JPH0645320A - 半導体装置の製造方法および製造装置 - Google Patents
半導体装置の製造方法および製造装置Info
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- JPH0645320A JPH0645320A JP19933392A JP19933392A JPH0645320A JP H0645320 A JPH0645320 A JP H0645320A JP 19933392 A JP19933392 A JP 19933392A JP 19933392 A JP19933392 A JP 19933392A JP H0645320 A JPH0645320 A JP H0645320A
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- Japan
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- semiconductor device
- nitrogen
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Abstract
(57)【要約】
【目的】ゲート絶縁膜への高電界ストレスによる半導体
装置の電気特性の変動を最小限にし、信頼性の向上を図
る。 【構成】乾燥酸素雰囲気中で熱処理してシリコン酸化膜
を形成した後に、活性化窒素雰囲気中で窒化し、シリコ
ン基板のシリコン酸化膜との界面にＳｉＯX ＮY層
（Ｘ，Ｙは任意）を形成する。また乾燥酸素を供給する
酸素供給管１３と活性化窒素を供給する窒素供給管１４
を炉芯管１１に接続し、窒素供給管１１には活性化窒素
を生成するための放電管１６およびマイクロ波導波管１
５を設けている。
装置の電気特性の変動を最小限にし、信頼性の向上を図
る。 【構成】乾燥酸素雰囲気中で熱処理してシリコン酸化膜
を形成した後に、活性化窒素雰囲気中で窒化し、シリコ
ン基板のシリコン酸化膜との界面にＳｉＯX ＮY層
（Ｘ，Ｙは任意）を形成する。また乾燥酸素を供給する
酸素供給管１３と活性化窒素を供給する窒素供給管１４
を炉芯管１１に接続し、窒素供給管１１には活性化窒素
を生成するための放電管１６およびマイクロ波導波管１
５を設けている。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は半導体装置の製造方法お
よび製造装置に関し、特にゲート絶縁膜の形成方法およ
びそれに用いる熱処理装置に関する。
よび製造装置に関し、特にゲート絶縁膜の形成方法およ
びそれに用いる熱処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来のゲート絶縁膜の形成方法として一
般的なものに熱酸化法がある。この方法は、例えばシリ
コンウェハを７５０℃から１２００℃程度の範囲内の温
度に加熱し、酸素と水素を高温下で燃焼させて発生する
水蒸気或いは乾燥酸素を反応種としてシリコンウェハ上
に供給することにより酸化膜を形成する方法である。
般的なものに熱酸化法がある。この方法は、例えばシリ
コンウェハを７５０℃から１２００℃程度の範囲内の温
度に加熱し、酸素と水素を高温下で燃焼させて発生する
水蒸気或いは乾燥酸素を反応種としてシリコンウェハ上
に供給することにより酸化膜を形成する方法である。
【０００３】しかし、この熱酸化法により形成された状
態の酸化膜では、シリコンと酸化膜との界面が、例えば
酸化膜の膜厚方向或いはトランジスタ構造におけるソー
スとドレイン間に高電界が加わるなどの電気的な負荷に
対して弱いという欠点がある。これはシリコンと酸化膜
との界面に存在するシリコンのダングリングボンド，Ｓ
ｉ−Ｏ結合の歪んだ部分、Ｓｉ−Ｓｉ結合、Ｓｉ−Ｈ結
合などが電気的な負荷に対して弱くなる原因になってお
り、キャリアの捕獲準位を形成するため半導体装置の信
頼性に影響を与える。特に近年、半導体装置の微細化に
