JPH0823095A - Semiconductor device and production process thereof - Google Patents

Semiconductor device and production process thereof

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JPH0823095A
JPH0823095A JP15595794A JP15595794A JPH0823095A JP H0823095 A JPH0823095 A JP H0823095A JP 15595794 A JP15595794 A JP 15595794A JP 15595794 A JP15595794 A JP 15595794A JP H0823095 A JPH0823095 A JP H0823095A
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Japan
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oxide film
semiconductor device
film
insulating film
manufacturing
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JP15595794A
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Kazunobu Mameno
和延 豆野
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Sanyo Electric Co Ltd
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Abstract

PURPOSE:To easily obtain a semiconductor device having an insulation film having a high reliability and high insulation effect in a low temp. process. CONSTITUTION:N radicals 3 are introduced into a silicon oxide film (gate oxide film) 2 to thereby block B ions from passing through a channel region to result in an adverse influence on the characteristic of this region even the ions segregate from a gate electrode. If a high current flows through the gate electrode, the insulation film hardly deteriorates. The N radical introducing step can be easily made at low temp. and hence the oxide film 2 is little damaged.

Description

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

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、例えばゲート電極下に
酸化膜を有するMOS型FET等の半導体装置及びその
製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device such as a MOS FET having an oxide film under a gate electrode and a method for manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、フラッシュメモリのような高電界
のかかるデバイスの信頼性を確保するため、BF2のイ
オン注入により形成したp+型ポリシリコンゲートにお
いて、B(ボロン)がゲート下の酸化膜をつき抜けて、
チャネル領域に影響を及ぼすことを防止するため等の目
的で、ゲート酸化膜を窒化処理する方法が検討されてい
る。
2. Description of the Related Art In recent years, in order to ensure the reliability of a device such as a flash memory to which a high electric field is applied, in a p + type polysilicon gate formed by ion implantation of BF 2 , B (boron) is oxidized under the gate. Stick through the membrane,
A method of nitriding the gate oxide film is being studied for the purpose of preventing the channel region from being affected.

【0003】例えば、「IEEE Electron Device Lett.,v
ol.11 No.7 PP294-296,1990」には、酸化膜をNH3ガス
を用いて窒化し、更に、O2雰囲気で再酸化する方法が
記載され、また「IEICE Trans.Electron.,vol.E76-C,N
o.4 April,1993」には、酸化膜をN2OやNOを用いて
窒化する方法が記載されている。しかしながら、前者の
方法にあっては、950℃以上の高温プロセスが必要
で、この高温処理のために、基板上に既に形成されてい
る不純物領域の不純物が拡散しやすい問題がある。ま
た、窒化処理と同時に水素が取り込まれて膜中トラップ
が発生することを防止するために、別途O2雰囲気で再
酸化する工程が必要である。更には、この再酸化工程も
1000℃以上の高温プロセスが必要である。
For example, "IEEE Electron Device Lett., V
ol.11 No.7 PP294-296,1990 "describes a method of nitriding an oxide film using NH 3 gas and further reoxidizing it in an O 2 atmosphere, and also" IEICE Trans. Electron., vol. .E76-C, N
4 April, 1993 ”describes a method of nitriding an oxide film with N 2 O or NO. However, the former method requires a high-temperature process at 950 ° C. or higher, and this high-temperature treatment has a problem that impurities in the impurity regions already formed on the substrate are likely to diffuse. In addition, in order to prevent hydrogen from being taken in at the same time as the nitriding treatment to generate traps in the film, a separate step of reoxidizing in an O 2 atmosphere is necessary. Furthermore, this reoxidation step also requires a high temperature process of 1000 ° C. or higher.

