JPH1012612A - 窒化酸化膜の形成方法 - Google Patents
窒化酸化膜の形成方法Info
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- JPH1012612A JPH1012612A JP15784396A JP15784396A JPH1012612A JP H1012612 A JPH1012612 A JP H1012612A JP 15784396 A JP15784396 A JP 15784396A JP 15784396 A JP15784396 A JP 15784396A JP H1012612 A JPH1012612 A JP H1012612A
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- nitrogen
- oxide film
- semiconductor substrate
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 半導体装置上に不純物のない熱的負荷の小さ
い窒化酸化膜の形成方法を提供することを目的とする。 【解決手段】 下部電極２上に被半導体装置１０を設置
した後、真空チャンバー１内に窒素ガス５を導入し基板
上にプラズマを発生させる。この時基板温度が上昇しな
いように下部電極２は水冷されている。次に高周波電源
４のパワーの変化により被半導体装置１０とプラズマ間
に発生するシース電圧が変化する特性を利用して基板に
シース電圧が発生する高周波パワーを印加すると、窒素
イオン又は熱的運動エネルギーを持った窒素ラジカルが
半導体基板表面に入射し、処理時間を制御により高濃度
の窒素原子を基板表面に導入できる。この後、酸素と水
素の混合ガスで酸化処理をして基板表面に窒素元素を含
んだ窒化酸化膜を形成する。
い窒化酸化膜の形成方法を提供することを目的とする。 【解決手段】 下部電極２上に被半導体装置１０を設置
した後、真空チャンバー１内に窒素ガス５を導入し基板
上にプラズマを発生させる。この時基板温度が上昇しな
いように下部電極２は水冷されている。次に高周波電源
４のパワーの変化により被半導体装置１０とプラズマ間
に発生するシース電圧が変化する特性を利用して基板に
シース電圧が発生する高周波パワーを印加すると、窒素
イオン又は熱的運動エネルギーを持った窒素ラジカルが
半導体基板表面に入射し、処理時間を制御により高濃度
の窒素原子を基板表面に導入できる。この後、酸素と水
素の混合ガスで酸化処理をして基板表面に窒素元素を含
んだ窒化酸化膜を形成する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置の容量絶
縁膜やゲート絶縁膜として利用される窒化酸化膜の形成
方法に関するものである。
縁膜やゲート絶縁膜として利用される窒化酸化膜の形成
方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、高信頼性のゲート絶縁膜として窒
化酸化膜が採用されてきている。上記の窒化酸化膜はア
ンモニア雰囲気での窒化処理と、そのときに同時に導入
される水素を除去する目的で行なわれる窒化処理後の再
酸化を行う方法（例えば、特公平７−２８０４１）や、
Ｎ2Ｏガスを利用した直接窒化酸化膜形成の方法（例え
ば、Ｚ．Ｈ．Ｌｉｕ，Ｙ．Ｃ．Ｃｈｅｎｇ，１９９２Ｉ
ＥＤＭ，ｐ．６２５）が知られている。
化酸化膜が採用されてきている。上記の窒化酸化膜はア
ンモニア雰囲気での窒化処理と、そのときに同時に導入
される水素を除去する目的で行なわれる窒化処理後の再
酸化を行う方法（例えば、特公平７−２８０４１）や、
Ｎ2Ｏガスを利用した直接窒化酸化膜形成の方法（例え
ば、Ｚ．Ｈ．Ｌｉｕ，Ｙ．Ｃ．Ｃｈｅｎｇ，１９９２Ｉ
ＥＤＭ，ｐ．６２５）が知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記のよ
うなアンモニアガスを利用した形成方法では、下記に示
すような問題点を有している。まず第１に、アンモニア
雰囲気での窒化処理を用いた場合では、信頼性に影響を
与える水素がどうしても導入されるという問題点を有し
ていた。上記の水素に基づく悪影響について述べると、
