JPH11162971A - Formation method for oxide film, and manufacture of p-type semiconductor element - Google Patents

Formation method for oxide film, and manufacture of p-type semiconductor element

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JPH11162971A
JPH11162971A JP32624397A JP32624397A JPH11162971A JP H11162971 A JPH11162971 A JP H11162971A JP 32624397 A JP32624397 A JP 32624397A JP 32624397 A JP32624397 A JP 32624397A JP H11162971 A JPH11162971 A JP H11162971A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To form a thin oxide film stably by humidifying oxidation method, by forming an oxide film on the surface of a semiconductor layer using steam produced by applying electromagnetic waves to hydrogen gas and oxygen gas, and further, nitriding the surface of the oxide film by nitrogen molecules in excitation state produced from nitrogen gas. SOLUTION: Hydrogen gas and oxygen gas are introduced into a processing chamber 10 from gas introduction parts 16A and 16B. Steam is produced by applying electromagnetic waves to hydrogen gas and oxygen gas. The produced steam reaches a reaction region 10B positioned under a processing chamber 10, and the surface of a semiconductor layer 20 heated by a heating means 12 is oxidized. That is, an oxide film can be made on the surface of the semiconductor layer 20. Then, nitrogenous gas is introduced into the processing chamber 10 from a gas introduction part 16C. Nitrogen molecules or nitrogen atoms ions in excitation state produced by applying electromagnetic waves to the nitrogenous gas reach the reaction region 10B positioned under the processing chamber 10, and the surface of the oxide film is nitrided.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、酸化膜の形成方法
及びp形半導体素子の製造方法、更に詳しくは、表面が
窒化された酸化膜の形成方法及びかかる酸化膜の形成方
法をゲート酸化膜の形成に適用したp形半導体素子の製
造方法に関する。
The present invention relates to a method for forming an oxide film and a method for manufacturing a p-type semiconductor device, and more particularly to a method for forming an oxide film having a nitrided surface and a method for forming such an oxide film as a gate oxide film. The present invention relates to a method for manufacturing a p-type semiconductor device applied to the formation of a semiconductor device.

【0002】[0002]

【従来の技術】例えば、シリコン半導体基板を基にした
MOS型半導体装置の製造においては、シリコン酸化膜
から成るゲート酸化膜をシリコン半導体基板の表面に形
成する必要がある。また、薄膜トランジスタ(TFT)
の製造においても、絶縁性基板の上に設けられたシリコ
ン層の表面にシリコン酸化膜から成るゲート酸化膜を形
成する必要がある。このようなシリコン酸化膜は、半導
体装置の信頼性を担っているといっても過言ではない。
従って、シリコン酸化膜には、常に、高い絶縁破壊耐圧
及び長期信頼性が要求される。
2. Description of the Related Art For example, in manufacturing a MOS type semiconductor device based on a silicon semiconductor substrate, it is necessary to form a gate oxide film made of a silicon oxide film on the surface of the silicon semiconductor substrate. Also, thin film transistors (TFTs)
It is also necessary to form a gate oxide film made of a silicon oxide film on the surface of a silicon layer provided on an insulating substrate. It is not an exaggeration to say that such a silicon oxide film is responsible for the reliability of the semiconductor device.
Therefore, a silicon oxide film is always required to have high dielectric breakdown voltage and long-term reliability.

【0003】半導体装置の高集積化に伴い、MOS型半
導体装置のゲート酸化膜も薄膜化されつつあり、ゲート
長0.1μm世代の半導体装置におけるゲート酸化膜の
厚さは3nm程度になると予想されている。シリコン酸
化膜の形成方法は、大きくは、乾燥酸素を酸化種として
用いる乾燥酸化法と、水蒸気を酸化種として用いる加湿
酸化法の2つに分類される。乾燥酸化法は、加熱された
シリコン半導体基板に十分乾燥した酸素を供給すること
によってシリコン半導体基板の表面にシリコン酸化膜を
形成する方法である。また、加湿酸化法は、水蒸気を含
む高温のキャリアガスをシリコン半導体基板に供給する
ことによってシリコン半導体基板の表面にシリコン酸化
膜を形成する方法である。一般には、加湿酸化法によっ
て形成されたシリコン酸化膜の方が、乾燥酸化法によっ
て形成されたシリコン酸化膜よりも、信頼性に優れてい
る。
With the increase in the degree of integration of semiconductor devices, the thickness of the gate oxide film of a MOS type semiconductor device is also becoming thinner, and the thickness of the gate oxide film in a semiconductor device having a gate length of 0.1 μm is expected to be about 3 nm. ing. Methods of forming silicon oxide films are broadly classified into two methods: a dry oxidation method using dry oxygen as an oxidizing species and a humidifying oxidation method using steam as an oxidizing species. The dry oxidation method is a method for forming a silicon oxide film on the surface of a silicon semiconductor substrate by supplying sufficiently dried oxygen to a heated silicon semiconductor substrate. The humidification oxidation method is a method in which a silicon oxide film is formed on the surface of a silicon semiconductor substrate by supplying a high-temperature carrier gas containing water vapor to the silicon semiconductor substrate. In general, a silicon oxide film formed by a humidification oxidation method has higher reliability than a silicon oxide film formed by a dry oxidation method.

【0004】加湿酸化法の一種にパイロジェニック酸化
法がある。この方法は、加湿酸化法の再現性を高め且つ
水量の管理を不要とするために、純粋な水素ガスを燃焼
させて水蒸気を生成する方法である。このパイロジェニ
ック法は、最も安定して水蒸気を生成することができる
ので、均一なシリコン酸化膜を形成することができる。
また、水蒸気を生成させるための原料として気体を用い
るので、不純物の制御も行い易いといった利点がある。
[0004] A kind of humidification oxidation method is a pyrogenic oxidation method. This method is a method in which pure hydrogen gas is burned to generate steam in order to increase the reproducibility of the humidification oxidation method and eliminate the need for controlling the amount of water. According to this pyrogenic method, since steam can be generated most stably, a uniform silicon oxide film can be formed.
In addition, since a gas is used as a raw material for generating steam, there is an advantage that impurities can be easily controlled.

【0005】近年、CMOSトランジスタにおいては、
低消費電力化のために低電圧化が図られており、そのた
めに、PMOS半導体素子とNMOS半導体素子に対し
て、十分に低く、しかも対称な閾値電圧が要求される。
このような要求に対処するために、PMOS半導体素子
においては、これまでのn形不純物を含むポリシリコン
層から構成されたゲート電極に替わり、p形不純物を含
むポリシリコン層から構成されたゲート電極が用いられ
るようになっている。ところが、通常用いられるp形不
純物であるボロン原子(B)は、ゲート電極形成後の半
導体装置製造工程における各種の熱処理によってゲート
電極からゲート酸化膜を通過し、シリコン半導体基板に
まで容易に到達し、PMOS半導体素子の閾値電圧を変
動させる。このような現象は、低電圧化のためにゲート
酸化膜を一層薄くした場合、一層顕著に現れる。
In recent years, in CMOS transistors,
For the purpose of reducing power consumption, lowering the voltage has been attempted. For this reason, a sufficiently low and symmetric threshold voltage is required for the PMOS semiconductor device and the NMOS semiconductor device.
In order to cope with such a demand, in a PMOS semiconductor device, a gate electrode made of a polysilicon layer containing a p-type impurity is replaced with a gate electrode made of a polysilicon layer containing an n-type impurity. Is used. However, boron atoms (B), which are usually used p-type impurities, easily pass through the gate oxide film from the gate electrode to the silicon semiconductor substrate by various heat treatments in the semiconductor device manufacturing process after the formation of the gate electrode. , The threshold voltage of the PMOS semiconductor element is varied. Such a phenomenon becomes more conspicuous when the gate oxide film is made thinner to reduce the voltage.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】薄いシリコン酸化膜を
形成しようとした場合、乾燥酸化法と比較すると、加湿
酸化法では酸化速度が早いため、例えば、酸化温度を低
温とし、しかも酸化時間を短くしなければならない。し
かしながら、酸化時間の短縮化は、シリコン酸化膜の膜
厚の均一化を妨げるという問題がある。従って、加湿酸
化法を採用して薄いシリコン酸化膜を形成する場合、別
の方法で酸化速度の抑制を図らなければならない。
When an attempt is made to form a thin silicon oxide film, the humidification oxidation method has a higher oxidation rate than the dry oxidation method. For example, the oxidation temperature is reduced and the oxidation time is shortened. Must. However, there is a problem that shortening the oxidation time prevents uniformization of the thickness of the silicon oxide film. Therefore, when a thin silicon oxide film is formed by using the humidifying oxidation method, the oxidation rate must be suppressed by another method.

【0007】酸化速度の抑制方法として、減圧下で水蒸
気を生成させ、減圧下でシリコン酸化膜を形成する方法
がある。このように、減圧下でシリコン酸化膜を形成す
れば、酸化種の供給量が少ないので、酸化速度を抑制す
ることができる。しかしながら、かかる減圧下で水蒸気
を生成させる方法では、水蒸気を生成させるための水素
ガスの燃焼装置の動作が安定しない。即ち、減圧下、安
定して水素ガスを燃焼させることが困難であり、その結
果、酸化速度を抑制した状態で安定して薄いシリコン酸
化膜を形成することが難しいという問題がある。
As a method for suppressing the oxidation rate, there is a method in which steam is generated under reduced pressure and a silicon oxide film is formed under reduced pressure. As described above, when the silicon oxide film is formed under reduced pressure, the supply rate of the oxidizing species is small, so that the oxidation rate can be suppressed. However, in the method of generating steam under such reduced pressure, the operation of the hydrogen gas combustion device for generating steam is not stable. That is, it is difficult to stably burn hydrogen gas under reduced pressure, and as a result, there is a problem that it is difficult to stably form a thin silicon oxide film while suppressing the oxidation rate.

【0008】また、上述のボロン原子(B)のシリコン
半導体基板への拡散に起因したPMOS半導体素子の閾
値電圧の変動を抑制するために、窒素原子をゲート酸化
膜中に導入する方法が試みられており、ボロン原子拡散
抑制の効果も確認されている。窒素原子をゲート酸化膜
中に導入する方法として、例えば、窒素ガス雰囲気で放
電を行うことによって窒素プラズマを発生させる、所謂
プラズマ窒化法が、文献 "Ultrathin nitrogen-profile
engineered gate dielectric filmes", S.V.Hattangad
y, et al., 1996, IEDM から知られている。この文献に
記載されたプラズマ窒化法においては、ゲート酸化膜の
表面のみが窒化されるため、熱窒化法によるゲート酸化
膜中への窒素原子の導入のように、シリコン半導体基板
に窒素が侵入することによる電流駆動能力の低下等の半
導体素子特性への悪影響がない。
Further, in order to suppress the fluctuation of the threshold voltage of the PMOS semiconductor element caused by the diffusion of the boron atoms (B) into the silicon semiconductor substrate, a method of introducing nitrogen atoms into the gate oxide film has been attempted. Therefore, the effect of suppressing the diffusion of boron atoms has been confirmed. As a method for introducing nitrogen atoms into a gate oxide film, for example, a so-called plasma nitridation method in which a nitrogen plasma is generated by performing a discharge in a nitrogen gas atmosphere is described in the document "Ultrathin nitrogen-profile".
engineered gate dielectric filmes ", SVHattangad
y, et al., 1996, known from IEDM. In the plasma nitridation method described in this document, since only the surface of the gate oxide film is nitrided, nitrogen enters the silicon semiconductor substrate as in the case of introducing nitrogen atoms into the gate oxide film by the thermal nitridation method. As a result, there is no adverse effect on semiconductor element characteristics such as a reduction in current driving capability.

【0009】しかしながら、この文献に記載されたプラ
ズマ窒化法においては、熱酸化法に基づきシリコン酸化
膜の形成を行うため、シリコン酸化膜の形成と、シリコ
ン酸化膜のプラズマ窒化とを別の装置で、しかも2工程
の処理にて行う必要がある。即ち、半導体装置の製造工
程が増加し、半導体装置の製造時間が延長するといった
問題、あるいは又、酸化装置とプラズマ窒化装置の2種
類の装置が必要となるといった問題がある。
However, in the plasma nitriding method described in this document, since the silicon oxide film is formed based on the thermal oxidation method, the formation of the silicon oxide film and the plasma nitridation of the silicon oxide film are performed by different apparatuses. In addition, it is necessary to perform the process in two steps. That is, there is a problem that the number of manufacturing steps of the semiconductor device is increased and a manufacturing time of the semiconductor device is prolonged, or a problem that two types of devices, an oxidizing device and a plasma nitriding device, are required.

【0010】従って、本発明の目的は、薄い酸化膜を安
定して加湿酸化法にて形成することができ、しかも、p
形半導体素子のゲート電極形成におけるボロン原子の拡
散を確実に抑制することを可能にする酸化膜の形成方法
及びかかる酸化膜の形成方法をゲート酸化膜の形成に適
用したp形半導体素子の製造方法を提供することにあ
る。更に本発明の目的は、1つの装置にて、酸化膜の表
面のみを窒化することを可能とする酸化膜の形成方法及
びかかる酸化膜の形成方法をゲート酸化膜の形成に適用
したp形半導体素子の製造方法を提供することにある。
Accordingly, an object of the present invention is to form a thin oxide film stably by a humidifying oxidation method.
For forming an oxide film capable of reliably suppressing the diffusion of boron atoms in forming a gate electrode of a p-type semiconductor device, and a method for manufacturing a p-type semiconductor device in which such an oxide film formation method is applied to the formation of a gate oxide film Is to provide. It is a further object of the present invention to provide a method for forming an oxide film capable of nitriding only the surface of the oxide film in one apparatus, and a p-type semiconductor in which such a method for forming an oxide film is applied to the formation of a gate oxide film. An object of the present invention is to provide a device manufacturing method.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明の酸化膜の形成方法は、(イ)水素ガス及び
酸素ガスに電磁波を照射することによって水蒸気を生成
させ、該水蒸気を用いて半導体層の表面を酸化し、以て
半導体層の表面に酸化膜を形成する工程と、(ロ)窒素
系ガスに電磁波を照射することによって生成した励起状
態の窒素分子若しくは窒素分子イオンにより該酸化膜の
表面を窒化する工程、から成ることを特徴とする。
In order to achieve the above object, the method of forming an oxide film according to the present invention comprises the steps of (a) irradiating a hydrogen gas and an oxygen gas with electromagnetic waves to generate water vapor, A step of oxidizing the surface of the semiconductor layer by using the semiconductor layer to form an oxide film on the surface of the semiconductor layer, and (b) using an excited state of nitrogen molecules or nitrogen molecule ions generated by irradiating a nitrogen-based gas with electromagnetic waves. Nitriding the surface of the oxide film.