伴い、電気的な負荷は増大する傾向にある。そこで、近
年、熱酸化法で酸化膜を形成した後に窒化処理を行い、
シリコンと酸化膜との界面にＳｉＯX ＮY 層（ｘ，Ｙは
任意）を形成し、シリコンと酸化膜との界面の電気的な
負荷に対する強度を確保しようとする方法が一般的にな
ってきている。
態の酸化膜では、シリコンと酸化膜との界面が、例えば
酸化膜の膜厚方向或いはトランジスタ構造におけるソー
スとドレイン間に高電界が加わるなどの電気的な負荷に
対して弱いという欠点がある。これはシリコンと酸化膜
との界面に存在するシリコンのダングリングボンド，Ｓ
ｉ−Ｏ結合の歪んだ部分、Ｓｉ−Ｓｉ結合、Ｓｉ−Ｈ結
合などが電気的な負荷に対して弱くなる原因になってお
り、キャリアの捕獲準位を形成するため半導体装置の信
頼性に影響を与える。特に近年、半導体装置の微細化に
伴い、電気的な負荷は増大する傾向にある。そこで、近
年、熱酸化法で酸化膜を形成した後に窒化処理を行い、
シリコンと酸化膜との界面にＳｉＯX ＮY 層（ｘ，Ｙは
任意）を形成し、シリコンと酸化膜との界面の電気的な
負荷に対する強度を確保しようとする方法が一般的にな
ってきている。
【０００４】以下にその形成方法を示す。図４（ａ）は
従来例のゲート絶縁膜形成方法のフローチャートを示し
ている。図４（ｂ）は従来例のゲート絶縁膜形成方法に
用いる拡散炉の要部断面図、図５（ａ），（ｂ），
（ｃ）は従来例のゲート絶縁膜形成方法により絶縁膜が
形成される過程を示すシリコン基板の要部断面図であ
る。９００℃程度の高温に加熱した炉芯管１１の内部に
酸素供給管１３及び窒素供給管１４から各々酸素及び窒
素ｌ2 ，ｌ1 を供給する。酸素の供給量ｌ2 は通常の酸
化処理時と比較して十分に少なくする。
従来例のゲート絶縁膜形成方法のフローチャートを示し
ている。図４（ｂ）は従来例のゲート絶縁膜形成方法に
用いる拡散炉の要部断面図、図５（ａ），（ｂ），
（ｃ）は従来例のゲート絶縁膜形成方法により絶縁膜が
形成される過程を示すシリコン基板の要部断面図であ
る。９００℃程度の高温に加熱した炉芯管１１の内部に
酸素供給管１３及び窒素供給管１４から各々酸素及び窒
素ｌ2 ，ｌ1 を供給する。酸素の供給量ｌ2 は通常の酸
化処理時と比較して十分に少なくする。
【０００５】次にシリコンウェハ４をウェハローダー１
２を用いて炉芯管１１の内部に供給する。所定の位置ま
でシリコンウェハ４が到達した時点で窒素の供給を停止
し、酸素の供給量を酸化膜を形成するに十分な値ｌ1 ま
で増加させる。この状態で所定の酸化膜厚が得られるま
でｔ4 時間保持し、図５（ａ）に示すようなシリコン基
板１上にシリコン酸化膜２を形成した構造を得る。次に
炉芯管１１内への酸素の供給を停止し、アンモニア供給
管（図示せず）からアンモニアｌ1 を供給してｔ5 時間
保持し、図５（ｂ）に示すようにシリコン基板１とシリ
コン酸化膜２との界面付近にＳｉＯX ＮY 層３を形成す
る。この時の処理温度Ｔ2 としては９５０℃程度が一般
的である。
２を用いて炉芯管１１の内部に供給する。所定の位置ま
でシリコンウェハ４が到達した時点で窒素の供給を停止
し、酸素の供給量を酸化膜を形成するに十分な値ｌ1 ま
で増加させる。この状態で所定の酸化膜厚が得られるま
でｔ4 時間保持し、図５（ａ）に示すようなシリコン基
板１上にシリコン酸化膜２を形成した構造を得る。次に
炉芯管１１内への酸素の供給を停止し、アンモニア供給
管（図示せず）からアンモニアｌ1 を供給してｔ5 時間
保持し、図５（ｂ）に示すようにシリコン基板１とシリ
コン酸化膜２との界面付近にＳｉＯX ＮY 層３を形成す
る。この時の処理温度Ｔ2 としては９５０℃程度が一般
的である。
【０００６】次にアンモニアの供給を停止し、酸素をｌ
1 供給してｔ6 時間酸化を行う。この酸化は、アンモニ
ア雰囲気中での窒化処理が絶縁膜中に多量の水素を導入
するため半導体装置の電気特性の変動要因となりうるの
で、絶縁膜中に導入された水素を外方拡散させるために