窒素と結合している水素は結合が弱く水素が容易に脱離
してしまい、水素が脱離すると、その部分ではチャージ
アップが発生してしまうというものである。
うなアンモニアガスを利用した形成方法では、下記に示
すような問題点を有している。まず第１に、アンモニア
雰囲気での窒化処理を用いた場合では、信頼性に影響を
与える水素がどうしても導入されるという問題点を有し
ていた。上記の水素に基づく悪影響について述べると、
窒素と結合している水素は結合が弱く水素が容易に脱離
してしまい、水素が脱離すると、その部分ではチャージ
アップが発生してしまうというものである。
【０００４】次にＮ2Ｏガスを利用した形成方法では、
酸化レートが遅いために、高温で長時間の処理が必要で
あるという問題点を有していた。これは、Ｎ2Ｏという
物質そのものが熱分解しにくい物質であることに起因す
る。そして具体的には、窒化と酸化を同時に行なう場合
には、２ｎｍ／ｍｉｎ程度のレートでしか膜形成が行え
ず、また導入される窒素の濃度も２％が限界であった。
酸化レートが遅いために、高温で長時間の処理が必要で
あるという問題点を有していた。これは、Ｎ2Ｏという
物質そのものが熱分解しにくい物質であることに起因す
る。そして具体的には、窒化と酸化を同時に行なう場合
には、２ｎｍ／ｍｉｎ程度のレートでしか膜形成が行え
ず、また導入される窒素の濃度も２％が限界であった。
【０００５】そこで、本発明は上記問題点に鑑み、形成
された窒化酸化膜に水素の導入がなく、低温で窒化酸化
膜を形成できる方法を提供することを目的とするもので
ある。
された窒化酸化膜に水素の導入がなく、低温で窒化酸化
膜を形成できる方法を提供することを目的とするもので
ある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに本発明の窒化酸化膜の形成方法は、窒素原子を半導
体基板上に導入する手段と半導体基板を酸化する手段を
備え、半導体基板上に窒素原子を導入した後に半導体基
板を酸化するという構成を備えたものである。
めに本発明の窒化酸化膜の形成方法は、窒素原子を半導
体基板上に導入する手段と半導体基板を酸化する手段を
備え、半導体基板上に窒素原子を導入した後に半導体基
板を酸化するという構成を備えたものである。
【０００７】そして上記の構成により、導入する窒素の
量を任意に制御することができるとともに、低温で窒化
酸化膜を形成することができる。
量を任意に制御することができるとともに、低温で窒化
酸化膜を形成することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態における
窒化酸化膜の形成方法について、図面を参照しながら説
明する。
窒化酸化膜の形成方法について、図面を参照しながら説
明する。
【０００９】（実施の形態１）図１は本発明の実施の形
態１における窒化酸化膜の形成を行なう装置断面構成図
を示すものである。図１において、１は被半導体装置が
入る真空チャンバー、２は被半導体装置を設置するため
の下部電極、３はプラズマを発生させるための上部電
極、４はプラズマを発生させるための高周波電源、５は
窒素ガスを導入するためのポートである。また、６は真
空チャンバー１を排気するためのポートで真空ポンプに
接続されている。さらに７は下部電極を冷却するための
冷却水配管、１０は被半導体装置である。本実施の形態
では前述のようにＲＩＥタイプのプラズマ発生方式を採
用した。
態１における窒化酸化膜の形成を行なう装置断面構成図
を示すものである。図１において、１は被半導体装置が
入る真空チャンバー、２は被半導体装置を設置するため
の下部電極、３はプラズマを発生させるための上部電
極、４はプラズマを発生させるための高周波電源、５は
窒素ガスを導入するためのポートである。また、６は真
空チャンバー１を排気するためのポートで真空ポンプに
接続されている。さらに７は下部電極を冷却するための
冷却水配管、１０は被半導体装置である。本実施の形態
では前述のようにＲＩＥタイプのプラズマ発生方式を採
用した。
【００１０】以上のように構成された装置を用いた窒化
酸化膜の形成方法について、以下その動作を説明する。
酸化膜の形成方法について、以下その動作を説明する。
【００１１】まず下部電極２上に被半導体装置１０を設