【0012】また、上記の目的を達成するための本発明
のp形半導体素子の製造方法は、(A)半導体層の表面
にゲート酸化膜を形成する工程と、(B)該ゲート酸化
膜上にp形不純物を含むシリコン層から成るゲート電極
を形成する工程、を含むp形半導体素子の製造方法であ
って、工程(A)は、(イ)水素ガス及び酸素ガスに電
磁波を照射することによって水蒸気を生成させ、該水蒸
気を用いて半導体層の表面を酸化し、以て半導体層の表
面に酸化膜を形成する工程と、(ロ)窒素系ガスに電磁
波を照射することによって生成した励起状態の窒素分子
若しくは窒素分子イオンにより該酸化膜の表面を窒化
し、以てゲート酸化膜を形成する工程、から成ることを
特徴とする。
In order to achieve the above object, a method of manufacturing a p-type semiconductor device according to the present invention comprises: (A) forming a gate oxide film on a surface of a semiconductor layer; and (B) forming a gate oxide film on the gate oxide film. Forming a gate electrode made of a silicon layer containing a p-type impurity, wherein the step (A) comprises: (i) irradiating a hydrogen gas and an oxygen gas with an electromagnetic wave. A step of oxidizing the surface of the semiconductor layer using the water vapor to form an oxide film on the surface of the semiconductor layer; and (b) exciting the nitrogen-based gas by irradiating it with electromagnetic waves. Nitriding the surface of the oxide film with nitrogen molecules or nitrogen molecule ions in a state, thereby forming a gate oxide film.

【0013】本発明のp形半導体素子の製造方法におい
ては、p形不純物を含むシリコン層(例えばポリシリコ
ン層やアモルファスシリコン層)から成るゲート電極の
形成は、例えば、p形不純物(例えば、ボロン)を含む
シリコン層をCVD法に基づき成膜した後にかかるシリ
コン層をパターニングする方法、不純物を含まないシリ
コン層をCVD法にて形成した後にp形不純物(例えば
ボロンやBF2)をイオン注入法にてシリコン層に注入
し、次いでシリコン層をパターニングする方法、不純物
を含まないシリコン層をCVD法にて形成した後にパタ
ーニングを行い、次いで、p形不純物(例えばボロンや
BF2)をイオン注入法にてシリコン層に注入する方法
を挙げることができる。尚、工程(B)において、p形
不純物を含むシリコン層を形成した後、このシリコン層
上にシリサイド層を形成し、次いで、シリサイド層及び
シリコン層をパターニングすることによって、ポリサイ
ド構造を有するゲート電極を形成してもよい。
In the method of manufacturing a p-type semiconductor device according to the present invention, the formation of a gate electrode made of a silicon layer containing a p-type impurity (for example, a polysilicon layer or an amorphous silicon layer) is performed, for example, using a p-type impurity (for example, boron). ), A method of patterning the silicon layer after forming the silicon layer based on the CVD method, and a method of ion-implanting a p-type impurity (for example, boron or BF 2 ) by forming a silicon layer containing no impurities by the CVD method. And then patterning the silicon layer. A silicon layer containing no impurities is formed by a CVD method, followed by patterning, and then a p-type impurity (for example, boron or BF 2 ) is ion-implanted. And a method of injecting into a silicon layer. In the step (B), after forming a silicon layer containing a p-type impurity, a silicide layer is formed on the silicon layer, and then the silicide layer and the silicon layer are patterned to form a gate electrode having a polycide structure. May be formed.

【0014】本発明の酸化膜の形成方法あるいはp形半
導体素子の製造方法(以下、これらを総称して、単に本
発明の方法と呼ぶ場合がある)においては、電磁波とし
て、例えば周波数2.45GHzのマイクロ波を用いる
ことができる。水素ガス及び酸素ガスに基づき生成した
水蒸気を、窒素、アルゴン、ヘリウム、ネオン、クリプ
トン、キセノンといった不活性ガスにて希釈した状態
で、あるいは又、これらの不活性ガスをキャリアガスと
して用いて、半導体層の表面に酸化膜を形成してもよ
い。
In the method of forming an oxide film or the method of manufacturing a p-type semiconductor device of the present invention (hereinafter, these may be collectively simply referred to as the method of the present invention), for example, a frequency of 2.45 GHz is used as an electromagnetic wave. Can be used. In a state in which water vapor generated based on hydrogen gas and oxygen gas is diluted with an inert gas such as nitrogen, argon, helium, neon, krypton, or xenon, or using these inert gases as a carrier gas, An oxide film may be formed on the surface of the layer.

【0015】本発明において、電磁波を照射すべき窒素
系ガスとして、窒素ガス(N2ガス)の他にも、NO、
2O、NO2等、窒素原子と酸素原子の化合物であるガ
スを例示することができる。
In the present invention, as the nitrogen-based gas to be irradiated with the electromagnetic wave, NO, in addition to nitrogen gas (N 2 gas),
Gases that are compounds of a nitrogen atom and an oxygen atom, such as N 2 O and NO 2 , can be exemplified.

【0016】本発明の方法においては、工程(イ)及び
工程(ロ)を同一の処理室内で行うことが、装置構成の
簡素化、あるいは酸化膜やゲート酸化膜の形成時間の短
縮化の面から好ましい。
In the method of the present invention, the steps (a) and (b) are performed in the same processing chamber, which simplifies the structure of the apparatus or shortens the time for forming an oxide film or a gate oxide film. Is preferred.

【0017】シリコン半導体基板を基にしてMOS型半
導体装置を製造する場合、従来、ゲート酸化膜を成膜す
る前に、NH4OH/H22水溶液で洗浄し更にHCl
/H22水溶液で洗浄するというRCA洗浄によりシリ
コン半導体基板の表面を洗浄し、その表面から微粒子や
金属不純物を除去する。ところで、RCA洗浄を行う
と、シリコン半導体基板の表面は洗浄液と反応し、厚さ
0.5〜1nm程度のシリコン酸化膜が形成される。か
かるシリコン酸化膜の膜厚は不均一であり、しかも、こ
のシリコン酸化膜中には洗浄液成分が残留する。そこ
で、フッ化水素酸水溶液にシリコン半導体基板を浸漬し
て、かかるシリコン酸化膜を除去し、更に純水で薬液成
分を除去する。これによって、大部分が水素で終端さ
れ、極一部がフッ素で終端されたシリコン半導体基板の
表面を得ることができる。尚、このような工程によっ
て、大部分が水素で終端され、極一部がフッ素で終端さ
れたシリコン半導体基板の表面を得ることを、本明細書
では、シリコン半導体基板の表面を露出させると表現す
る。その後、かかるシリコン半導体基板の表面にシリコ
ン酸化膜を形成する。
In the case of manufacturing a MOS type semiconductor device based on a silicon semiconductor substrate, conventionally, before forming a gate oxide film, the substrate is washed with an aqueous solution of NH 4 OH / H 2 O 2 and further washed with HCl.
The surface of the silicon semiconductor substrate is cleaned by RCA cleaning of cleaning with an aqueous solution of / H 2 O 2 to remove fine particles and metal impurities from the surface. By the way, when the RCA cleaning is performed, the surface of the silicon semiconductor substrate reacts with the cleaning liquid to form a silicon oxide film having a thickness of about 0.5 to 1 nm. The thickness of such a silicon oxide film is not uniform, and a cleaning solution component remains in the silicon oxide film. Therefore, the silicon semiconductor substrate is immersed in a hydrofluoric acid aqueous solution to remove the silicon oxide film, and further, the chemical component is removed with pure water. Thereby, it is possible to obtain a surface of the silicon semiconductor substrate that is mostly terminated with hydrogen and extremely partially terminated with fluorine. In this specification, obtaining a surface of a silicon semiconductor substrate that is mostly terminated with hydrogen and a very small portion is terminated with fluorine is referred to as exposing the surface of the silicon semiconductor substrate in this specification. I do. Thereafter, a silicon oxide film is formed on the surface of the silicon semiconductor substrate.

【0018】ところで、加湿酸化法に基づきシリコン酸
化膜を形成する前の雰囲気を高温の窒素ガス雰囲気とす
ると、シリコン半導体基板の表面に荒れ(凹凸)が生じ
る。このような現象は、フッ化水素酸水溶液及び純水で
の洗浄によってシリコン半導体基板の表面に形成された
Si−H結合の一部あるいは又Si−F結合の一部が、
水素やフッ素の昇温脱離によって失われ、シリコン半導
体基板の表面にエッチング現象が生じることに起因する
と考えられている。例えば、アルゴンガス中でシリコン
半導体基板を600゜C以上に昇温するとシリコン半導
体基板の表面に激しい凹凸が生じることが、培風館発
行、大見忠弘著「ウルトラクリーンULSI技術」、第
21頁に記載されている。
If the atmosphere before forming the silicon oxide film based on the humidifying oxidation method is a high-temperature nitrogen gas atmosphere, the surface of the silicon semiconductor substrate becomes rough (unevenness). Such a phenomenon occurs when a part of the Si—H bond or a part of the Si—F bond formed on the surface of the silicon semiconductor substrate by washing with the hydrofluoric acid aqueous solution and the pure water,
It is considered that hydrogen and fluorine are lost due to thermal desorption, resulting in an etching phenomenon on the surface of the silicon semiconductor substrate. For example, when the temperature of a silicon semiconductor substrate is raised to 600 ° C. or more in argon gas, severe irregularities may occur on the surface of the silicon semiconductor substrate, as described in Baifukan, Tadahiro Omi, “Ultra Clean ULSI Technology”, page 21. Have been.

【0019】従って、このような半導体層の表面に荒れ
(凹凸)が発生するといった現象の発生を回避するため
に、本発明の方法においては、工程(イ)において、半
導体層の表面から半導体層を主に構成する原子が脱離し
ない温度に半導体層を保持した状態にて、半導体層の表
面に酸化膜の形成を開始することが好ましい。尚、半導
体層の表面から半導体層を主に構成する原子が脱離しな
い温度は、半導体層表面を終端している原子と半導体層
を主に構成する原子との結合が切断されない温度である
ことが望ましい。半導体層を主に構成する原子がSiで
ある場合、即ち、半導体層がシリコン半導体基板、単結
晶シリコン層、ポリシリコン層あるいはアモルファスシ
リコン層から構成されている場合、半導体層の表面から
半導体層を主に構成する原子が脱離しない温度を、半導
体層表面のSi−H結合が切断されない温度、あるいは
又、半導体層表面のSi−F結合が切断されない温度と
することが望ましい。面方位が(100)のシリコン半
導体基板を半導体層として用いる場合、シリコン半導体
基板の表面における水素原子の大半がシリコン原子の2
本の結合手のそれぞれに1つずつ結合しており、H−S
i−Hの終端構造を有する。然るに、シリコン半導体基
板の表面状態が崩れた部分(例えばステップ形成箇所)
には、シリコン原子の1本の結合手のみに水素原子が結
合した状態の終端構造、あるいは、シリコン原子の3本
の結合手のそれぞれに水素原子が結合した状態の終端構
造が存在する。尚、通常、シリコン原子の残りの結合手
は結晶内部のシリコン原子と結合している。本明細書に
おける「Si−H結合」という表現には、シリコン原子
の2本の結合手のそれぞれに水素原子が結合した状態の
終端構造、シリコン原子の1本の結合手のみに水素原子
が結合した状態の終端構造、あるいは、シリコン原子の
3本の結合手のそれぞれに水素原子が結合した状態の終
端構造の全てが包含される。半導体層の表面に酸化膜の
形成を開始するときの温度は、より具体的には、水蒸気
が半導体層上で結露しない温度以上、好ましくは200
゜C以上、より好ましくは300゜C以上とすること
が、スループットの面から望ましい。
Therefore, in order to avoid the occurrence of such a phenomenon that the surface of the semiconductor layer is roughened (irregularities), in the method of the present invention, in the step (a), the surface of the semiconductor layer is removed from the surface of the semiconductor layer. It is preferable to start formation of an oxide film on the surface of the semiconductor layer in a state where the semiconductor layer is held at a temperature at which atoms mainly constituting the semiconductor layer do not desorb. The temperature at which atoms mainly constituting the semiconductor layer do not desorb from the surface of the semiconductor layer is a temperature at which bonds between atoms terminating the surface of the semiconductor layer and atoms mainly constituting the semiconductor layer are not broken. Is desirable. When the atoms mainly constituting the semiconductor layer are Si, that is, when the semiconductor layer is composed of a silicon semiconductor substrate, a single crystal silicon layer, a polysilicon layer, or an amorphous silicon layer, the semiconductor layer is removed from the surface of the semiconductor layer. It is desirable that the temperature at which the main constituent atoms do not desorb be a temperature at which the Si—H bond on the surface of the semiconductor layer is not broken, or a temperature at which the Si—F bond on the surface of the semiconductor layer is not broken. When a silicon semiconductor substrate having a plane orientation of (100) is used as a semiconductor layer, most of hydrogen atoms on the surface of the silicon semiconductor substrate are 2% of silicon atoms.
One to each of the two bonds, HS
It has an iH termination structure. However, a portion where the surface state of the silicon semiconductor substrate is broken (for example, a step forming portion)
Has a terminal structure in which a hydrogen atom is bonded to only one bond of a silicon atom, or a terminal structure in which a hydrogen atom is bonded to each of three bonds of a silicon atom. Usually, the remaining bonds of silicon atoms are bonded to silicon atoms inside the crystal. The expression “Si—H bond” in this specification refers to a terminal structure in which a hydrogen atom is bonded to each of two silicon atoms, and a hydrogen atom is bonded to only one silicon atom. The terminating structure in a state in which a hydrogen atom is bonded to each of the three bonding atoms of a silicon atom, or the terminating structure in a state in which a hydrogen atom is bonded to each of three bonding hands of a silicon atom is included. The temperature at which the formation of the oxide film on the surface of the semiconductor layer is started is more specifically a temperature at which water vapor does not condense on the semiconductor layer, preferably 200 ° C.
It is desirable that the temperature be at least ゜ C, more preferably at least 300 ゜ C, from the viewpoint of throughput.