必要である。よって酸化の条件は、前処理である窒化の
条件に対応させる必要があり、一般的にはＴ3 は１１０
０℃程度の高温にて処理を行う。尚、図５（ｃ）に示す
ように酸化後にはシリコン膜２の厚さは多少増加する
が、シリコン基板１とシリコン酸化膜２との界面のＳｉ
ＯX ＮY 層３は保持される。次に酸素の供給を停止し、
窒素を炉芯管１１内に供給しながらシリコン基板１を炉
芯管１１から排出する。
1 供給してｔ6 時間酸化を行う。この酸化は、アンモニ
ア雰囲気中での窒化処理が絶縁膜中に多量の水素を導入
するため半導体装置の電気特性の変動要因となりうるの
で、絶縁膜中に導入された水素を外方拡散させるために
必要である。よって酸化の条件は、前処理である窒化の
条件に対応させる必要があり、一般的にはＴ3 は１１０
０℃程度の高温にて処理を行う。尚、図５（ｃ）に示す
ように酸化後にはシリコン膜２の厚さは多少増加する
が、シリコン基板１とシリコン酸化膜２との界面のＳｉ
ＯX ＮY 層３は保持される。次に酸素の供給を停止し、
窒素を炉芯管１１内に供給しながらシリコン基板１を炉
芯管１１から排出する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】この従来のゲート絶縁
膜形成方法では、アンモニアによる窒化処理時に、アン
モニアが高温で熱分解し水素を発生するための絶縁膜中
に多量の水素を導入してしまう。そのために再酸化処理
を行う必要があるが、再酸化により絶縁膜中の水素を完
全には除去することができない。よって絶縁膜中に残留
した水素は、キャリアの捕獲準位となり、半導体装置の
電気的特性の変動要因となり得る。また、再酸化の条件
として、９５０℃以上の高温で処理を行った場合に、酸
化膜の粘性流動によりキャリアの捕獲準位が増大するこ
とも有り、半導体装置の信頼性上問題である。
膜形成方法では、アンモニアによる窒化処理時に、アン
モニアが高温で熱分解し水素を発生するための絶縁膜中
に多量の水素を導入してしまう。そのために再酸化処理
を行う必要があるが、再酸化により絶縁膜中の水素を完
全には除去することができない。よって絶縁膜中に残留
した水素は、キャリアの捕獲準位となり、半導体装置の
電気的特性の変動要因となり得る。また、再酸化の条件
として、９５０℃以上の高温で処理を行った場合に、酸
化膜の粘性流動によりキャリアの捕獲準位が増大するこ
とも有り、半導体装置の信頼性上問題である。
【０００８】また、従来のゲート絶縁膜の形成方法で
は、酸化、窒化、再酸化と３工程の組み合わせであるた
め、絶縁膜の膜厚の制御が難しいことや、３工程の相乗
効果により特性が変化するので各々の工程の組み合わせ
の最適な条件を見つける必要があり、煩雑な作業を伴
い、またスループットも低いという問題点もあった。
は、酸化、窒化、再酸化と３工程の組み合わせであるた
め、絶縁膜の膜厚の制御が難しいことや、３工程の相乗
効果により特性が変化するので各々の工程の組み合わせ
の最適な条件を見つける必要があり、煩雑な作業を伴
い、またスループットも低いという問題点もあった。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明のゲート絶縁膜の
形成方法は、半導体ウェハを乾燥酸素雰囲気中にて熱処
理して酸化膜を形成する工程と励起状態の活性化窒素雰
囲気中にて熱処理する工程とを有する。また励起状態の
活性化窒素を生成するための放電管およびマイクロ波導
波管を窒素供給管に設けている。
形成方法は、半導体ウェハを乾燥酸素雰囲気中にて熱処
理して酸化膜を形成する工程と励起状態の活性化窒素雰
囲気中にて熱処理する工程とを有する。また励起状態の
活性化窒素を生成するための放電管およびマイクロ波導
波管を窒素供給管に設けている。
【００１０】
【実施例】次に本発明について図面を参照して説明す
る。図１（ａ）は本発明の第１の実施例のゲート絶縁膜
形成方法を示すフローチャート、図１（ｂ）は実施例に