【0004】また、後者の方法にあっては、前者の方法
に比べて、再酸化工程が不必要で、処理温度も若干低く
することができるが、導入される窒素の絶対量が少ない
上に、酸素による反応が同時に起こるために、その反応
制御が難しい。したがって、所望の膜厚が得にくい上に
均一性が劣るという問題がある。そこで、比較的低温プ
ロセスで且つ簡単に酸化膜を窒化処理する方法として、
「1994年春 応用物理学会予稿集 29p-ZG-16,29p-ZG
-18」に、p+型ポリシリコンゲートにN(窒素)イオン
を注入し、この窒素をゲート酸化膜に偏析させる技術が
記載されている。
In the latter method, the reoxidation step is unnecessary and the treatment temperature can be lowered a little as compared with the former method, but the absolute amount of nitrogen introduced is small. However, it is difficult to control the reaction because the reaction by oxygen occurs at the same time. Therefore, there is a problem that it is difficult to obtain a desired film thickness and the uniformity is poor. Therefore, as a method of nitriding the oxide film easily in a relatively low temperature process,
"Spring 1994 Proceedings of the Japan Society of Applied Physics 29p-ZG-16,29p-ZG
-18 "describes a technique of implanting N (nitrogen) ions into a p + -type polysilicon gate and segregating the nitrogen into the gate oxide film.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】従来例にあっては、窒
素イオンをポリシリコンゲートに注入するために、高い
注入エネルギーを必要とし、このエネルギーによってゲ
ート酸化膜がダメージを受け、デバイスとしての信頼性
を損なう危惧がある。本発明は、半導体装置及びその製
造方法に関し、斯かる問題点を解消することを目的とす
る。
In the conventional example, a high implantation energy is required for implanting nitrogen ions into the polysilicon gate, and this energy damages the gate oxide film, resulting in reliability as a device. There is a fear of impairing sex. The present invention relates to a semiconductor device and a method of manufacturing the same, and an object thereof is to solve such a problem.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】第1の発明における半導
体装置は、活性窒素を含有した絶縁膜を有するものであ
る。また、第2の発明における半導体装置の製造方法
は、絶縁膜中に活性窒素を導入するものである。
The semiconductor device according to the first invention has an insulating film containing active nitrogen. In the method for manufacturing a semiconductor device according to the second invention, active nitrogen is introduced into the insulating film.

【0007】また、第3の発明における半導体装置の製
造方法は、絶縁膜中に、この絶縁膜を実質的に損傷しな
い程度に低いエネルギーで、窒素イオンを注入するもの
である。また、第4の発明における半導体装置及びその
製造方法は、前記第1乃至第3の発明をゲート絶縁膜に
適用したものである。
In the method of manufacturing a semiconductor device according to the third aspect of the invention, nitrogen ions are implanted into the insulating film with low energy that does not substantially damage the insulating film. A semiconductor device and a method of manufacturing the same according to a fourth aspect of the invention apply the first to third aspects of the invention to a gate insulating film.

【0008】また、第5の発明における半導体装置及び
その製造方法は、前記第1乃至第3の発明を酸化膜又は
ゲート酸化膜に適用したものである。また、第6の発明
における半導体装置は、シリコン基板上に形成され、活
性窒素を含有したシリコン酸化膜をゲート酸化膜とする
ものである。また、第7の発明における半導体装置の製
造方法は、シリコン基板上にシリコン酸化膜を形成し、
この酸化膜中に活性窒素を導入するものである。
Further, a semiconductor device and a method of manufacturing the same according to a fifth aspect of the invention are the first to third aspects of the invention applied to an oxide film or a gate oxide film. A semiconductor device according to a sixth aspect of the present invention uses a silicon oxide film formed on a silicon substrate and containing active nitrogen as a gate oxide film. In the method for manufacturing a semiconductor device according to the seventh invention, a silicon oxide film is formed on a silicon substrate,
Active nitrogen is introduced into this oxide film.