【0020】本発明の方法においては、工程(イ)にお
いて、酸化膜の形成が完了したときの半導体層の温度
を、酸化膜の形成を開始する際の半導体層の温度よりも
高くしてもよい。この場合、酸化膜の形成が完了したと
きの半導体層の温度は、600乃至1200゜C、好ま
しくは700乃至1000゜C、更に好ましくは750
乃至900゜Cであることが望ましいが、このような値
に限定するものではない。尚、階段状(ステップ状)に
昇温してもよく、あるいは又、連続的に昇温してもよ
い。
In the method of the present invention, in the step (a), the temperature of the semiconductor layer when the formation of the oxide film is completed may be higher than the temperature of the semiconductor layer when the formation of the oxide film is started. Good. In this case, when the formation of the oxide film is completed, the temperature of the semiconductor layer is 600 to 1200 ° C., preferably 700 to 1000 ° C., and more preferably 750.
Although it is desirable that the temperature is in the range of 900 ° C. to 900 ° C., it is not limited to such a value. The temperature may be raised stepwise (stepwise) or continuously.

【0021】昇温を階段状にて行う場合、半導体層の表
面から半導体層を主に構成する原子が脱離しない温度に
て半導体層の表面に酸化膜の形成を開始した後、所定の
期間、半導体層の表面から半導体層を主に構成する原子
が脱離しない温度範囲に半導体層を保持して酸化膜を形
成する第1の酸化膜形成工程と、半導体層の表面から半
導体層を主に構成する原子が脱離しない温度範囲よりも
高い温度にて、所望の厚さになるまで酸化膜を更に形成
する第2の酸化膜形成工程を含むことが好ましい。第2
の酸化膜形成工程における酸化膜の形成温度は、600
乃至1200゜C、好ましくは700乃至1000゜
C、更に好ましくは750乃至900゜Cであることが
望ましい。尚、第1の酸化膜形成工程における半導体層
の保持温度範囲の上限としては、500゜C、好ましく
は450゜C以下、より好ましくは400゜Cを挙げる
ことができる。第2の酸化膜形成工程を経た後の最終的
な酸化膜の膜厚は、半導体素子に要求される所定の厚さ
とすればよい。一方、第1の酸化膜形成工程を経た後の
酸化膜の膜厚は、出来る限り薄いことが好ましい。但
し、現在、半導体装置の製造に用いられているシリコン
半導体基板の面方位は殆どの場合(100)であり、如
何にシリコン半導体基板の表面を平滑化しても(10
0)シリコンの表面には必ずステップと呼ばれる段差が
形成される。このステップは通常シリコン原子1層分で
あるが、場合によっては2〜3層分の段差が形成される
ことがある。従って、第1の酸化膜形成工程を経た後の
酸化膜の膜厚は、半導体層として(100)シリコン半
導体基板を用いる場合、1nm以上とすることが好まし
いが、これに限定するものではない。
When the temperature is raised stepwise, an oxide film is formed on the surface of the semiconductor layer at a temperature at which atoms mainly constituting the semiconductor layer do not desorb from the surface of the semiconductor layer, and then a predetermined period of time. A first oxide film forming step of forming an oxide film while holding the semiconductor layer within a temperature range in which atoms mainly constituting the semiconductor layer do not desorb from the surface of the semiconductor layer; It is preferable to include a second oxide film forming step of further forming an oxide film at a temperature higher than a temperature range in which the atoms constituting the oxide film do not desorb to a desired thickness. Second
The oxide film forming temperature in the oxide film forming step of
It is desirable that the temperature is in the range of from 700 to 1200 ° C, preferably from 700 to 1000 ° C, and more preferably from 750 to 900 ° C. Note that the upper limit of the semiconductor layer holding temperature range in the first oxide film forming step is 500 ° C., preferably 450 ° C. or less, and more preferably 400 ° C. The final thickness of the oxide film after the second oxide film forming step may be a predetermined thickness required for the semiconductor element. On the other hand, the thickness of the oxide film after the first oxide film forming step is preferably as thin as possible. However, the plane orientation of a silicon semiconductor substrate currently used for manufacturing a semiconductor device is almost (100) in most cases, and no matter how smooth the surface of the silicon semiconductor substrate is (10).
0) A step called a step is always formed on the surface of silicon. This step is usually for one layer of silicon atoms, but in some cases, a step for two to three layers may be formed. Therefore, the thickness of the oxide film after the first oxide film forming step is preferably 1 nm or more when a (100) silicon semiconductor substrate is used as the semiconductor layer, but is not limited thereto.

【0022】第1の酸化膜形成工程と第2の酸化膜形成
工程との間に昇温工程を含んでもよい。この場合、昇温
工程における雰囲気を、不活性ガス雰囲気若しくは減圧
雰囲気とするか、あるいは又、水蒸気を含む酸化雰囲気
とすることが望ましい。ここで、不活性ガスとして、窒
素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガスを例示することが
できる。尚、昇温工程における雰囲気中の不活性ガス若
しくは水蒸気を含むガスには、ハロゲン元素が含有され
ていてもよい。これによって、第1の酸化膜形成工程に
て形成された酸化膜の特性の一層の向上を図ることがで
きる。即ち、半導体層を主に構成する原子がSiの場
合、第1の酸化膜形成工程において生じ得る欠陥である
シリコンダングリングボンド(Si・)やSiOHが昇
温工程においてハロゲン元素と反応し、シリコンダング
リングボンドが終端しあるいは脱水反応を生じる結果、
信頼性劣化因子であるこれらの欠陥が排除される。特
に、これらの欠陥の排除は、第1の酸化膜形成工程にお
いて形成された初期のシリコン酸化膜に対して効果的で
ある。ハロゲン元素として、塩素、臭素、フッ素を挙げ
ることができるが、なかでも塩素であることが望まし
い。不活性ガス若しくは水蒸気を含むガス中に含有され
るハロゲン元素の形態としては、例えば、塩化水素(H
Cl)、CCl4、C2HCl3、Cl2、HBr、NF3
を挙げることができる。不活性ガス若しくは水蒸気を含
むガス中のハロゲン元素の含有率は、分子又は化合物の
形態を基準として、0.001〜10容量%、好ましく
は0.005〜10容量%、更に好ましくは0.02〜
10容量%である。例えば塩化水素ガスを用いる場合、
不活性ガス若しくは水蒸気を含むガス中の塩化水素ガス
含有率は0.02〜10容量%であることが望ましい。
尚、昇温工程における雰囲気を、不活性ガスで希釈され
た水蒸気を含む雰囲気とすることもできる。
A temperature raising step may be included between the first oxide film forming step and the second oxide film forming step. In this case, it is desirable that the atmosphere in the temperature raising step be an inert gas atmosphere or a reduced pressure atmosphere, or an oxidizing atmosphere containing water vapor. Here, examples of the inert gas include a nitrogen gas, an argon gas, and a helium gas. Incidentally, the inert gas or the gas containing water vapor in the atmosphere in the temperature raising step may contain a halogen element. Thereby, the characteristics of the oxide film formed in the first oxide film forming step can be further improved. That is, when the atoms mainly constituting the semiconductor layer are Si, silicon dangling bonds (Si.) And SiOH, which are defects that can be generated in the first oxide film forming step, react with the halogen element in the temperature increasing step and silicon As a result of termination of dangling bonds or dehydration reaction,
These defects, which are reliability deterioration factors, are eliminated. In particular, the elimination of these defects is effective for the initial silicon oxide film formed in the first oxide film forming step. Examples of the halogen element include chlorine, bromine, and fluorine, and among them, chlorine is preferable. Examples of the form of the halogen element contained in the inert gas or the gas containing water vapor include hydrogen chloride (H
Cl), CCl 4 , C 2 HCl 3 , Cl 2 , HBr, NF 3
Can be mentioned. The content of the halogen element in the gas containing an inert gas or water vapor is 0.001 to 10% by volume, preferably 0.005 to 10% by volume, more preferably 0.02 to 10% by volume, based on the form of the molecule or the compound. ~
10% by volume. For example, when using hydrogen chloride gas,
The hydrogen chloride gas content in the gas containing an inert gas or water vapor is desirably 0.02 to 10% by volume.
Note that the atmosphere in the temperature raising step may be an atmosphere containing steam diluted with an inert gas.

【0023】本発明の方法においては、酸化膜の形成中
の水蒸気を含むガス雰囲気にハロゲン元素を含有させて
もよい。これによって、タイムゼロ絶縁破壊(TZD
B)特性及び経時絶縁破壊(TDDB)特性に優れた酸
化膜を得ることができる。尚、ハロゲン元素として、塩
素、臭素、フッ素を挙げることができるが、なかでも塩
素であることが望ましい。水蒸気を含むガス中に含有さ
れるハロゲン元素の形態としては、例えば、塩化水素
(HCl)、CCl4、C2HCl3、Cl2、HBr、N
3を挙げることができる。水蒸気を含むガス中のハロ
ゲン元素の含有率は、分子又は化合物の形態を基準とし
て、0.001〜10容量%、好ましくは0.005〜
10容量%、更に好ましくは0.02〜10容量%であ
る。例えば塩化水素ガスを用いる場合、水蒸気を含むガ
ス中の塩化水素ガス含有率は0.02〜10容量%であ
ることが望ましい。
In the method of the present invention, the gas atmosphere containing water vapor during the formation of the oxide film may contain a halogen element. As a result, the time zero breakdown (TZD)
B) An oxide film having excellent characteristics and time-dependent dielectric breakdown (TDDB) characteristics can be obtained. In addition, as the halogen element, chlorine, bromine and fluorine can be mentioned, and among them, chlorine is preferable. Examples of the form of the halogen element contained in the gas containing water vapor include hydrogen chloride (HCl), CCl 4 , C 2 HCl 3 , Cl 2 , HBr, and N.
F 3 can be mentioned. The content of the halogen element in the gas containing water vapor is 0.001 to 10% by volume, preferably 0.005 to 10% by volume, based on the form of the molecule or the compound.
It is 10% by volume, more preferably 0.02 to 10% by volume. For example, when using hydrogen chloride gas, the content of hydrogen chloride gas in the gas containing water vapor is desirably 0.02 to 10% by volume.

【0024】形成された酸化膜の特性を一層向上させる
ために、本発明の方法においては、工程(イ)と工程
(ロ)の間で、形成された酸化膜に熱処理を施すことが
好ましい。
In order to further improve the characteristics of the formed oxide film, in the method of the present invention, it is preferable to perform a heat treatment on the formed oxide film between the steps (a) and (b).

【0025】この場合、熱処理の雰囲気を、ハロゲン元
素を含有する不活性ガス雰囲気とすることが望ましい。
ハロゲン元素を含有する不活性ガス雰囲気中で酸化膜を
熱処理することによって、タイムゼロ絶縁破壊(TZD
B)特性及び経時絶縁破壊(TDDB)特性に優れた酸
化膜を得ることができる。熱処理における不活性ガスと
しては、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガスを例示
することができる。また、ハロゲン元素として、塩素、
臭素、フッ素を挙げることができるが、なかでも塩素で
あることが望ましい。不活性ガス中に含有されるハロゲ
ン元素の形態としては、例えば、塩化水素(HCl)、
CCl4、C2HCl3、Cl2、HBr、NF3を挙げる
ことができる。不活性ガス中のハロゲン元素の含有率
は、分子又は化合物の形態を基準として、0.001〜
10容量%、好ましくは0.005〜10容量%、更に
好ましくは0.02〜10容量%である。例えば塩化水
素ガスを用いる場合、不活性ガス中の塩化水素ガス含有
率は0.02〜10容量%であることが望ましい。
In this case, it is desirable that the atmosphere for the heat treatment be an inert gas atmosphere containing a halogen element.
By heat-treating the oxide film in an inert gas atmosphere containing a halogen element, time-zero dielectric breakdown (TZD)
B) An oxide film having excellent characteristics and time-dependent dielectric breakdown (TDDB) characteristics can be obtained. Examples of the inert gas in the heat treatment include a nitrogen gas, an argon gas, and a helium gas. Also, as a halogen element, chlorine,
Bromine and fluorine can be mentioned, and among them, chlorine is desirable. Examples of the form of the halogen element contained in the inert gas include hydrogen chloride (HCl),
Examples include CCl 4 , C 2 HCl 3 , Cl 2 , HBr, and NF 3 . The content of the halogen element in the inert gas ranges from 0.001 to 0.001 based on the form of the molecule or compound.
It is 10% by volume, preferably 0.005 to 10% by volume, and more preferably 0.02 to 10% by volume. For example, when using hydrogen chloride gas, the content of hydrogen chloride gas in the inert gas is preferably 0.02 to 10% by volume.

【0026】尚、本発明の方法においては、同一処理室
内で熱処理を行うことが好ましい。熱処理の温度は、7
00〜1200゜C、好ましくは700〜1000゜
C、更に好ましくは700〜950゜Cである。また、
熱処理の時間は、枚葉処理にて行う場合、1〜10分と
することが好ましく、バッチ式にて行う場合、5〜60
分、好ましくは10〜40分、更に好ましくは20〜3
0分とすることが望ましい。
In the method of the present invention, it is preferable to perform the heat treatment in the same processing chamber. The heat treatment temperature is 7
The temperature is from 00 to 1200 ° C, preferably from 700 to 1000 ° C, and more preferably from 700 to 950 ° C. Also,
The time of the heat treatment is preferably 1 to 10 minutes when performing the single-wafer processing, and 5 to 60 minutes when performing the batch processing.
Minutes, preferably 10 to 40 minutes, more preferably 20 to 3 minutes.
Desirably, it is 0 minutes.