用いる拡散炉の要部断面図である。従来例と同様に９０
０℃程度に加熱した炉芯管１１に、窒素及び酸素を各々
窒素供給管１４及び酸素供給管１３からｌ1 ，ｌ2 導入
する。酸素供給量は十分に小さい値ｌ2 とする。窒素及
び酸素を炉芯管１１へ供給すると同時に、シリコンウェ
ハ４をウェハローダー１２により炉芯管１１の中に挿入
する。シリコンウェハ４が所定の位置に到達した時点で
窒素の供給を停止し、酸素の供給量をｌ1 まで十分に上
げてシリコンウェハ４の上にシリコン酸化膜を形成す
る。所定の酸化膜厚が得られるまでｔ1 時間処理を継続
する。
る。図１（ａ）は本発明の第１の実施例のゲート絶縁膜
形成方法を示すフローチャート、図１（ｂ）は実施例に
用いる拡散炉の要部断面図である。従来例と同様に９０
０℃程度に加熱した炉芯管１１に、窒素及び酸素を各々
窒素供給管１４及び酸素供給管１３からｌ1 ，ｌ2 導入
する。酸素供給量は十分に小さい値ｌ2 とする。窒素及
び酸素を炉芯管１１へ供給すると同時に、シリコンウェ
ハ４をウェハローダー１２により炉芯管１１の中に挿入
する。シリコンウェハ４が所定の位置に到達した時点で
窒素の供給を停止し、酸素の供給量をｌ1 まで十分に上
げてシリコンウェハ４の上にシリコン酸化膜を形成す
る。所定の酸化膜厚が得られるまでｔ1 時間処理を継続
する。
【００１１】次に励起状態の活性窒素をｌ1 供給し、ｔ
2 時間保持する。活性窒素は、例えば窒素供給管１４の
一部に放電管１６を形成し、マイクロ波の導波管１５を
貫通する構造とし、マイクロ波により励起する。活性窒
素の励起方法としては、その他に炉芯管１１の外側に高
周波コイルを設置し、高周波コイルに高周波電力を与え
る誘導結合方式も考えられる。励起された活性窒素はシ
リコン酸化膜の表面に到達し、シリコン酸化膜の中に拡
散してシリコン酸化膜との界面付近にＳｉＯXＮY 層を
形成する。ＳｉＯX ＮY 層がシリコンと酸化膜との界面
に形成されることにより、熱酸化後に形成されているシ
リコンのダングリングボンド，Ｓｉ−Ｏ結合の歪んだ部
分等をＳｉ−Ｎ結合に置換することにより電気的負荷に
対して強い界面を形成する。
2 時間保持する。活性窒素は、例えば窒素供給管１４の
一部に放電管１６を形成し、マイクロ波の導波管１５を
貫通する構造とし、マイクロ波により励起する。活性窒
素の励起方法としては、その他に炉芯管１１の外側に高
周波コイルを設置し、高周波コイルに高周波電力を与え
る誘導結合方式も考えられる。励起された活性窒素はシ
リコン酸化膜の表面に到達し、シリコン酸化膜の中に拡
散してシリコン酸化膜との界面付近にＳｉＯXＮY 層を
形成する。ＳｉＯX ＮY 層がシリコンと酸化膜との界面
に形成されることにより、熱酸化後に形成されているシ
リコンのダングリングボンド，Ｓｉ−Ｏ結合の歪んだ部
分等をＳｉ−Ｎ結合に置換することにより電気的負荷に
対して強い界面を形成する。
【００１２】本実施例によれば、熱酸化法により酸化膜
を形成した直後に活性窒素雰囲気中にて熱処理を行うの
みであり、従来例で示したアンモニアによる窒化処理に
伴う水素のゲート絶縁膜中への導入がないため、従来例
よりも半導体装置の信頼性が向上する効果がある。その
効果を図３のグラフに示すが、本実施例のゲート絶縁膜
を用いてトランジスタを形成し、ホットキャリア注入を
行った場合のしきい値電圧シフトを比較した結果に注目
すると、本実施例では熱酸化膜をアンモニアにより窒化
し再酸化する従来例よりもしきい値電圧シフトが少な
い。このように、電気的な負荷に対して半導体装置の特
性が変動しにくいことは、半導体装置の信頼性の向上を
意味する。また従来例と比較し処理方法が簡略化されて
いるため、絶縁膜厚の制御性も向上し、スループットも
高いという利点も有する。
を形成した直後に活性窒素雰囲気中にて熱処理を行うの
みであり、従来例で示したアンモニアによる窒化処理に
伴う水素のゲート絶縁膜中への導入がないため、従来例
よりも半導体装置の信頼性が向上する効果がある。その