置し、その後、真空チャンバー１内を排気ポート６を通
して真空にひく。次に、真空チャンバー１内に窒素ガス
５を導入し、圧力約１００Ｔｏｒｒ、高周波パワー１０
０Ｗで基板上にプラズマを発生させる。基板温度が上昇
しないように下部電極２は冷却水配管７に流した冷却水
により水冷されている。基板温度を室温近傍で制御する
ことは導入された窒素とシリコンとの反応によるシリコ
ン窒化物の形成抑制に効果がある。完全なシリコン窒化
物が形成されると次の酸化が抑制されるため、窒化酸化
膜を形成するには窒素導入に留めることが必要である
（すなわち、窒素を基板内に導入した状態でとどめ
る）。
置し、その後、真空チャンバー１内を排気ポート６を通
して真空にひく。次に、真空チャンバー１内に窒素ガス
５を導入し、圧力約１００Ｔｏｒｒ、高周波パワー１０
０Ｗで基板上にプラズマを発生させる。基板温度が上昇
しないように下部電極２は冷却水配管７に流した冷却水
により水冷されている。基板温度を室温近傍で制御する
ことは導入された窒素とシリコンとの反応によるシリコ
ン窒化物の形成抑制に効果がある。完全なシリコン窒化
物が形成されると次の酸化が抑制されるため、窒化酸化
膜を形成するには窒素導入に留めることが必要である
（すなわち、窒素を基板内に導入した状態でとどめ
る）。
【００１２】高周波電源４のパワーを変えることにより
被半導体装置１０とプラズマ間に発生するシース電圧が
変わる。この特性を利用して基板に約ー１００Ｖのシー
ス電圧が発生する高周波パワーを印加すると、約１００
ｅＶのエネルギーを持った窒素イオンまたは熱的運動エ
ネルギーを持った窒素ラジカルが半導体基板表面に入射
する。本実施の形態では約１００Ｗで前記条件を満足す
ることができた。これにより高濃度の窒素原子が処理時
間を制御することで基板表面に導入されることとなる
（言い換えれば、処理時間を制御することにより導入さ
れる窒素の濃度を制御することが可能である）。この
後、酸素と水素の混合ガスで９００℃で約５分の酸化処
理をすることにより、基板表面に窒素元素を含んだ４ｎ
ｍの酸化膜（窒化酸化膜）を形成する。
被半導体装置１０とプラズマ間に発生するシース電圧が
変わる。この特性を利用して基板に約ー１００Ｖのシー
ス電圧が発生する高周波パワーを印加すると、約１００
ｅＶのエネルギーを持った窒素イオンまたは熱的運動エ
ネルギーを持った窒素ラジカルが半導体基板表面に入射
する。本実施の形態では約１００Ｗで前記条件を満足す
ることができた。これにより高濃度の窒素原子が処理時
間を制御することで基板表面に導入されることとなる
（言い換えれば、処理時間を制御することにより導入さ
れる窒素の濃度を制御することが可能である）。この
後、酸素と水素の混合ガスで９００℃で約５分の酸化処
理をすることにより、基板表面に窒素元素を含んだ４ｎ
ｍの酸化膜（窒化酸化膜）を形成する。
【００１３】以上のように本実施の形態によれば、窒素
をプラズマにより半導体基板に入射（ドーピング）する
ことにより窒素濃度を自由に制御でき、窒素酸化膜形成
時における熱的負荷を低減することができる。
をプラズマにより半導体基板に入射（ドーピング）する
ことにより窒素濃度を自由に制御でき、窒素酸化膜形成
時における熱的負荷を低減することができる。
【００１４】（実施の形態２）以下本発明の実施の形態
２における窒化酸化膜の形成方法について図面を参照し
ながら説明する。
２における窒化酸化膜の形成方法について図面を参照し
ながら説明する。
【００１５】図２は本実施の形態における窒化酸化膜の
形成方法の装置の断面構成図を示したものである。図２
において、１０は被半導体基板、１１は窒素イオンを生
成、引き出すためのイオン源、１２はイオンビーム中の
不純物イオンを電磁界的に除去するためのマスセパレー
タ、１３は窒素イオンを所望のエネルギーまで減速する
ための減速レンズと基板台である。１５、１６はイオン
ビームを収束させるためのアインチェルレンズ、１７、
１８はイオンビームラインを真空にひくためのポートで
真空ポンプに接続されている。１９は被半導体基板のあ
る処理室とイオン源のあるビーム発生室を分離するため
のゲートバルブである。このように、本装置は減速機構
を有したイオンビーム装置から構成されている。
形成方法の装置の断面構成図を示したものである。図２