【0027】本発明の方法において熱処理を行う場合、
形成された酸化膜に熱処理を施す際の雰囲気温度を、酸
化膜の形成が完了したときの温度よりも高くすることが
望ましい。この場合、酸化膜の形成が完了した後、処理
室内の雰囲気を不活性ガス雰囲気に切り替えた後、熱処
理を施すための雰囲気温度まで昇温してもよいが、雰囲
気をハロゲン元素を含有する不活性ガス雰囲気に切り替
えた後、熱処理を施すための雰囲気温度まで昇温するこ
とが好ましい。ここで、不活性ガスとしては、窒素ガ
ス、アルゴンガス、ヘリウムガスを例示することができ
る。ハロゲン元素として、塩素、臭素、フッ素を挙げる
ことができるが、なかでも塩素であることが望ましい。
また、不活性ガス中に含有されるハロゲン元素の形態と
しては、例えば、塩化水素(HCl)、CCl4、C2
Cl3、Cl2、HBr、NF3を挙げることができる。
不活性ガス中のハロゲン元素の含有率は、分子又は化合
物の形態を基準として、0.001〜10容量%、好ま
しくは0.005〜10容量%、更に好ましくは0.0
2〜10容量%である。例えば塩化水素ガスを用いる場
合、不活性ガス中の塩化水素ガス含有率は0.02〜1
0容量%であることが望ましい。
When heat treatment is performed in the method of the present invention,
It is desirable that the temperature of the atmosphere when the heat treatment is performed on the formed oxide film is higher than the temperature when the formation of the oxide film is completed. In this case, after the formation of the oxide film is completed, the atmosphere in the processing chamber is switched to an inert gas atmosphere, and then the temperature may be increased to the ambient temperature for performing the heat treatment. After switching to the active gas atmosphere, it is preferable to raise the temperature to the ambient temperature for performing the heat treatment. Here, examples of the inert gas include a nitrogen gas, an argon gas, and a helium gas. Examples of the halogen element include chlorine, bromine, and fluorine, and among them, chlorine is preferable.
Examples of the form of the halogen element contained in the inert gas include, for example, hydrogen chloride (HCl), CCl 4 , C 2 H
Cl 3 , Cl 2 , HBr and NF 3 can be mentioned.
The content of the halogen element in the inert gas is from 0.001 to 10% by volume, preferably from 0.005 to 10% by volume, more preferably from 0.0 to 10% by volume, based on the form of the molecule or the compound.
It is 2 to 10% by volume. For example, when using hydrogen chloride gas, the content of hydrogen chloride gas in the inert gas is 0.02 to 1
Desirably, it is 0% by volume.

【0028】通常、シリコン半導体基板の表面にシリコ
ン酸化膜を形成する前に、NH4OH/H22水溶液で
洗浄し更にHCl/H22水溶液で洗浄するというRC
A洗浄によりシリコン半導体基板の表面を洗浄し、その
表面から微粒子や金属不純物を除去した後、フッ化水素
酸水溶液及び純水によるシリコン半導体基板の洗浄を行
う。ところが、その後、シリコン半導体基板が大気に曝
されると、シリコン半導体基板の表面が汚染され、水分
や有機物がシリコン半導体基板の表面に付着し、あるい
は又、シリコン半導体基板表面のSi原子が水酸基(O
H)と結合する虞がある(例えば、文献 "Highly-relia
ble Gate Oxide Formation for Giga-Scale LSIs by us
ing Closed Wet Cleaning System and Wet Oxidation w
ith Ultra-Dry Unloading", J. Yugami, et al., Inter
national Electron Device Meeting Technical Digest
95, pp 855-858 参照)。このような場合、そのままの
状態で酸化膜の形成を開始すると、形成されたシリコン
酸化膜中に水分や有機物、あるいは又、例えばSi−O
Hが取り込まれ、形成されたシリコン酸化膜の特性低下
あるいは欠陥部分の発生の原因となり得る。尚、欠陥部
分とは、シリコンダングリングボンド(Si・)やSi
−H結合といった欠陥が含まれるシリコン酸化膜の部
分、あるいは又、Si−O−Si結合が応力によって圧
縮され若しくはSi−O−Si結合の角度が厚い若しく
はバルクのシリコン酸化膜中のSi−O−Si結合の角
度と異なるといったSi−O−Si結合が含まれたシリ
コン酸化膜の部分を意味する。それ故、このような問題
の発生を回避するために、本発明の方法においては、酸
化膜の形成の前に半導体層表面を洗浄する工程を含み、
表面洗浄後の半導体層を大気に曝すことなく(即ち、例
えば、半導体層表面の洗浄から酸化膜形成工程の開始ま
での雰囲気を不活性ガス雰囲気若しくは真空雰囲気と
し)、酸化膜の形成を実行することが好ましい。これに
よって、例えば半導体層としてシリコン半導体基板を用
いる場合、大部分が水素で終端され、極一部がフッ素で
終端された表面を有するシリコン半導体基板の表面にシ
リコン酸化膜を形成することができ、形成されたシリコ
ン酸化膜の特性低下あるいは欠陥部分の発生を防止する
ことができる。
Normally, before a silicon oxide film is formed on the surface of a silicon semiconductor substrate, the substrate is washed with an aqueous solution of NH 4 OH / H 2 O 2 and further washed with an aqueous solution of HCl / H 2 O 2.
After cleaning the surface of the silicon semiconductor substrate by A cleaning and removing fine particles and metal impurities from the surface, the silicon semiconductor substrate is cleaned with a hydrofluoric acid aqueous solution and pure water. However, when the silicon semiconductor substrate is subsequently exposed to the air, the surface of the silicon semiconductor substrate is contaminated, moisture and organic substances adhere to the surface of the silicon semiconductor substrate, or Si atoms on the surface of the silicon semiconductor substrate become hydroxyl groups ( O
H) (see, for example, the document "Highly-relia"
ble Gate Oxide Formation for Giga-Scale LSIs by us
ing Closed Wet Cleaning System and Wet Oxidation w
ith Ultra-Dry Unloading ", J. Yugami, et al., Inter
national Electron Device Meeting Technical Digest
95, pp 855-858). In such a case, if the formation of the oxide film is started as it is, moisture or an organic substance or, for example, Si—O
H is taken in and may cause deterioration of characteristics of the formed silicon oxide film or generation of a defective portion. In addition, a defect part is a silicon dangling bond (Si
-Si bond containing a defect such as -H bond, or Si-O-Si bond is compressed by stress or Si-O-Si bond has a thick angle or Si-O in a bulk silicon oxide film. −Si bond means a portion of the silicon oxide film including a Si—O—Si bond that is different from the angle. Therefore, in order to avoid the occurrence of such a problem, the method of the present invention includes a step of cleaning the surface of the semiconductor layer before forming the oxide film,
The formation of the oxide film is performed without exposing the semiconductor layer after the surface cleaning to the atmosphere (that is, the atmosphere from the cleaning of the semiconductor layer surface to the start of the oxide film forming step is an inert gas atmosphere or a vacuum atmosphere). Is preferred. Thus, for example, when a silicon semiconductor substrate is used as a semiconductor layer, a silicon oxide film can be formed on the surface of a silicon semiconductor substrate having a surface that is mostly terminated with hydrogen and a portion of which is extremely terminated with fluorine, It is possible to prevent the characteristics of the formed silicon oxide film from deteriorating or the occurrence of defective portions.

【0029】酸化膜の形成においては、処理室内に水素
ガス及び酸素ガスを導入するが、この際、水素ガスが処
理室内に流入し、系外に流出することによって爆鳴気反
応が生じることを防止するために、処理室内に水素ガス
を導入する前に酸素ガスを導入することが望ましい。然
るに、酸素ガスの処理室内への導入によって半導体層に
酸化膜が形成される虞がある。このような酸化膜はドラ
イ酸化膜であり、加湿酸化法にて形成される酸化膜より
も特性が劣っている。このようなドライ酸化膜の形成を
確実に防止するためには、例えば、酸化膜の形成開始前
に、処理室内に窒素ガス等の不活性ガスで希釈した水素
ガスを先ず導入し、次いで、処理室内に酸素ガスを導入
すればよい。但し、この場合には、爆鳴気反応の発生を
確実に防止するために、水素ガスの濃度を、水素ガスが
酸素ガスと反応して燃焼しないような濃度、具体的に
は、空気中での爆轟範囲以下(空気との容量%で表した
場合、18.3容量%以下)、好ましくは空気中での燃
焼範囲以下(空気との容量%で表した場合、4.0容量
%以下)、あるいは又、酸素中での爆轟範囲以下(酸素
との容量%で表した場合、15.0容量%以下)、好ま
しくは酸素中での燃焼範囲以下(酸素との容量%で表し
た場合、4.5容量%以下)となるような濃度とするこ
とが望ましい。
In the formation of an oxide film, hydrogen gas and oxygen gas are introduced into the processing chamber. At this time, it is required that hydrogen gas flows into the processing chamber and flows out of the system, thereby causing a detonation reaction. To prevent this, it is preferable to introduce oxygen gas before introducing hydrogen gas into the treatment chamber. However, there is a possibility that an oxide film is formed in the semiconductor layer by introduction of oxygen gas into the treatment chamber. Such an oxide film is a dry oxide film and has inferior characteristics to an oxide film formed by a humidification oxidation method. In order to reliably prevent the formation of such a dry oxide film, for example, a hydrogen gas diluted with an inert gas such as a nitrogen gas is first introduced into a processing chamber before the formation of an oxide film, and then the processing is performed. What is necessary is just to introduce oxygen gas into a room. However, in this case, in order to surely prevent the occurrence of a detonation reaction, the concentration of the hydrogen gas should be set so that the hydrogen gas does not react with the oxygen gas and burn, specifically, in air. Below the detonation range (18.3% by volume or less when expressed in terms of volume with air), preferably below the combustion range in air (less than 4.0% by volume when expressed in volume% with air) ) Or below the detonation range in oxygen (less than 15.0% by volume when expressed in terms of volume% with oxygen), preferably below the combustion range in oxygen (expressed as volume% with oxygen) In this case, the concentration is desirably set to be 4.5% by volume or less.

【0030】半導体層としては、シリコン単結晶ウエハ
といったシリコン半導体基板だけでなく、半導体基板上
にエピタキシャルシリコン層、ポリシリコン層、あるい
はアモルファスシリコン層、更には、シリコン半導体基
板やこれらの層に半導体素子が形成されたもの等、酸化
膜を形成すべき下地を意味する。半導体層に酸化膜を形
成するとは、半導体基板等の上若しくは上方に形成され
た半導体層に酸化膜を形成する場合だけでなく、半導体
基板の表面に酸化膜を形成する場合を含む。尚、シリコ
ン単結晶ウエハは、CZ法、MCZ法、DLCZ法、F
Z法等、如何なる方法で作製されたウエハであってもよ
く、また、予め水素アニールが加えられたものでもよ
い。また、半導体層はSi−Geから構成されていても
よい。
As the semiconductor layer, not only a silicon semiconductor substrate such as a silicon single crystal wafer, but also an epitaxial silicon layer, a polysilicon layer, or an amorphous silicon layer on a semiconductor substrate, and a silicon semiconductor substrate or a semiconductor element Means an underlayer on which an oxide film is to be formed. Forming an oxide film on a semiconductor layer includes not only forming an oxide film on a semiconductor layer formed on or above a semiconductor substrate or the like, but also forming an oxide film on the surface of the semiconductor substrate. Incidentally, the silicon single crystal wafer can be obtained by the CZ method, the MCZ method, the DLCZ method, and the FZ method.
The wafer may be manufactured by any method such as the Z method, or may be subjected to hydrogen annealing in advance. Further, the semiconductor layer may be made of Si-Ge.

【0031】本発明の酸化膜の形成方法は、例えばMO
S型トランジスタのゲート酸化膜、層間絶縁膜や素子分
離領域の形成、トップゲート型若しくはボトムゲート型
薄膜トランジスタのゲート酸化膜の形成、フラッシュメ
モリのトンネル酸化膜の形成等、各種半導体装置におけ
る酸化膜の形成に適用することができる。
The method of forming an oxide film according to the present invention is, for example, an MO method.
The formation of oxide films in various semiconductor devices, such as the formation of gate oxide films for S-type transistors, the formation of interlayer insulating films and element isolation regions, the formation of gate oxide films for top gate or bottom gate thin film transistors, and the formation of tunnel oxide films for flash memories. Can be applied to forming.

【0032】マイクロ波放電によって生成した酸素プラ
ズマにおいては、基底状態O2(X3Σg-)は電子の衝
突によって励起状態O2(A3Σu+)又はO2(B3Σ
-)に励起され、それぞれ、以下の式のように酸素原
子に解離する。
In the oxygen plasma generated by the microwave discharge, the ground state O 2 (X 3 Σg ) is excited by the collision of electrons with the excited state O 2 (A 3 Σu + ) or O 2 (B 3 Σ).
u -) to be excited, respectively, to dissociate the oxygen atom by the following equation.

【0033】[0033]

【化1】 O2(X3Σg-)+ e → O2(A3Σu+)+ e 式(1−1) O2(A3Σu+)+ e → O(3P)+O(3P)+ e 式(1−2) O2(X3Σg-)+ e → O2(B3Σu-)+ e 式(1−3) O2(B3Σu-)+ e → O(3P)+O(1D)+ e 式(1−4)Embedded image O 2 (X 3 -g ) + e → O 2 (A 3 + u + ) + e Formula (1-1) O 2 (A 3 Σu + ) + e → O ( 3 P) + O ( 3 P) + e Formula (1-2) O 2 (X 3 Σg ) + e → O 2 (B 3 Σu ) + e Formula (1-3) O 2 (B 3 Σu ) + e → O ( 3 P) + O (1 D ) + e equation (1-4)

【0034】従って、酸素プラズマ中には励起酸素分子
と酸素原子が存在し、これらが反応種となる。ここに水
素H2を導入すると、以下のようなプラズマが生成す
る。
Therefore, excited oxygen molecules and oxygen atoms are present in the oxygen plasma, and these become reactive species. When hydrogen H 2 is introduced here, the following plasma is generated.