効果を図３のグラフに示すが、本実施例のゲート絶縁膜
を用いてトランジスタを形成し、ホットキャリア注入を
行った場合のしきい値電圧シフトを比較した結果に注目
すると、本実施例では熱酸化膜をアンモニアにより窒化
し再酸化する従来例よりもしきい値電圧シフトが少な
い。このように、電気的な負荷に対して半導体装置の特
性が変動しにくいことは、半導体装置の信頼性の向上を
意味する。また従来例と比較し処理方法が簡略化されて
いるため、絶縁膜厚の制御性も向上し、スループットも
高いという利点も有する。
【００１３】次に本発明の第２の実施例を図面を参照し
て説明する。図２は本発明の第２の実施例のゲート絶縁
膜形成方法を示すフローチャートである。第１の実施例
と異なる点は、シリコンウェハ４の炉芯管１１への挿入
が完了した後に、炉芯管１１内部に乾燥酸素及び活性窒
素を同時にそれぞれｌ1 供給し、所定の膜厚が得られる
までｔ3 時間処理を継続してシリコンウェハ４の表面の
酸化膜の成長と窒化処理を同時に行う。
て説明する。図２は本発明の第２の実施例のゲート絶縁
膜形成方法を示すフローチャートである。第１の実施例
と異なる点は、シリコンウェハ４の炉芯管１１への挿入
が完了した後に、炉芯管１１内部に乾燥酸素及び活性窒
素を同時にそれぞれｌ1 供給し、所定の膜厚が得られる
までｔ3 時間処理を継続してシリコンウェハ４の表面の
酸化膜の成長と窒化処理を同時に行う。
【００１４】本実施例によれば、単一工程のみであり、
工程の単純化を図ることができることや、安定した界面
状態を得ることができるという利点を有する。
工程の単純化を図ることができることや、安定した界面
状態を得ることができるという利点を有する。
【００１５】
【発明の効果】以上説明した様に本発明は、半導体ウェ
ハを乾燥酸素雰囲気中にて熱処理して酸化膜を形成する
工程と励起状態の活性化窒素雰囲気中にて熱処理する工
程を有しているので、ゲート絶縁膜中に水素を導入する
ことがなくなり、半導体装置の特性変動が非常に少なく
信頼性が向上する。また、絶縁膜の厚さの制御性も良
く、処理方法も単純化できスループットも向上するとい
う利点を有する。
ハを乾燥酸素雰囲気中にて熱処理して酸化膜を形成する
工程と励起状態の活性化窒素雰囲気中にて熱処理する工
程を有しているので、ゲート絶縁膜中に水素を導入する
ことがなくなり、半導体装置の特性変動が非常に少なく
信頼性が向上する。また、絶縁膜の厚さの制御性も良
く、処理方法も単純化できスループットも向上するとい
う利点を有する。
【図１】本発明の第１の実施例を示す図で、同図（ａ）
は製造方法のフローチャート、同図（ｂ）は製造装置の
要部断面図である。
は製造方法のフローチャート、同図（ｂ）は製造装置の
要部断面図である。
【図２】本発明の第２の実施例を示すフローチャートで
ある。
ある。
【図３】本発明の効果を示すグラフである。
【図４】従来例を示す図で、同図（ａ）は製造方法のフ
ローチャート、同図（ｂ）は製造装置の要部断面図であ
る。
ローチャート、同図（ｂ）は製造装置の要部断面図であ
る。
【図５】従来例の絶縁膜の製造工程を示す図で、同図
（ａ），（ｂ），（ｃ）はそれぞれ断面図である
（ａ），（ｂ），（ｃ）はそれぞれ断面図である
１ シリコン基板 ２ シリコン酸化膜 ３ ＳｉＯX ＮY 層 ４ シリコンウェハ １０ ヒーター １１ 炉芯管 １２ ウェハローダー １３ 酸素供給管 １４ 窒素供給管 １４ マイクロ波導波管 １６ 放電管
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 29/784
Claims (5)
- 【請求項１】 ゲート絶縁膜を形成する半導体装置の製
造方法において、半導体ウェハを乾燥酸素雰囲気中で熱
処理して酸化膜を形成する工程と、励起状態の活性化窒
素雰囲気中で熱処理を行う工程とを有することを特徴と
する半導体装置の製造方法。 - 【請求項２】 前記乾燥酸素を供給する酸素供給管と前
記励起状態の活性化窒素を供給する窒素供給管を炉芯管