において、１０は被半導体基板、１１は窒素イオンを生
成、引き出すためのイオン源、１２はイオンビーム中の
不純物イオンを電磁界的に除去するためのマスセパレー
タ、１３は窒素イオンを所望のエネルギーまで減速する
ための減速レンズと基板台である。１５、１６はイオン
ビームを収束させるためのアインチェルレンズ、１７、
１８はイオンビームラインを真空にひくためのポートで
真空ポンプに接続されている。１９は被半導体基板のあ
る処理室とイオン源のあるビーム発生室を分離するため
のゲートバルブである。このように、本装置は減速機構
を有したイオンビーム装置から構成されている。
【００１６】以上のように構成された窒化酸化膜の形成
方法について、以下その動作を説明する。
方法について、以下その動作を説明する。
【００１７】まず、被処理基板１０を所定の場所に設置
し、処理室を真空ポート１８を通して真空に引く。この
ときの真空度は約１０-7Ｔｏｒｒである。次に、あらか
じめ真空に引かれていたビーム発生室のイオン源１１に
窒素ガスを導入する。本イオン源はマイクロ波によるプ
ラズマ発生機構を有しているのでイオン源にマイクロ波
を約１００Ｗで導入すると窒素ガスのプラズマが発生す
る。このとき、イオン源に約２０ｋＶの電圧を加え、１
ｓｔレンズ１４を接地するとイオン源内の窒素イオンが
約２０ｋＶで引き出され、被半導体基板１０に向かう。
途中のマスセパレータ１２により窒素原子と異なる質量
を持つイオンは電磁界により軌道を曲げられるために、
所望の窒素イオンのみが被半導体基板１０に向かうこと
になる。イオンビームには同電荷のイオンが含まれてい
るために、ビームは発散しようとするが、アインチェル
レンズ１５、１６によりビームが絞りこまれる。被半導
体基板が設置されている基板台は約１９．９ｋＶに昇圧
されているために、窒素イオンは約１００ｅＶのエネル
ギーで被半導体基板１０に入射することになる。このと
きの減速電界を最適化し、窒素イオンが半導体基板表面
で発散しないように抑制しているのが減速レンズ１３で
ある。この方法により窒素ドープされた半導体基板が得
られる。この後、酸素と水素の混合ガスで９００℃で約
５分の酸化処理をすることにより、基板表面に窒素元素
を含んだ４ｎｍの酸化膜（窒化酸化膜）が形成される。
し、処理室を真空ポート１８を通して真空に引く。この
ときの真空度は約１０-7Ｔｏｒｒである。次に、あらか
じめ真空に引かれていたビーム発生室のイオン源１１に
窒素ガスを導入する。本イオン源はマイクロ波によるプ
ラズマ発生機構を有しているのでイオン源にマイクロ波
を約１００Ｗで導入すると窒素ガスのプラズマが発生す
る。このとき、イオン源に約２０ｋＶの電圧を加え、１
ｓｔレンズ１４を接地するとイオン源内の窒素イオンが
約２０ｋＶで引き出され、被半導体基板１０に向かう。
途中のマスセパレータ１２により窒素原子と異なる質量
を持つイオンは電磁界により軌道を曲げられるために、
所望の窒素イオンのみが被半導体基板１０に向かうこと
になる。イオンビームには同電荷のイオンが含まれてい
るために、ビームは発散しようとするが、アインチェル
レンズ１５、１６によりビームが絞りこまれる。被半導
体基板が設置されている基板台は約１９．９ｋＶに昇圧
されているために、窒素イオンは約１００ｅＶのエネル
ギーで被半導体基板１０に入射することになる。このと
きの減速電界を最適化し、窒素イオンが半導体基板表面
で発散しないように抑制しているのが減速レンズ１３で
ある。この方法により窒素ドープされた半導体基板が得
られる。この後、酸素と水素の混合ガスで９００℃で約
５分の酸化処理をすることにより、基板表面に窒素元素
を含んだ４ｎｍの酸化膜（窒化酸化膜）が形成される。
【００１８】本実施の形態におけるイオンビーム法によ
れば入射エネルギーと入射電流を独立に制御できるた
め、半導体基板表面の窒素ドーピング深さと濃度につい
て所望の量を制御性よく得ることができる。
れば入射エネルギーと入射電流を独立に制御できるた
め、半導体基板表面の窒素ドーピング深さと濃度につい
て所望の量を制御性よく得ることができる。
【００１９】以上のように、イオンビームを使用するこ
とにより水素などの不純物がなく、窒素濃度の制御性に
すくれた窒化酸化膜を形成することができる。
とにより水素などの不純物がなく、窒素濃度の制御性に