【0035】[0035]

【化2】H2 + e → 2H 式(2)H 2 + e → 2H Formula (2)

【0036】そして、酸素プラズマの内、例えば式(1
−2)で生成した酸素プラズマと式(2)で生成した水
素プラズマが反応して、水蒸気が生成する。そして、加
熱された半導体層の表面は、かかる水蒸気によって酸化
され、半導体層の表面に酸化膜が形成される。
In the oxygen plasma, for example, the formula (1)
The oxygen plasma generated in -2) reacts with the hydrogen plasma generated in equation (2) to generate water vapor. Then, the surface of the heated semiconductor layer is oxidized by the water vapor, and an oxide film is formed on the surface of the semiconductor layer.

【0037】[0037]

【化3】2H + O(3P) → H2O 式(3)Embedded image 2H + O ( 3 P) → H 2 O Formula (3)

【0038】本発明の方法においては、このような酸素
プラズマと水素プラズマとの反応に基づき水蒸気を生成
させるので、例えば減圧下にあっても水蒸気を容易に且
つ確実に生成させることが可能となり、酸化速度が制御
された状態で加湿酸化法にて薄い酸化膜を形成すること
ができる。
In the method of the present invention, steam is generated based on such a reaction between oxygen plasma and hydrogen plasma, so that steam can be easily and reliably generated even under reduced pressure, for example. With the oxidation rate controlled, a thin oxide film can be formed by the humidification oxidation method.

【0039】一方、窒素系ガスとして窒素(N2)ガス
を用いる場合、窒素N2は、マイクロ波によるプラズマ
中で、例えば、以下の式のように励起される。即ち、プ
ラズマ中に存在する電子が励起され、これと窒素分子と
の非弾性衝突により励起された窒素分子及び窒素分子イ
オンが生成される。これらの励起された窒素分子及び窒
素分子イオンが酸化膜の表面の半導体層を主に構成する
原子と酸素原子との結合(例えば、半導体層を主に構成
する原子がSiの場合、Si−O結合)を切断して、窒
化酸化物(例えば、Si−O−N結合)が形成され、酸
化膜の表面が窒化される。酸化膜の表面の組成は、半導
体層を主に構成する原子がSiの場合、SiOXYで表
される。
On the other hand, when a nitrogen (N 2 ) gas is used as the nitrogen-based gas, the nitrogen N 2 is excited in the microwave plasma by the following formula, for example. That is, electrons existing in the plasma are excited, and the excited nitrogen molecules and nitrogen molecule ions are generated by the inelastic collision of the electrons with the nitrogen molecules. These excited nitrogen molecules and nitrogen molecule ions bond oxygen atoms with atoms mainly constituting the semiconductor layer on the surface of the oxide film (for example, when the atoms mainly constituting the semiconductor layer are Si, Si—O The bond is cut to form a nitrided oxide (eg, a Si—O—N bond), and the surface of the oxide film is nitrided. The composition of the surface of the oxide film is represented by SiO X N Y when the atoms mainly constituting the semiconductor layer are Si.

【0040】[0040]

【化4】 N2(X1Σg)+ e → N2(A3Σu+)+ e 式(4−1) N2(N1Σg)+ e → N2(C3Πu) + e 式(4−2) N2(C3Πu)+ e → N2(B3Πg) + hν 式(4−3) N2(B3Πg)+ e → N2(A3Σu+)+ hν 式(4−4)Embedded image N 2 (X 1 Σg) + e → N 2 (A 3 Σu + ) + e Formula (4-1) N 2 (N 1 Σg) + e → N 2 (C 3 Πu) + e Formula (4-2) N 2 (C 3 Πu) + e → N 2 (B 3 Πg) + hv Formula (4-3) N 2 (B 3 Πg) + e → N 2 (A 3 Σu + ) + hv Formula (4-4)

【0041】本発明の方法においては、水素ガス及び酸
素ガス、並びに窒素系ガスに電磁波を照射することに基
づき酸化膜若しくはゲート酸化膜の形成を行うので、本
質的に1つの酸化膜形成装置内で酸化膜若しくはゲート
酸化膜の形成を行うことが可能となり、酸化膜若しくは
ゲート酸化膜を形成するための装置構成を簡素化するこ
とができる。また、水素ガス及び酸素ガスに電磁波を照
射することによって水蒸気を生成させるので、酸化速度
が抑制・制御された状態で、即ち、例えば減圧下にあっ
ても、水蒸気を容易に且つ確実に生成させることが可能
となり、加湿酸化法にて薄い酸化膜を形成することがで
きる。しかも、水蒸気を用いた酸化法によって酸化膜を
形成するので、優れた経時絶縁破壊(TDDB)特性を
有する酸化膜を得ることができる。
In the method of the present invention, an oxide film or a gate oxide film is formed by irradiating a hydrogen gas, an oxygen gas, and a nitrogen-based gas with electromagnetic waves. Thus, an oxide film or a gate oxide film can be formed, and the device configuration for forming the oxide film or the gate oxide film can be simplified. In addition, since the steam is generated by irradiating the hydrogen gas and the oxygen gas with the electromagnetic wave, the steam is easily and reliably generated in a state where the oxidation rate is suppressed and controlled, that is, for example, even under reduced pressure. This makes it possible to form a thin oxide film by the humidifying oxidation method. In addition, since the oxide film is formed by an oxidation method using water vapor, an oxide film having excellent time-dependent dielectric breakdown (TDDB) characteristics can be obtained.

【0042】また、酸化膜の表面のみを窒化するので、
熱窒化法による窒素原子のゲート酸化膜中への導入のよ
うに、シリコン半導体基板に窒素が侵入することによる
電流駆動能力の低下等の半導体素子特性への悪影響がな
い。更には、酸化膜を窒化するので、例えばゲート電極
形成後の半導体装置製造工程における各種の熱処理によ
ってボロン原子がゲート酸化膜を通過してシリコン半導
体基板にまで到達し、PMOS半導体素子の閾値電圧が
変動するといった現象を確実に回避することができる。
Since only the surface of the oxide film is nitrided,
Unlike the introduction of nitrogen atoms into a gate oxide film by a thermal nitridation method, there is no adverse effect on semiconductor device characteristics such as a reduction in current driving capability due to the intrusion of nitrogen into a silicon semiconductor substrate. Further, since the oxide film is nitrided, boron atoms pass through the gate oxide film and reach the silicon semiconductor substrate by various heat treatments in a semiconductor device manufacturing process after the formation of the gate electrode, and the threshold voltage of the PMOS semiconductor element is reduced. A phenomenon such as fluctuation can be reliably avoided.

【0043】[0043]

【実施例】以下、図面を参照して、実施例に基づき本発
明を説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described based on embodiments with reference to the drawings.

【0044】(実施例1)本発明の方法の実施に適した
枚葉方式の酸化膜形成装置の概念図を図1に示す。この
酸化膜形成装置は、処理室10と、半導体層(実施例1
においてはシリコン半導体基板20)を載置するステー
ジ11と、処理室10の外部に配設された磁石13と、
処理室10の頂部に取り付けられたマイクロ波導波管1
4と、処理室10の頂部に配設されたガス導入部16
A,16B,16Cから構成されている。処理室10
は、プラズマ発生領域10Aと、反応領域10Bから構
成されている。また、シリコン半導体基板20を加熱す
るための加熱手段12であるランプがステージ11内に
納められている。マイクロ波導波管14にはマグネトロ
ン15が取り付けられ、マグネトロン15によって2.
45GHzのマイクロ波が生成させられ、マイクロ波導
波管14を介してかかるマイクロ波は処理室10のプラ
ズマ発生領域10Aに導入される。更には、ガス導入部
16A,16B,16Cのそれぞれから処理室10内に
水素ガス、酸素ガス、窒素ガスが導入される。また、処
理室10の側面に配設されたガス導入部17から処理室
10内に不活性ガス(例えば窒素ガス)が導入される。
処理室10内に導入された各種のガスは、処理室10の
下部に設けられたガス排気部18から系外に排気され
る。
(Embodiment 1) FIG. 1 shows a conceptual diagram of a single wafer type oxide film forming apparatus suitable for carrying out the method of the present invention. This oxide film forming apparatus includes a processing chamber 10 and a semiconductor layer (Example 1).
, A stage 11 on which a silicon semiconductor substrate 20) is mounted, a magnet 13 disposed outside the processing chamber 10,
Microwave waveguide 1 mounted on top of processing chamber 10
4 and a gas inlet 16 disposed at the top of the processing chamber 10.
A, 16B and 16C. Processing room 10
Is composed of a plasma generation region 10A and a reaction region 10B. Further, a lamp as heating means 12 for heating silicon semiconductor substrate 20 is housed in stage 11. A magnetron 15 is attached to the microwave waveguide 14, and 2.
A microwave of 45 GHz is generated, and the microwave is introduced into the plasma generation region 10A of the processing chamber 10 via the microwave waveguide 14. Further, hydrogen gas, oxygen gas, and nitrogen gas are introduced into the processing chamber 10 from each of the gas introduction units 16A, 16B, and 16C. In addition, an inert gas (for example, nitrogen gas) is introduced into the processing chamber 10 from a gas introduction unit 17 provided on a side surface of the processing chamber 10.
Various gases introduced into the processing chamber 10 are exhausted out of the system from a gas exhaust unit 18 provided in a lower part of the processing chamber 10.

【0045】実施例1においては、半導体層としてシリ
コン半導体基板を用いた。また、実施例1においては、
酸化膜の形成を、半導体層の表面から半導体層を主に構
成する原子が脱離しない温度にて半導体層の表面に酸化
膜の形成を開始した後、所定の期間、半導体層の表面か
ら半導体層を主に構成する原子が脱離しない温度範囲に
半導体層を保持して酸化膜を形成する第1の酸化膜形成
工程と、半導体層の表面から半導体層を主に構成する原
子が脱離しない温度範囲よりも高い温度にて、所望の厚
さになるまで酸化膜を更に形成する第2の酸化膜形成工
程から構成した。図1に示した酸化膜形成装置を用いた
本発明の酸化膜の形成方法及びp形半導体素子の製造方
法を、以下、シリコン半導体基板20等の模式的な一部
断面図である図2を参照して説明する。
In Example 1, a silicon semiconductor substrate was used as a semiconductor layer. In the first embodiment,
After the oxide film is formed on the surface of the semiconductor layer at a temperature at which atoms mainly constituting the semiconductor layer do not desorb from the surface of the semiconductor layer, the oxide film is formed from the surface of the semiconductor layer for a predetermined period. A first oxide film forming step of forming an oxide film while maintaining the semiconductor layer in a temperature range in which atoms mainly constituting the layer do not desorb, and removing atoms mainly forming the semiconductor layer from the surface of the semiconductor layer. A second oxide film forming step of further forming an oxide film at a temperature higher than the non-existent temperature range until a desired thickness is obtained. The method of forming an oxide film and the method of manufacturing a p-type semiconductor device of the present invention using the oxide film forming apparatus shown in FIG. 1 will be described below with reference to FIG. It will be described with reference to FIG.

【0046】[工程−100]先ず、リンをドープした
直径8インチのN型シリコンウエハ(CZ法にて作製)
であるシリコン半導体基板20に、公知の方法でLOC
OS構造を有する素子分離領域21を形成し、次いでウ
エルイオン注入、チャネルストップイオン注入、閾値調
整イオン注入を行う。尚、素子分離領域はトレンチ構造
を有していてもよいし、LOCOS構造とトレンチ構造
の組み合わせであってもよい。その後、RCA洗浄によ
りシリコン半導体基板20の表面の微粒子や金属不純物
を除去し、次いで、0.1%フッ化水素酸水溶液及び純
水によるシリコン半導体基板20の表面洗浄を行い、シ
リコン半導体基板20の表面を露出させる(図2の
(A)参照)。尚、シリコン半導体基板20の表面は大
半が水素で終端しており、極一部がフッ素で終端されて
いる。
[Step-100] First, an N-type silicon wafer doped with phosphorus and having a diameter of 8 inches (prepared by the CZ method)
LOC is formed on the silicon semiconductor substrate 20 by a known method.
An element isolation region 21 having an OS structure is formed, and then well ion implantation, channel stop ion implantation, and threshold adjustment ion implantation are performed. Note that the element isolation region may have a trench structure or a combination of a LOCOS structure and a trench structure. Thereafter, fine particles and metal impurities on the surface of the silicon semiconductor substrate 20 are removed by RCA cleaning, and then the surface of the silicon semiconductor substrate 20 is cleaned with a 0.1% aqueous hydrofluoric acid solution and pure water. The surface is exposed (see FIG. 2A). The surface of the silicon semiconductor substrate 20 is mostly terminated with hydrogen, and a very small part is terminated with fluorine.

【0047】[工程−110]次に、シリコン半導体基
板20を、図1に示した酸化膜形成装置に図示しない扉
から搬入し、ステージ11に載置した後、ガス導入部1
7から不活性ガス(例えば窒素ガス)を処理室10内に
導入する。そして、加熱手段12によってシリコン半導
体基板20を300゜Cに加熱する。尚、この温度にお
いては、半導体層表面のSi−H結合は切断されない。
従って、半導体層(実施例1においてはシリコン半導体
基板)の表面に凹凸(荒れ)が生じることがない。
[Step-110] Next, the silicon semiconductor substrate 20 is loaded into the oxide film forming apparatus shown in FIG.
From 7, an inert gas (for example, nitrogen gas) is introduced into the processing chamber 10. Then, the silicon semiconductor substrate 20 is heated to 300 ° C. by the heating means 12. At this temperature, the Si—H bond on the surface of the semiconductor layer is not broken.
Therefore, no irregularities (roughness) are generated on the surface of the semiconductor layer (the silicon semiconductor substrate in the first embodiment).