【0009】また、第8の発明における半導体装置の製
造方法は、シリコン基板上にシリコン酸化膜を形成し、
この酸化膜中に、酸化膜を実質的に損傷しない程度に低
いエネルギーで、窒素イオンを注入するものである。ま
た、第9の発明における半導体装置及びその製造方法
は、前記第6乃至第8の発明をp型ゲート電極下のゲー
ト酸化膜に適用したものである。
Further, in the method of manufacturing a semiconductor device according to the eighth invention, a silicon oxide film is formed on a silicon substrate,
Nitrogen ions are implanted into this oxide film with low energy that does not substantially damage the oxide film. Further, a semiconductor device and a method of manufacturing the same according to a ninth aspect of the invention are the sixth to eighth aspects of the invention applied to a gate oxide film below a p-type gate electrode.

【0010】[0010]

【作用】即ち、活性窒素(窒素ラジカル、以下、Nラジ
カルという)又は窒素イオンを絶縁膜(層間絶縁膜、ゲ
ート酸化膜)に導入し、窒化物層を形成するので、窒化
物層により、ボロン(B)等の不純物の通過を阻止する
能力が高くなり、ゲート電極等の上層導電層からボロン
(B)イオン等の不純物が拡散しても、このイオンが、
絶縁膜よりも下層につき抜けることが阻止できる。
That is, active nitrogen (nitrogen radical, hereinafter referred to as N radical) or nitrogen ion is introduced into the insulating film (interlayer insulating film, gate oxide film) to form a nitride layer, so that the nitride layer allows boron to be formed. Even if impurities such as boron (B) ions diffuse from the upper conductive layer such as the gate electrode because the ability to block passage of impurities such as (B) becomes high, these ions
The lower layer than the insulating film can be prevented from coming off.

【0011】また、窒素を導入することにより、シリコ
ン基板と酸化膜との界面が滑らかになるので、前記ゲー
ト電極等の上層導電層膜に大電流が流れても、絶縁膜が
劣化しにくい。また、Nラジカルの導入工程や低エネル
ギーでのNイオンの注入工程は、低温で容易に行え、絶
縁膜が受けるダメージもほとんどない。
Further, since the interface between the silicon substrate and the oxide film is smoothed by introducing nitrogen, the insulating film is not easily deteriorated even when a large current flows through the upper conductive layer film such as the gate electrode. Further, the step of introducing N radicals and the step of implanting N ions with low energy can be easily performed at low temperature, and the insulating film is hardly damaged.

【0012】[0012]

【実施例】本発明の実施例を図1乃至図3に基づいて説
明する。図1において、1はn型(100)シリコン基
板であり、4〜8Ω・cmの比抵抗を有する。2は前記
Si基板1の表面に、このSi基板1を850℃の温度
でパイロ酸化することによって形成されたシリコン酸化
膜であり、8nmの膜厚を有する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In FIG. 1, reference numeral 1 denotes an n-type (100) silicon substrate, which has a specific resistance of 4 to 8 Ω · cm. A silicon oxide film 2 is formed on the surface of the Si substrate 1 by pyrooxidizing the Si substrate 1 at a temperature of 850 ° C. and has a film thickness of 8 nm.

【0013】そして、前記Si酸化膜2内にNラジカル
3・・を導入する。このNラジカルの導入装置は、例え
ば、特開平3−156919号公報に記載されている装
置を用いる。即ち、図3に示す通り、装置はガス解離室
4と試料室5とから構成され、これらは石英からなる輸
送パイプ6により接続されている。前記ガス解離室4に
はガス導入口7と導波管8とが設けられ、前記試料室5
にはガス排出口9と試料台10とが設けられている。
Then, N radicals 3 ... Are introduced into the Si oxide film 2. As the N radical introduction device, for example, the device described in JP-A-3-156919 is used. That is, as shown in FIG. 3, the apparatus comprises a gas dissociation chamber 4 and a sample chamber 5, which are connected by a transportation pipe 6 made of quartz. The gas dissociation chamber 4 is provided with a gas inlet 7 and a waveguide 8, and the sample chamber 5
A gas outlet 9 and a sample table 10 are provided in the.