すくれた窒化酸化膜を形成することができる。
【００２０】なお、実施の形態１において、酸化手段と
して酸素と水素の混合ガスを用いたが酸素ガスまたは酸
素プラズマを用いた酸化でも同様な効果が得られる。ま
た、プラズマ発生としてＲＩＥタイプの装置を用いた
が、ＥＣＲタイプ、ＩＣＰタイプなど別のプラズマ発生
手段でも同様な効果が得られる。ただし、各プラズマ発
生手段においてイオンの入射エネルギー制御方法が異な
るため、実際に適用するにあたってはそれらに対応した
最適な制御方法を実施する必要がある。例えば、ＥＣＲ
タイプでは基板バイアス印加する電源が別途必要である
が、プラズマ発生用の電源と独立しているために、窒素
イオンの入射エネルギーを独立に制御することが可能に
なる。
して酸素と水素の混合ガスを用いたが酸素ガスまたは酸
素プラズマを用いた酸化でも同様な効果が得られる。ま
た、プラズマ発生としてＲＩＥタイプの装置を用いた
が、ＥＣＲタイプ、ＩＣＰタイプなど別のプラズマ発生
手段でも同様な効果が得られる。ただし、各プラズマ発
生手段においてイオンの入射エネルギー制御方法が異な
るため、実際に適用するにあたってはそれらに対応した
最適な制御方法を実施する必要がある。例えば、ＥＣＲ
タイプでは基板バイアス印加する電源が別途必要である
が、プラズマ発生用の電源と独立しているために、窒素
イオンの入射エネルギーを独立に制御することが可能に
なる。
【００２１】また、実施の形態２では酸素のイオンビー
ムを用いることで、窒素の導入とその後の酸化を連続し
て実施することも可能である。さらに、窒素と酸素の２
本のビームラインを持つことで同時に入射し、一度に窒
化酸化膜を形成することもできる。
ムを用いることで、窒素の導入とその後の酸化を連続し
て実施することも可能である。さらに、窒素と酸素の２
本のビームラインを持つことで同時に入射し、一度に窒
化酸化膜を形成することもできる。
【００２２】
【発明の効果】以上のように本発明は、まず窒素原子を
半導体基板に導入し、その後酸化を行うために不純物の
混入が少なく、窒素原子の導入量を任意に制御すること
ができる。また、窒素導入過程が室温付近であるために
熱的負荷が小さくてすむ。
半導体基板に導入し、その後酸化を行うために不純物の
混入が少なく、窒素原子の導入量を任意に制御すること
ができる。また、窒素導入過程が室温付近であるために
熱的負荷が小さくてすむ。
【図１】本発明実施の形態１における窒化酸化膜の形成
を行なう装置の断面構成図
を行なう装置の断面構成図
【図２】本発明実施の形態２における窒化酸化膜の形成
を行なう装置の断面構成図
を行なう装置の断面構成図
１ 真空チャンバー ２ 下部電極 ３ 上部電極 ４ 高周波電源 ５ 窒素ガス導入ポート ６ 排気ポート ７ 冷却水配管 １０ 被半導体装置 １１ イオン源 １２ マスセパレータ １３ 減速レンズと基板台 １５，１６ アインチェルレンズ １７，１８ 真空ポート １９ ゲートバルブ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 原田 佳尚 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内
Claims (2)
- 【請求項１】窒素原子を半導体基板上にプラズマドープ
法により導入する第１の工程と、前記第１の工程の後前
記半導体基板を酸化して窒化酸化膜を形成する第２の工
程とを有する窒化酸化膜の形成方法。 - 【請求項２】窒素原子を半導体基板上にイオンビーム法
により導入する第１の工程と、前記第１の工程の後前記
半導体基板を酸化して窒化酸化膜を形成する第２の工程
とを有する窒化酸化膜の形成方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15784396A JPH1012612A (ja) | 1996-06-19 | 1996-06-19 | 窒化酸化膜の形成方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15784396A JPH1012612A (ja) | 1996-06-19 | 1996-06-19 | 窒化酸化膜の形成方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1012612A true JPH1012612A (ja) | 1998-01-16 |