に接続したことを特徴とする半導体装置の製造装置。 - 【請求項３】 前記酸化膜形成と前記励起状態の活性化
窒素雰囲気中の熱処理とを同一炉芯管内で行なう請求項
１記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項４】 前記励起状態の活性化窒素を生成するた
めの放電管およびマイクロ波導波管を前記窒素供給管に
設けた請求項２記載の半導体装置の製造装置。 - 【請求項５】 前記励起状態の活性化窒素を生成するた
めの高周波コイルを前記炉芯管外側に設置した請求項２
記載の半導体装置の製造装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP19933392A JPH0645320A (ja) | 1992-07-27 | 1992-07-27 | 半導体装置の製造方法および製造装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP19933392A JPH0645320A (ja) | 1992-07-27 | 1992-07-27 | 半導体装置の製造方法および製造装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0645320A true JPH0645320A (ja) | 1994-02-18 |
Family
ID=16406054
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP19933392A Withdrawn JPH0645320A (ja) | 1992-07-27 | 1992-07-27 | 半導体装置の製造方法および製造装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0645320A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002543584A (ja) * | 1999-04-22 | 2002-12-17 | アプライド マテリアルズ インコーポレイテッド | プラズマラジカルに基板を曝露する装置及び方法 |
| JP2009516375A (ja) * | 2005-11-11 | 2009-04-16 | ディーエスジー テクノロジーズ | 熱加工システム、部品、および方法 |
| US7786717B2 (en) | 2008-07-24 | 2010-08-31 | E-Four Corporation | Transforming apparatus for automatically adjusting three-phase power supply voltage |
-
1992
- 1992-07-27 JP JP19933392A patent/JPH0645320A/ja not_active Withdrawn
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002543584A (ja) * | 1999-04-22 | 2002-12-17 | アプライド マテリアルズ インコーポレイテッド | プラズマラジカルに基板を曝露する装置及び方法 |
| JP2009516375A (ja) * | 2005-11-11 | 2009-04-16 | ディーエスジー テクノロジーズ | 熱加工システム、部品、および方法 |
| US7786717B2 (en) | 2008-07-24 | 2010-08-31 | E-Four Corporation | Transforming apparatus for automatically adjusting three-phase power supply voltage |
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