【0014】このような構成において、試料室10内を
1mTorr以下の圧力に排気した後、窒素ガスを例えば流
量5l(リットル)/min、圧力3Torrの条件で前記ガス導入口
7からガス解離室4内に導入し、導波管8からマイクロ
波電界(マイクロ波パワー:1kw)を印加して解離室
4内の窒素ガスを放電、解離させて、窒素プラズマ11
を発生させる。
In such a structure, after the sample chamber 10 is evacuated to a pressure of 1 mTorr or less, nitrogen gas is introduced from the gas inlet 7 to the gas dissociation chamber 4 under the conditions of a flow rate of 5 l (liter) / min and a pressure of 3 Torr. And a microwave electric field (microwave power: 1 kw) is applied from the waveguide 8 to discharge and dissociate the nitrogen gas in the dissociation chamber 4, and the nitrogen plasma 11
Generate.

【0015】この際に生成される長寿命のNラジカルを
輸送パイプ6から試料室5に導き、前記試料台10の上
に設置されたSi基板1の表面(Si酸化膜2)をNラ
ジカルに晒す。すると、Nラジカルが前記Si酸化膜2
内に導入される。ここで、前記試料室5はプラズマ発生
部と離れているので、試料室5内の温度(基板温度)は
比較的低温に設定できる(本実施例では基板温度を25
0℃に設定した)。即ち、Nラジカルの導入作業は低温
プロセスで行うことができる。また、Nラジカルの導入
は、高エネルギーでNイオンをSi酸化膜2に打ち込む
ものでもないので、酸化膜2がダメージを受けにくい。
The long-lived N radicals generated at this time are guided from the transport pipe 6 to the sample chamber 5, and the surface of the Si substrate 1 (Si oxide film 2) placed on the sample table 10 is converted into N radicals. Expose. Then, the N radicals are transferred to the Si oxide film 2
Introduced within. Here, since the sample chamber 5 is separated from the plasma generating part, the temperature (substrate temperature) in the sample chamber 5 can be set to a relatively low temperature (the substrate temperature is 25 in this embodiment).
Set to 0 ° C). That is, the work of introducing the N radicals can be performed in a low temperature process. Further, since the introduction of N radicals does not drive N ions into the Si oxide film 2 with high energy, the oxide film 2 is less likely to be damaged.

【0016】その後、図2に示す通り、前記Si酸化膜
2の上に、通常の減圧CVD法により、温度620℃の
条件下で、(ボロン)Bイオンがドープされたポリシリ
コン膜12を200nm堆積した後、800℃〜850
℃の温度で熱処理し、デバイスを完成させる。このよう
なデバイスは、前記Si酸化膜2をゲート酸化膜とし、
前記ドープされたポリシリコン膜12をゲート電極とし
て、MOS−FETに適用できる。
Thereafter, as shown in FIG. 2, a 200 nm thick polysilicon film 12 doped with (boron) B ions is formed on the Si oxide film 2 by a normal low pressure CVD method at a temperature of 620 ° C. 800 ℃ ~ 850 after deposition
Heat treatment is performed at a temperature of ° C to complete the device. In such a device, the Si oxide film 2 is used as a gate oxide film,
The doped polysilicon film 12 can be applied to a MOS-FET as a gate electrode.

【0017】以上のように作成したデバイスを本出願の
発明者により定電流ストレス(10mA/cm2)でのTDDB評
価を行った結果、酸化膜のダメージによるQBDの低下は
見られなかった。また、ポリシリコン膜12にドープさ
れているBイオンが酸化膜をつき抜ける現象も見られな
かった。ここで、TDDB評価とQBD測定について以下
に説明する。
As a result of TDDB evaluation of the device manufactured as described above under constant current stress (10 mA / cm 2 ) by the inventor of the present application, no decrease in QBD due to oxide film damage was observed. Further, the phenomenon that the B ions doped in the polysilicon film 12 penetrate through the oxide film was not observed. Here, TDDB evaluation and QBD measurement will be described below.