【0048】[工程−120]その後、希釈用ガスとし
ての不活性ガス(例えば窒素ガス)をガス導入部17か
ら処理室10内に導入しながら、ガス導入部16A及び
ガス導入部16Bから処理室10内に水素ガス及び酸素
ガスを導入する。併せて、マグネトロン15にマイクロ
波電力を供給し、マグネトロン15にて生成した2.4
5GHzのマイクロ波をマイクロ波導波管14を介して
処理室10のプラズマ発生領域10Aに導入する。これ
によって、即ち、水素ガス及び酸素ガスに電磁波を照射
することによって、上述の式(1−1)〜(1−4)の
反応、及び式(2)、式(3)の反応が生じ、水蒸気が
生成する。発生した水蒸気は処理室10の下方に位置す
る反応領域10Bに到達し、加熱手段12によって加熱
された半導体層(具体的にはシリコン半導体基板20)
の表面が酸化される。こうして、半導体層の表面に酸化
膜(実施例1においてはシリコン酸化膜)を形成するこ
とができる。酸化膜の形成条件を、以下の表1に例示す
る。尚、この第1の酸化膜形成工程において、厚さ1n
mの酸化膜を形成する。
[Step-120] Then, while introducing an inert gas (for example, nitrogen gas) as a diluting gas into the processing chamber 10 from the gas introducing section 17, the gas is introduced from the gas introducing section 16A and the gas introducing section 16B to the processing chamber. Hydrogen gas and oxygen gas are introduced into 10. At the same time, microwave power is supplied to the magnetron 15 and the 2.4 generated by the magnetron 15 is generated.
A microwave of 5 GHz is introduced into the plasma generation region 10A of the processing chamber 10 via the microwave waveguide 14. Thus, that is, by irradiating the hydrogen gas and the oxygen gas with the electromagnetic waves, the reactions of the above-described equations (1-1) to (1-4) and the reactions of the equations (2) and (3) occur. Water vapor is generated. The generated steam reaches the reaction region 10B located below the processing chamber 10 and is heated by the heating means 12 in the semiconductor layer (specifically, the silicon semiconductor substrate 20).
Is oxidized. Thus, an oxide film (a silicon oxide film in Example 1) can be formed on the surface of the semiconductor layer. Table 1 shows the conditions for forming the oxide film. In the first oxide film forming step, a thickness of 1 n
An oxide film of m is formed.

【0049】[0049]

【表1】 マイクロ波電力 :10kW マイクロ波周波数:2.45GHz 酸素ガス流量 :10SLM 水素ガス流量 :0.2SLM 不活性ガス流量 :10SLM 基板温度 :300゜C[Table 1] Microwave power: 10 kW Microwave frequency: 2.45 GHz Oxygen gas flow rate: 10 SLM Hydrogen gas flow rate: 0.2 SLM Inert gas flow rate: 10 SLM Substrate temperature: 300 ° C.

【0050】[工程−130]その後、マグネトロン1
5へのマイクロ波電力の供給、処理室10への水素ガス
及び酸素ガスの導入を中止し、ガス導入部17からの不
活性ガスの処理室10内への導入を継続しながら、加熱
手段12によってシリコン半導体基板を800゜Cまで
昇温する。尚、半導体層の表面に既に酸化膜が形成され
ているので、この昇温工程において半導体層(実施例1
においてはシリコン半導体基板)の表面に凹凸(荒れ)
が生じることがない。次いで、再び、ガス導入部16A
及びガス導入部16Bから処理室10内に水素ガス及び
酸素ガスを導入する。併せて、再び、マグネトロン15
にマイクロ波電力を供給し、マグネトロン15にて生成
した2.45GHzのマイクロ波をマイクロ波導波管1
4を介して処理室10のプラズマ発生領域10Aに導入
する。これによって、即ち、水素ガス及び酸素ガスに電
磁波を照射することによって、上述の式(1−1)〜
(1−4)の反応、及び式(2)、式(3)の反応が生
じ、水蒸気が生成する。発生した水蒸気は処理室10の
下方に位置する反応領域10Bに到達し、加熱手段12
によって加熱された半導体層(具体的にはシリコン半導
体基板)の表面を更に酸化する。こうして、半導体層の
表面に総厚4nmの酸化膜(実施例1においてはシリコ
ン酸化膜)を形成する。この第2の酸化膜形成工程にお
ける酸化膜の形成条件を、以下の表2に例示する。
[Step-130] Then, the magnetron 1
The supply of the microwave power to the processing chamber 5 and the introduction of the hydrogen gas and the oxygen gas into the processing chamber 10 are stopped, and the introduction of the inert gas from the gas inlet 17 into the processing chamber 10 is continued. To raise the temperature of the silicon semiconductor substrate to 800 ° C. Since an oxide film is already formed on the surface of the semiconductor layer, the semiconductor layer (Example 1)
(Silicon semiconductor substrate) has irregularities (roughness) on the surface
Does not occur. Then, again, the gas introduction unit 16A
And, a hydrogen gas and an oxygen gas are introduced into the processing chamber 10 from the gas introduction unit 16B. At the same time, magnetron 15
Is supplied with microwave power, and the microwave of 2.45 GHz generated by the magnetron 15 is supplied to the microwave waveguide 1.
4 and is introduced into the plasma generation region 10 </ b> A of the processing chamber 10. Thus, that is, by irradiating the hydrogen gas and the oxygen gas with electromagnetic waves,
The reaction of (1-4) and the reactions of formulas (2) and (3) occur, and steam is generated. The generated steam reaches the reaction region 10B located below the processing chamber 10 and is heated by the heating means 12B.
Then, the surface of the semiconductor layer (specifically, the silicon semiconductor substrate) heated is further oxidized. Thus, an oxide film (a silicon oxide film in Example 1) having a total thickness of 4 nm is formed on the surface of the semiconductor layer. Table 2 below shows conditions for forming an oxide film in the second oxide film forming step.

【0051】[0051]

【表2】 マイクロ波電力 :10kW マイクロ波周波数:2.45GHz 酸素ガス流量 :10SLM 水素ガス流量 :0.2SLM 不活性ガス流量 :10SLM 基板温度 :800゜C[Table 2] Microwave power: 10 kW Microwave frequency: 2.45 GHz Oxygen gas flow rate: 10 SLM Hydrogen gas flow rate: 0.2 SLM Inert gas flow rate: 10 SLM Substrate temperature: 800 ° C.

【0052】[工程−140]酸化膜の形成完了後、マ
グネトロン15へのマイクロ波電力の供給、処理室10
への水素ガス及び酸素ガスの導入を中止し、シリコン半
導体基板20を室温まで冷却する。次いで、ガス導入部
17からの不活性ガスの処理室10内への導入を中止す
る。その後、ガス導入部16Cから処理室10に、窒素
系ガスである窒素ガスを導入する。併せて、マグネトロ
ン15にマイクロ波電力を供給し、マグネトロン15に
て生成した2.45GHzのマイクロ波をマイクロ波導
波管14を介して処理室10のプラズマ発生領域10A
に導入する。これによって、即ち、窒素ガスに電磁波を
照射することによって上述の式(4−1)〜(4−4)
の反応にて生成した励起状態の窒素分子若しくは窒素分
子イオンが処理室10の下方に位置する反応領域10B
に到達し、酸化膜(具体的にはシリコン酸化膜)の表面
が窒化される。こうして、表面が窒化された酸化膜22
(実施例1においてはシリコン酸化膜であり、ゲート酸
化膜に相当する)を半導体層の表面に形成することがで
きる。この状態を図2の(B)に模式的に示す。尚、図
においては酸化膜の窒化された部分の図示を省略した。
窒化の条件を、以下の表3に例示する。尚、シリコン半
導体基板の温度を室温にする理由は、窒化処理において
窒素原子がシリコン半導体基板内に拡散することを抑制
するためである。
[Step-140] After the formation of the oxide film is completed, supply of microwave power to the magnetron 15 and the processing chamber 10
The introduction of hydrogen gas and oxygen gas into the semiconductor substrate is stopped, and the silicon semiconductor substrate 20 is cooled to room temperature. Next, the introduction of the inert gas from the gas introduction unit 17 into the processing chamber 10 is stopped. Thereafter, a nitrogen gas, which is a nitrogen-based gas, is introduced into the processing chamber 10 from the gas introduction unit 16C. At the same time, microwave power is supplied to the magnetron 15 and the microwave of 2.45 GHz generated by the magnetron 15 is passed through the microwave waveguide 14 to the plasma generation region 10A of the processing chamber 10.
To be introduced. Thus, that is, by irradiating the nitrogen gas with an electromagnetic wave, the above equations (4-1) to (4-4) are obtained.
In the reaction region 10B in which the excited state nitrogen molecule or nitrogen molecule ion generated by the
And the surface of the oxide film (specifically, the silicon oxide film) is nitrided. Thus, the oxide film 22 whose surface is nitrided
(In the first embodiment, a silicon oxide film, which corresponds to a gate oxide film) can be formed on the surface of the semiconductor layer. This state is schematically shown in FIG. In the drawing, the illustration of the nitrided portion of the oxide film is omitted.
Table 3 shows the conditions of nitriding. The reason for setting the temperature of the silicon semiconductor substrate to room temperature is to suppress diffusion of nitrogen atoms into the silicon semiconductor substrate in the nitriding treatment.

【0053】[0053]

【表3】 マイクロ波電力 :1kW マイクロ波周波数:2.45GHz 窒素ガス流量 :0.4SLM 圧力 :0.16Pa 基板温度 :室温(25゜C)[Table 3] Microwave power: 1 kW Microwave frequency: 2.45 GHz Nitrogen gas flow rate: 0.4 SLM Pressure: 0.16 Pa Substrate temperature: room temperature (25 ° C.)

【0054】[工程−150]その後、酸化膜形成装置
から半導体層を搬出し、次いで、公知のCVD装置に半
導体層を搬入する。そして、全面に不純物を含んでいな
いシリコン層(実施例1においてはポリシリコン層)を
CVD法にて成膜する。次いで、フォトリソグラフィ技
術及びドライエッチング技術に基づきシリコン層をパタ
ーニングする。そして、シリコン層及びシリコン半導体
基板にボロンイオンをイオン注入法にて注入する。これ
によって、ゲート酸化膜上にp形不純物を含むシリコン
層(具体的にはポリシリコン層)から成るゲート電極2
3を形成することができ、併せて、LDD構造を形成す
ることができる(図2の(C)参照)。
[Step-150] Thereafter, the semiconductor layer is unloaded from the oxide film forming apparatus, and then the semiconductor layer is loaded into a known CVD apparatus. Then, a silicon layer containing no impurities (a polysilicon layer in the first embodiment) is formed on the entire surface by a CVD method. Next, the silicon layer is patterned based on a photolithography technique and a dry etching technique. Then, boron ions are implanted into the silicon layer and the silicon semiconductor substrate by an ion implantation method. As a result, the gate electrode 2 made of a silicon layer containing a p-type impurity (specifically, a polysilicon layer) is formed on the gate oxide film.
3 can be formed, and at the same time, an LDD structure can be formed (see FIG. 2C).

【0055】[工程−160]次に、全面に絶縁膜を形
成し、異方性ドライエッチング技術に基づき絶縁膜をエ
ッチングして、ゲート電極23の側壁にサイドウオール
24を形成する。次いで、ソース/ドレイン領域25を
形成するために、シリコン半導体基板にボロンイオンを
イオン注入法にて注入した後、イオン注入された不純物
の活性化熱処理を行う。その後、全面に絶縁層26をC
VD法にて成膜し、ソース/ドレイン領域25の上方の
絶縁層26に開口部を設け、かかる開口部内を含む絶縁
層26の上に配線材料層をスパッタ法にて形成し、配線
材料層をパターニングすることによって配線27を形成
し、図2の(D)に模式的な一部断面図を示すp形半導
体素子を得ることができる。
[Step-160] Next, an insulating film is formed on the entire surface, and the insulating film is etched by an anisotropic dry etching technique to form a sidewall 24 on the side wall of the gate electrode 23. Next, in order to form the source / drain regions 25, boron ions are implanted into the silicon semiconductor substrate by an ion implantation method, and then activation heat treatment of the ion-implanted impurities is performed. Then, an insulating layer 26 is
An opening is provided in the insulating layer 26 above the source / drain region 25, and a wiring material layer is formed on the insulating layer 26 including the inside of the opening by a sputtering method. Is patterned to form a wiring 27, and a p-type semiconductor element whose schematic partial cross-sectional view is shown in FIG. 2D can be obtained.

【0056】(実施例2)実施例2は、実施例1の酸化
膜の形成方法及びp形半導体素子の製造方法の変形であ
る。実施例2が実施例1と相違する点は、半導体層の表
面に酸化膜を形成する工程と、酸化膜の表面を窒化する
工程との間で、形成された酸化膜に熱処理を施す点にあ
る。以下、実施例2の酸化膜の形成方法及びp形半導体
素子の製造方法を説明する。尚、実施例2においても図
1に示した酸化膜形成装置を用いる。
Embodiment 2 Embodiment 2 is a modification of the method for forming an oxide film and the method for manufacturing a p-type semiconductor device of Embodiment 1. Example 2 differs from Example 1 in that a heat treatment is performed on the formed oxide film between the step of forming an oxide film on the surface of the semiconductor layer and the step of nitriding the surface of the oxide film. is there. Hereinafter, a method for forming an oxide film and a method for manufacturing a p-type semiconductor device according to the second embodiment will be described. Incidentally, the oxide film forming apparatus shown in FIG.

【0057】[工程−200]実施例1の[工程−10
0]〜[工程−130]と同様の工程を実行することに
よって、半導体層(実施例2においてはシリコン半導体
基板)の表面に総厚4nmの酸化膜(実施例2において
はシリコン酸化膜)を形成する。
[Step-200] [Step-10] of Example 1
0] to [Step-130], an oxide film having a total thickness of 4 nm (the silicon oxide film in the second embodiment) is formed on the surface of the semiconductor layer (the silicon semiconductor substrate in the second embodiment). Form.

