスの混合ガスとするこ
とを特徴とする薄い絶縁膜の形成方法。