【0018】絶縁膜は、ある一定の電圧を印加し続ける
と、ある時間が経過した後、絶縁破壊を生じる。この絶
縁破壊に至る時間は絶縁膜に加えられる電界強度の関数
である。これが経時的絶縁破壊現象、即ち、TDDB(T
ime-Dependent DielectricBreakdown)と呼ばれる。QBD
(破壊に至るまでに酸化膜を流れた電荷量)は、種々の
条件でイオン注入を行った(ポリシリコン膜等の)アン
テナキャパシタに定電流ストレス(10〜25mA/c
2)を印加したTDDB測定から50%破壊に至るま
での時間を求め、次式から計算できる。
When a certain constant voltage is continuously applied to the insulating film, dielectric breakdown occurs after a certain period of time. The time to this breakdown is a function of the electric field strength applied to the insulating film. This is a dielectric breakdown phenomenon over time, that is, TDDB (T
ime-Dependent Dielectric Breakdown). QBD
The constant current stress (10 to 25 mA / c) was applied to the antenna capacitor (polysilicon film or the like) which was ion-implanted under various conditions (the amount of electric charge flowing through the oxide film until breakdown).
The time from the TDDB measurement with m 2 ) applied to 50% breakdown can be obtained and calculated from the following equation.

【0019】QBD=ist×tbd ・・・(1) ist:ストレス電流、tbd:50%破壊に至るまでの時
間 次に、本発明の別例を以下に説明する。前記実施例にお
いて、Si酸化膜2にNラジカルを導入する工程に代え
て、この酸化膜2がダメージを受けない程度(ダメージ
がゼロという意味ではなく、若干のダメージがあって
も、特性上、酸化膜2が半導体デバイスに適用できる程
度であればよい)の低エネルギーでNイオンを注入する
(例えば、図1の如く膜厚8nmの酸化膜2であれば、
エネルギー電圧は1.0keV以下が望ましい、もちろ
ん、酸化膜の膜厚や質に応じてエネルギー電圧の上限は
変動する)。
QBD = ist × tbd (1) ist: stress current, tbd: time until 50% breakdown Next, another example of the present invention will be described. In the above-described embodiment, instead of the step of introducing N radicals into the Si oxide film 2, the oxide film 2 is not damaged (this does not mean that the damage is zero; N ions are implanted with low energy such that the oxide film 2 can be applied to a semiconductor device (for example, if the oxide film 2 is 8 nm thick as shown in FIG. 1,
The energy voltage is preferably 1.0 keV or less, of course, the upper limit of the energy voltage varies depending on the film thickness and quality of the oxide film).

【0020】低エネルギー注入にはイオンシャワードー
ピング装置を用いる。このように低エネルギーで注入さ
れたNイオンも、前記Nラジカルと同様の働きをする。
尚、以上の実施例においては、酸化膜をSi基板上に形
成し、その上に導電性のポリシリコン膜を形成するとい
うMOS構造を例として説明したが、単なる層間絶縁膜
としての酸化膜に、Nラジカル導入や低エネルギーでの
Nイオン注入を行ってもよい。
An ion shower doping apparatus is used for low energy implantation. Thus, the N ions implanted with low energy also have the same function as the N radicals.
In the above embodiments, the MOS structure in which the oxide film is formed on the Si substrate and the conductive polysilicon film is formed on the oxide film is explained as an example. , N radical introduction or low energy N ion implantation may be performed.