【0058】[工程−210]その後、マグネトロン1
5へのマイクロ波電力の供給、処理室10への水素ガス
及び酸素ガスの導入を中止し、ガス導入部17からの不
活性ガスの処理室10内への導入を継続しながら、加熱
手段12によってシリコン半導体基板を850゜Cまで
昇温する。次いで、塩化水素ガスを0.1容量%含有す
る窒素ガスをガス導入部17から処理室10内に導入
し、5分間、熱処理を行う。これによって、タイムゼロ
絶縁破壊(TZDB)特性及び経時絶縁破壊(TDD
B)特性に優れた酸化膜を得ることができる。
[Step-210] Then, the magnetron 1
The supply of the microwave power to the processing chamber 5 and the introduction of the hydrogen gas and the oxygen gas into the processing chamber 10 are stopped, and the introduction of the inert gas from the gas inlet 17 into the processing chamber 10 is continued. To raise the temperature of the silicon semiconductor substrate to 850 ° C. Next, nitrogen gas containing 0.1% by volume of hydrogen chloride gas is introduced into the processing chamber 10 from the gas introduction unit 17 and heat treatment is performed for 5 minutes. As a result, time-zero dielectric breakdown (TZDB) characteristics and time-dependent dielectric breakdown (TDD)
B) An oxide film having excellent characteristics can be obtained.

【0059】[工程−220]その後、ガス導入部17
からの塩化水素ガスを0.1容量%含有する窒素ガスの
処理室10への導入を中止し、ガス導入部17から不活
性ガス(例えば窒素ガス)を処理室10へ導入する。そ
して、シリコン半導体基板を室温まで冷却した後、実施
例1の[工程−140]〜[工程−160]と同様の工
程を実行することによって、p形半導体素子を得ること
ができる。
[Step-220] Thereafter, the gas introduction unit 17
The introduction of nitrogen gas containing 0.1% by volume of hydrogen chloride gas into the processing chamber 10 is stopped, and an inert gas (for example, nitrogen gas) is introduced into the processing chamber 10 from the gas introduction unit 17. Then, after the silicon semiconductor substrate is cooled to room temperature, the same steps as [Step-140] to [Step-160] of the first embodiment are performed, whereby a p-type semiconductor element can be obtained.

【0060】以上、本発明を好ましい実施例に基づき説
明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるもので
はない。実施例にて説明した各種の条件や酸化膜形成装
置の構造は例示であり、適宜変更することができる。
Although the present invention has been described based on the preferred embodiments, the present invention is not limited to these embodiments. The various conditions and the structure of the oxide film forming apparatus described in the embodiments are merely examples, and can be appropriately changed.

【0061】例えば、実施例1の[工程−130]にお
いて、マグネトロン15へのマイクロ波電力の供給、処
理室10への水素ガス及び酸素ガスの導入を中止するこ
となく加熱手段12によってシリコン半導体基板を80
0゜Cまで昇温してもよい。また、実施例2の[工程−
210]において、不活性ガス(例えば窒素ガス)をガ
ス導入部17から処理室10内に導入しつつシリコン半
導体基板の温度を加熱手段によって850゜Cまで昇温
したが、その代わりに、例えば塩化水素ガスを0.1容
量%含有する不活性ガス(例えば窒素ガス)をガス導入
部17から処理室10内に導入しつつ、シリコン半導体
基板の温度を加熱手段によって850゜Cまで昇温して
もよい。更には、第1の酸化膜形成工程、昇温工程、第
2の酸化膜形成工程のそれぞれにおける雰囲気に、例え
ば塩化水素ガスを含ませてもよい。
For example, in [Step-130] of the first embodiment, the supply of the microwave power to the magnetron 15 and the introduction of the hydrogen gas and the oxygen gas into the processing chamber 10 are not interrupted by the heating means 12 without stopping the silicon semiconductor substrate. To 80
The temperature may be raised to 0 ° C. Further, [Step-
210], the temperature of the silicon semiconductor substrate was raised to 850 ° C. by a heating means while introducing an inert gas (for example, nitrogen gas) from the gas introduction unit 17 into the processing chamber 10. The temperature of the silicon semiconductor substrate was raised to 850 ° C. by a heating unit while introducing an inert gas (for example, nitrogen gas) containing 0.1% by volume of hydrogen gas into the processing chamber 10 from the gas introduction unit 17. Is also good. Further, the atmosphere in each of the first oxide film forming step, the temperature raising step, and the second oxide film forming step may include, for example, a hydrogen chloride gas.

【0062】実施例においては、専らシリコン半導体基
板の表面にシリコン酸化膜を形成したが、本発明の酸化
膜の形成方法に基づき、基板の上に成膜されたエピタキ
シャルシリコン層にシリコン酸化膜を形成することもで
きるし、基板の上に形成された絶縁層の上に成膜された
ポリシリコン層あるいはアモルファスシリコン層等の表
面にシリコン酸化膜を形成することもできる。あるいは
又、SOI構造におけるシリコン層の表面にシリコン酸
化膜を形成してもよいし、半導体素子や半導体素子の構
成要素が形成された基板やこれらの上に成膜されたシリ
コン層の表面にシリコン酸化膜を形成してもよい。更に
は、半導体素子や半導体素子の構成要素が形成された基
板やこれらの上に成膜された下地絶縁層の上に形成され
たシリコン層の表面にシリコン酸化膜を形成してもよ
い。窒化処理を含む酸化膜の形成は、枚葉方式だけでな
く、複数の半導体層を同時に処理するバッチ方式にて行
うこともできる。
In the embodiment, the silicon oxide film is formed exclusively on the surface of the silicon semiconductor substrate. However, the silicon oxide film is formed on the epitaxial silicon layer formed on the substrate based on the oxide film forming method of the present invention. It can be formed, or a silicon oxide film can be formed on the surface of a polysilicon layer or an amorphous silicon layer formed on an insulating layer formed on a substrate. Alternatively, a silicon oxide film may be formed on the surface of a silicon layer in an SOI structure, or a silicon element may be formed on a substrate on which a semiconductor element or a component of the semiconductor element is formed, or on a surface of a silicon layer formed thereon. An oxide film may be formed. Furthermore, a silicon oxide film may be formed on a surface of a silicon element formed on a substrate on which a semiconductor element or a component of the semiconductor element is formed, or a base insulating layer formed on the substrate. The formation of the oxide film including the nitriding treatment can be performed not only in a single wafer process but also in a batch process in which a plurality of semiconductor layers are simultaneously processed.

【0063】あるいは又、実施例において0.1%フッ
化水素酸水溶液及び純水により半導体層の表面洗浄を行
った後、半導体層を酸化膜形成装置に搬入したが、半導
体層の表面洗浄から酸化膜形成装置への搬入までの雰囲
気を、不活性ガス(例えば窒素ガス)雰囲気としてもよ
い。尚、このような雰囲気は、例えば、半導体層の表面
洗浄装置の雰囲気を不活性ガス雰囲気とし、且つ、不活
性ガスが充填された搬送用ボックス内に半導体層(例え
ばシリコン半導体基板)を納めて酸化膜形成装置に搬入
する方法や、図3に模式図を示すように、表面洗浄装
置、酸化膜形成装置、搬送路、ローダー及びアンローダ
ーから構成されたクラスターツール装置を用い、表面洗
浄装置から酸化膜形成装置までを搬送路で結び、かかる
表面洗浄装置、搬送路及び酸化膜形成装置の処理室の雰
囲気を不活性ガス雰囲気とする方法によって達成するこ
とができる。
Alternatively, in the example, after the surface of the semiconductor layer was washed with a 0.1% aqueous solution of hydrofluoric acid and pure water, the semiconductor layer was carried into the oxide film forming apparatus. The atmosphere before the transfer to the oxide film forming apparatus may be an inert gas (for example, nitrogen gas) atmosphere. Note that such an atmosphere may be, for example, an atmosphere of a semiconductor layer surface cleaning apparatus set to an inert gas atmosphere, and a semiconductor layer (for example, a silicon semiconductor substrate) placed in a transport box filled with an inert gas. As shown in the schematic diagram in FIG. 3, a method for loading the wafer into the oxide film forming apparatus, and a cluster tool apparatus including a surface cleaning apparatus, an oxide film forming apparatus, a transport path, a loader, and an unloader. This can be achieved by a method in which the path to the oxide film forming apparatus is connected by a transfer path, and the atmosphere in the surface cleaning apparatus, the transfer path, and the processing chamber of the oxide film forming apparatus is an inert gas atmosphere.

【0064】あるいは又、0.1%フッ化水素酸水溶液
及び純水により半導体層の表面洗浄を行う代わりに、表
4に例示する条件にて、無水フッ化水素ガスを用いた気
相洗浄法によって半導体層の表面洗浄を行ってもよい。
尚、パーティクルの発生防止のためにメタノールを添加
する。あるいは又、表5に例示する条件にて、塩化水素
ガスを用いた気相洗浄法によって半導体層の表面洗浄を
行ってもよい。尚、半導体層の表面洗浄開始前あるいは
表面洗浄完了後における表面洗浄装置内の雰囲気や搬送
路等内の雰囲気は、不活性ガス雰囲気としてもよいし、
例えば1.3×10-1Pa(10-3Torr)程度の真空雰
囲気としてもよい。尚、搬送路等内の雰囲気を真空雰囲
気とする場合には、半導体層を搬入する際の酸化膜形成
装置の処理室10の雰囲気を例えば1.3×10-1Pa
(10-3Torr)程度の真空雰囲気としておき、半導体層
の搬入完了後、処理室10の雰囲気を不活性ガス(例え
ば窒素ガス)雰囲気とすればよい。
Alternatively, instead of cleaning the surface of the semiconductor layer with a 0.1% hydrofluoric acid aqueous solution and pure water, a gas phase cleaning method using anhydrous hydrogen fluoride gas under the conditions shown in Table 4 May be used to clean the surface of the semiconductor layer.
Note that methanol is added to prevent generation of particles. Alternatively, the surface of the semiconductor layer may be cleaned by a vapor phase cleaning method using hydrogen chloride gas under the conditions exemplified in Table 5. Note that the atmosphere in the surface cleaning device or the atmosphere in the transfer path before the start of surface cleaning of the semiconductor layer or after completion of the surface cleaning may be an inert gas atmosphere,
For example, a vacuum atmosphere of about 1.3 × 10 −1 Pa (10 −3 Torr) may be used. If the atmosphere in the transfer path or the like is a vacuum atmosphere, the atmosphere in the processing chamber 10 of the oxide film forming apparatus when the semiconductor layer is carried in is set to, for example, 1.3 × 10 -1 Pa.
A vacuum atmosphere of about (10 −3 Torr) may be set, and after the transfer of the semiconductor layer is completed, the atmosphere of the processing chamber 10 may be set to an inert gas (eg, nitrogen gas) atmosphere.

【0065】[0065]

【表4】 無水フッ化水素ガス:300SCCM メタノール蒸気 :80SCCM 窒素ガス :1000SCCM 圧力 :0.3Pa 温度 :60゜C[Table 4] Anhydrous hydrogen fluoride gas: 300 SCCM Methanol vapor: 80 SCCM Nitrogen gas: 1000 SCCM Pressure: 0.3 Pa Temperature: 60 ° C

【0066】[0066]

【表5】 塩化水素ガス/窒素ガス:1容量% 温度 :800゜C[Table 5] Hydrogen chloride gas / nitrogen gas: 1% by volume Temperature: 800 ° C

【0067】これらの方法を採用することによって、酸
化膜の形成前に半導体層の表面を汚染等の無い状態に保
つことができる結果、形成された酸化膜中に水分や有機
物、あるいは又、例えばSi−OHが取り込まれ、形成
された酸化膜の特性が低下しあるいは欠陥部分が発生す
ることを、効果的に防ぐことができる。
By employing these methods, it is possible to keep the surface of the semiconductor layer free from contamination or the like before forming the oxide film. As a result, the formed oxide film contains moisture, organic substances, It is possible to effectively prevent Si-OH from being taken in, thereby lowering the characteristics of the formed oxide film or generating a defective portion.

【0068】先に説明したように、酸化膜の形成におい
ては、処理室10内に水素ガス及び酸素ガスを導入する
が、この際、水素ガスが処理室10内に流入し、系外に
流出することによって爆鳴気反応が生じることを防止す
るため、且つ、半導体層にドライ酸化膜が形成されるこ
とを防止するために、例えば、実施例1の[工程−12
0]において、ガス導入部17から処理室10内に例え
ば流量10SLMの希釈用ガスとしての不活性ガス(例
えば窒素ガス)を導入しながら、ガス導入部16Aから
処理室10内に流量0.2SLMの水素ガスを導入し、
その後、例えばガス導入部16Bから処理室10内に例
えば流量10SLMの酸素ガスを導入すればよい。次い
で、マグネトロン15にマイクロ波電力を供給し、マグ
ネトロン15にて生成した2.45GHzのマイクロ波
をマイクロ波導波管14を介して処理室10のプラズマ
発生領域10Aに導入する。このような操作によって、
水蒸気生成前の処理室10内における水素ガス濃度は十
分に低い値となり、爆鳴気反応が生じることを確実に防
止することができ、しかも、ドライ酸化膜の形成を確実
に防止することができる。
As described above, in forming an oxide film, hydrogen gas and oxygen gas are introduced into the processing chamber 10, and at this time, the hydrogen gas flows into the processing chamber 10 and flows out of the system. For example, in order to prevent a detonation reaction from occurring and prevent a dry oxide film from being formed on the semiconductor layer, for example, [Step-12] of Example 1
0], while introducing an inert gas (for example, nitrogen gas) as a diluting gas at a flow rate of 10 SLM from the gas introducing unit 17 into the processing chamber 10, a flow rate of 0.2 SLM from the gas introducing unit 16 A into the processing chamber 10. Of hydrogen gas,
Then, for example, oxygen gas at a flow rate of 10 SLM may be introduced into the processing chamber 10 from the gas introduction unit 16B. Next, microwave power is supplied to the magnetron 15, and the microwave of 2.45 GHz generated by the magnetron 15 is introduced into the plasma generation region 10A of the processing chamber 10 via the microwave waveguide 14. By such operation,
The hydrogen gas concentration in the processing chamber 10 before the generation of water vapor has a sufficiently low value, so that it is possible to reliably prevent the detonation reaction from occurring, and also to surely prevent the formation of a dry oxide film. .