Family
ID=15658572
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP15784396A Pending JPH1012612A (ja) | 1996-06-19 | 1996-06-19 | 窒化酸化膜の形成方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH1012612A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6893979B2 (en) | 2001-03-15 | 2005-05-17 | International Business Machines Corporation | Method for improved plasma nitridation of ultra thin gate dielectrics |
| US6964905B2 (en) | 2001-07-11 | 2005-11-15 | Renesas Technology Corp. | Semiconductor device and method of manufacturing therefor |
| KR100844957B1 (ko) | 2006-05-11 | 2008-07-09 | 주식회사 하이닉스반도체 | 플라즈마 도핑 방법 및 이를 이용한 반도체 소자의 제조방법 |
| US7888245B2 (en) | 2006-05-11 | 2011-02-15 | Hynix Semiconductor Inc. | Plasma doping method and method for fabricating semiconductor device using the same |
-
1996
- 1996-06-19 JP JP15784396A patent/JPH1012612A/ja active Pending
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6893979B2 (en) | 2001-03-15 | 2005-05-17 | International Business Machines Corporation | Method for improved plasma nitridation of ultra thin gate dielectrics |
| US7109559B2 (en) | 2001-03-15 | 2006-09-19 | International Business Machines Corporation | Nitrided ultra thin gate dielectrics |
| US6964905B2 (en) | 2001-07-11 | 2005-11-15 | Renesas Technology Corp. | Semiconductor device and method of manufacturing therefor |
| US7683455B2 (en) | 2001-07-11 | 2010-03-23 | Renesas Technology Corp. | Semiconductor device and method of manufacturing thereof |
| KR100844957B1 (ko) | 2006-05-11 | 2008-07-09 | 주식회사 하이닉스반도체 | 플라즈마 도핑 방법 및 이를 이용한 반도체 소자의 제조방법 |
| US7888245B2 (en) | 2006-05-11 | 2011-02-15 | Hynix Semiconductor Inc. | Plasma doping method and method for fabricating semiconductor device using the same |
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