【0021】[0021]

【発明の効果】本発明における半導体装置にあっては、
信頼性及び絶縁効果の高い絶縁膜を有するので、商品的
価値の非常に高いものである。また、本発明における半
導体装置の製造方法にあっては、比較的低温のプロセス
で簡単に、ダメージのほとんどない良質の絶縁膜を得る
ことができ、商品的価値の高い半導体装置を得るのに非
常に有益なものである。
According to the semiconductor device of the present invention,
Since it has an insulating film with high reliability and high insulating effect, it has a very high commercial value. Further, in the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, it is possible to easily obtain a high-quality insulating film with almost no damage by a relatively low temperature process, which is very useful for obtaining a semiconductor device having high commercial value. Be beneficial to.

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

【図1】本発明の第1の実施例における半導体装置の製
造プロセスを示す基板断面図である。
FIG. 1 is a substrate sectional view showing a manufacturing process of a semiconductor device according to a first embodiment of the invention.

【図2】本発明の第1の実施例における半導体装置の製
造プロセスを示す基板断面図である。
FIG. 2 is a substrate cross-sectional view showing the manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment of the invention.

【図3】Nラジカル導入装置の概略図である。FIG. 3 is a schematic view of an N radical introduction device.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 Si基板 2 Si酸化膜(絶縁膜、ゲート酸化膜) 3 Nラジカル(活性窒素) 12 ポリシリコン膜(p型ゲート電極) 1 Si substrate 2 Si oxide film (insulating film, gate oxide film) 3 N radical (active nitrogen) 12 Polysilicon film (p-type gate electrode)

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 活性窒素を含有した絶縁膜を有する半導
体装置。
1. A semiconductor device having an insulating film containing active nitrogen.
【請求項2】 絶縁膜中に活性窒素を導入したことを特
徴とする半導体装置の製造方法。
2. A method of manufacturing a semiconductor device, wherein active nitrogen is introduced into the insulating film.
【請求項3】 絶縁膜中に、この絶縁膜を実質的に損傷
しない程度に低いエネルギーで、窒素イオンを注入した
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
3. A method of manufacturing a semiconductor device, wherein nitrogen ions are implanted into the insulating film with energy low enough not to substantially damage the insulating film.
【請求項4】 前記絶縁膜がゲート絶縁膜であることを
特徴とした請求項1乃至3のいずれかに記載の半導体装
置又は半導体装置の製造方法。
4. The semiconductor device or the method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the insulating film is a gate insulating film.
【請求項5】 前記絶縁膜又はゲート絶縁膜が酸化膜で
あることを特徴とした請求項1乃至4のいずれかに記載
の半導体装置又は半導体装置の製造方法。
5. The semiconductor device or the method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the insulating film or the gate insulating film is an oxide film.
【請求項6】 シリコン基板上に形成され、活性窒素を
含有したシリコン酸化膜をゲート酸化膜とする半導体装
置。
6. A semiconductor device which is formed on a silicon substrate and uses a silicon oxide film containing active nitrogen as a gate oxide film.
【請求項7】 シリコン基板上にシリコン酸化膜を形成
し、この酸化膜中に活性窒素を導入したことを特徴とす
る半導体装置の製造方法。
7. A method of manufacturing a semiconductor device, comprising forming a silicon oxide film on a silicon substrate and introducing active nitrogen into the oxide film.
【請求項8】 シリコン基板上にシリコン酸化膜を形成
し、この酸化膜中に、酸化膜を実質的に損傷しない程度
に低いエネルギーで、窒素イオンを注入したことを特徴
とする半導体装置の製造方法。
8. A method of manufacturing a semiconductor device, characterized in that a silicon oxide film is formed on a silicon substrate, and nitrogen ions are implanted into the oxide film with energy low enough not to substantially damage the oxide film. Method.
【請求項9】 前記シリコン酸化膜はp型ゲート電極下
のゲート酸化膜であることを特徴とした請求項6乃至8
のいずれかに記載の半導体装置又は半導体装置の製造方
法。
9. The silicon oxide film is a gate oxide film below a p-type gate electrode.
A semiconductor device or a method for manufacturing a semiconductor device according to any one of 1.
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