【0069】[0069]

【発明の効果】本発明においては、本質的に1つの酸化
膜形成装置内で酸化膜若しくはゲート酸化膜の形成を行
うことが可能となり、酸化膜若しくはゲート酸化膜の形
成のための装置が1つで済み、装置構成を簡素化するこ
とができる。また、酸化速度が抑制・制御された状態で
水蒸気を容易に且つ確実に生成させることが可能とな
り、加湿酸化法にて薄い酸化膜を形成することができ
る。しかも、水蒸気を用いた酸化法によって酸化膜を形
成するので、優れた経時絶縁破壊(TDDB)特性を有
する酸化膜を得ることができる。加えて、酸化膜の表面
のみを窒化するので、電流駆動能力の低下等の半導体素
子特性への悪影響がない。更には、酸化膜を窒化するの
で、例えばゲート電極形成後の半導体装置製造工程にお
ける各種の熱処理によってp形不純物がゲート酸化膜を
通過して半導体層まで到達する結果、PMOS半導体素
子の閾値電圧が変動するといった現象を確実に回避する
ことができる。
According to the present invention, an oxide film or a gate oxide film can be formed essentially in one oxide film forming apparatus, and one apparatus for forming an oxide film or a gate oxide film is used. And the configuration of the apparatus can be simplified. In addition, it is possible to easily and surely generate water vapor in a state where the oxidation rate is suppressed and controlled, and a thin oxide film can be formed by the humidification oxidation method. In addition, since the oxide film is formed by an oxidation method using water vapor, an oxide film having excellent time-dependent dielectric breakdown (TDDB) characteristics can be obtained. In addition, since only the surface of the oxide film is nitrided, there is no adverse effect on the characteristics of the semiconductor device such as a reduction in current driving capability. Further, since the oxide film is nitrided, the p-type impurity reaches the semiconductor layer through the gate oxide film by various heat treatments in a semiconductor device manufacturing process after the formation of the gate electrode, for example, so that the threshold voltage of the PMOS semiconductor element is reduced. A phenomenon such as fluctuation can be reliably avoided.

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

【図1】本発明の方法の実施に適した酸化膜形成装置の
概念図である。
FIG. 1 is a conceptual diagram of an oxide film forming apparatus suitable for carrying out a method of the present invention.

【図2】実施例1の酸化膜の形成方法を説明するための
シリコン半導体基板等の模式的な一部断面図である。
FIG. 2 is a schematic partial cross-sectional view of a silicon semiconductor substrate and the like for describing a method of forming an oxide film of Example 1.

【図3】クラスターツール装置の模式図である。FIG. 3 is a schematic view of a cluster tool device.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10・・・処理室、10A・・・プラズマ発生領域、1
0B・・・反応領域、11・・・ステージ、12・・・
加熱手段、13・・・磁石、14・・・マイクロ波導波
管、15・・・マグネトロン、16A,16B,16
C,17・・・ガス導入部、18・・・ガス排気部、2
0・・・シリコン半導体基板、21・・・素子分離領
域、22・・・酸化膜(ゲート酸化膜)、23・・・ゲ
ート電極、24・・・サイドウオール、25・・・ソー
ス/ドレイン領域、26・・・絶縁層、27・・・配線
10 processing chamber, 10A plasma generation area, 1
OB: reaction area, 11: stage, 12:
Heating means, 13: magnet, 14: microwave waveguide, 15: magnetron, 16A, 16B, 16
C, 17: gas introduction section, 18: gas exhaust section, 2
0: silicon semiconductor substrate, 21: element isolation region, 22: oxide film (gate oxide film), 23: gate electrode, 24: sidewall, 25: source / drain region , 26 ... insulating layer, 27 ... wiring

Claims (28)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】(イ)水素ガス及び酸素ガスに電磁波を照
射することによって水蒸気を生成させ、該水蒸気を用い
て半導体層の表面を酸化し、以て半導体層の表面に酸化
膜を形成する工程と、 (ロ)窒素系ガスに電磁波を照射することによって生成
した励起状態の窒素分子若しくは窒素分子イオンにより
該酸化膜の表面を窒化する工程、から成ることを特徴と
する酸化膜の形成方法。
(A) irradiating a hydrogen gas and an oxygen gas with electromagnetic waves to generate water vapor, and using the water vapor to oxidize the surface of the semiconductor layer, thereby forming an oxide film on the surface of the semiconductor layer; And (b) nitriding the surface of the oxide film with excited nitrogen molecules or nitrogen molecule ions generated by irradiating the nitrogen-based gas with electromagnetic waves. .
【請求項2】電磁波はマイクロ波であることを特徴とす
る請求項1に記載の酸化膜の形成方法。
2. The method according to claim 1, wherein the electromagnetic waves are microwaves.
【請求項3】工程(イ)及び工程(ロ)を同一の処理室
内で行うことを特徴とする請求項1に記載の酸化膜の形
成方法。
3. The method according to claim 1, wherein the steps (a) and (b) are performed in the same processing chamber.
【請求項4】工程(イ)において、半導体層の表面から
半導体層を主に構成する原子が脱離しない温度に半導体
層を保持した状態にて、酸化膜の形成を開始することを
特徴とする請求項1に記載の酸化膜の形成方法。
4. The method according to claim 1, wherein in the step (a), formation of the oxide film is started while the semiconductor layer is maintained at a temperature at which atoms mainly constituting the semiconductor layer do not desorb from the surface of the semiconductor layer. The method for forming an oxide film according to claim 1.
【請求項5】半導体層の表面から半導体層を主に構成す
る原子が脱離しない温度は、半導体層表面を終端してい
る原子と半導体層を主に構成する原子との結合が切断さ
れない温度であることを特徴とする請求項4に記載の酸
化膜の形成方法。
5. The temperature at which atoms mainly constituting the semiconductor layer do not desorb from the surface of the semiconductor layer is the temperature at which bonds between atoms terminating at the surface of the semiconductor layer and atoms mainly constituting the semiconductor layer are not broken. The method for forming an oxide film according to claim 4, wherein:
【請求項6】半導体層を主に構成する原子はSiである
ことを特徴とする請求項5に記載の酸化膜の形成方法。
6. The method according to claim 5, wherein atoms mainly constituting the semiconductor layer are Si.
【請求項7】半導体層の表面から半導体層を主に構成す
る原子が脱離しない温度は、半導体層表面のSi−H結
合が切断されない温度であることを特徴とする請求項6
に記載の酸化膜の形成方法。
7. The temperature at which atoms mainly constituting the semiconductor layer do not desorb from the surface of the semiconductor layer is a temperature at which Si—H bonds on the surface of the semiconductor layer are not broken.
3. The method for forming an oxide film according to item 1.
【請求項8】半導体層の表面から半導体層を主に構成す
る原子が脱離しない温度は、半導体層表面のSi−F結
合が切断されない温度であることを特徴とする請求項6
に記載の酸化膜の形成方法。
8. The temperature at which atoms mainly constituting the semiconductor layer do not desorb from the surface of the semiconductor layer is a temperature at which Si—F bonds on the surface of the semiconductor layer are not broken.
3. The method for forming an oxide film according to item 1.
【請求項9】工程(イ)において、酸化膜の形成が完了
したときの半導体層の温度を、酸化膜の形成を開始する
際の半導体層の温度よりも高くすることを特徴とする請
求項4に記載の酸化膜の形成方法。
9. The process according to claim 1, wherein the temperature of the semiconductor layer when the formation of the oxide film is completed is higher than the temperature of the semiconductor layer when the formation of the oxide film is started. 5. The method for forming an oxide film according to 4.
【請求項10】工程(イ)と工程(ロ)の間で、形成さ
れた酸化膜に熱処理を施すことを特徴とする請求項1に
記載の酸化膜の形成方法。
10. The method for forming an oxide film according to claim 1, wherein a heat treatment is applied to the formed oxide film between the steps (a) and (b).
【請求項11】熱処理の雰囲気は、ハロゲン元素を含有
する不活性ガス雰囲気であることを特徴とする請求項1
0に記載の酸化膜の形成方法。
11. The heat treatment atmosphere is an inert gas atmosphere containing a halogen element.
0. The method for forming an oxide film according to item 0.
【請求項12】ハロゲン元素は塩素であることを特徴と
する請求項11に記載の酸化膜の形成方法。
12. The method for forming an oxide film according to claim 11, wherein the halogen element is chlorine.
【請求項13】塩素は塩化水素の形態であり、不活性ガ
ス中に含有される塩化水素の濃度は0.02乃至10容
量%であることを特徴とする請求項12に記載の酸化膜
の形成方法。
13. The oxide film according to claim 12, wherein the chlorine is in the form of hydrogen chloride, and the concentration of hydrogen chloride contained in the inert gas is 0.02 to 10% by volume. Forming method.
【請求項14】熱処理は700乃至950゜Cの温度で
行われることを特徴とする請求項10に記載の酸化膜の
形成方法。
14. The method according to claim 10, wherein the heat treatment is performed at a temperature of 700 to 950 ° C.
【請求項15】(A)半導体層の表面にゲート酸化膜を
形成する工程と、 (B)該ゲート酸化膜上にp形不純物を含むシリコン層
から成るゲート電極を形成する工程、を含むp形半導体
素子の製造方法であって、 工程(A)は、 (イ)水素ガス及び酸素ガスに電磁波を照射することに
よって水蒸気を生成させ、該水蒸気を用いて半導体層の
表面を酸化し、以て半導体層の表面に酸化膜を形成する
工程と、 (ロ)窒素系ガスに電磁波を照射することによって生成
した励起状態の窒素分子若しくは窒素分子イオンにより
該酸化膜の表面を窒化し、以てゲート酸化膜を形成する
工程、から成ることを特徴とするp形半導体素子の製造
方法。
15. A method comprising the steps of: (A) forming a gate oxide film on the surface of a semiconductor layer; and (B) forming a gate electrode made of a silicon layer containing a p-type impurity on the gate oxide film. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising: (a) irradiating a hydrogen gas and an oxygen gas with electromagnetic waves to generate water vapor, and oxidizing the surface of the semiconductor layer using the water vapor; Forming an oxide film on the surface of the semiconductor layer by (b) nitriding the surface of the oxide film with nitrogen molecules or nitrogen molecule ions in an excited state generated by irradiating a nitrogen-based gas with electromagnetic waves; Forming a gate oxide film.
【請求項16】電磁波はマイクロ波であることを特徴と
する請求項15に記載のp形半導体素子の製造方法。
16. The method according to claim 15, wherein the electromagnetic wave is a microwave.
【請求項17】工程(イ)及び工程(ロ)を同一の処理
室内で行うことを特徴とする請求項15に記載のp形半
導体素子の製造方法。
17. The method according to claim 15, wherein the steps (a) and (b) are performed in the same processing chamber.
【請求項18】工程(イ)において、半導体層の表面か
ら半導体層を主に構成する原子が脱離しない温度に半導
体層を保持した状態にて、酸化膜の形成を開始すること
を特徴とする請求項15に記載のp形半導体素子の製造
方法。
18. The method according to claim 18, wherein in the step (a), formation of the oxide film is started while the semiconductor layer is kept at a temperature at which atoms mainly constituting the semiconductor layer do not desorb from the surface of the semiconductor layer. The method for manufacturing a p-type semiconductor device according to claim 15, wherein
【請求項19】半導体層の表面から半導体層を主に構成
する原子が脱離しない温度は、半導体層表面を終端して
いる原子と半導体層を主に構成する原子との結合が切断
されない温度であることを特徴とする請求項18に記載
のp形半導体素子の製造方法。
19. The temperature at which atoms mainly constituting the semiconductor layer do not desorb from the surface of the semiconductor layer is the temperature at which bonds between atoms terminating the surface of the semiconductor layer and atoms mainly constituting the semiconductor layer are not broken. The method according to claim 18, wherein:
【請求項20】半導体層を主に構成する原子はSiであ
ることを特徴とする請求項19に記載のp形半導体素子
の製造方法。
20. The method according to claim 19, wherein atoms mainly constituting the semiconductor layer are Si.
【請求項21】半導体層の表面から半導体層を主に構成
する原子が脱離しない温度は、半導体層表面のSi−H
結合が切断されない温度であることを特徴とする請求項
20に記載のp形半導体素子の製造方法。
21. The temperature at which atoms mainly constituting the semiconductor layer do not desorb from the surface of the semiconductor layer depends on the Si—H on the surface of the semiconductor layer.
The method according to claim 20, wherein the temperature is a temperature at which the bond is not broken.
【請求項22】半導体層の表面から半導体層を主に構成
する原子が脱離しない温度は、半導体層表面のSi−F
結合が切断されない温度であることを特徴とする請求項
20に記載のp形半導体素子の製造方法。
22. The temperature at which atoms mainly constituting the semiconductor layer do not desorb from the surface of the semiconductor layer depends on the Si-F on the surface of the semiconductor layer.
The method according to claim 20, wherein the temperature is a temperature at which the bond is not broken.
【請求項23】工程(イ)において、酸化膜の形成が完
了したときの半導体層の温度を、酸化膜の形成を開始す
る際の雰囲気温度よりも高くすることを特徴とする請求
項18に記載のp形半導体素子の製造方法。
23. The method according to claim 18, wherein in the step (a), the temperature of the semiconductor layer when the formation of the oxide film is completed is higher than the ambient temperature when the formation of the oxide film is started. A manufacturing method of the p-type semiconductor device according to the above.
【請求項24】工程(イ)と工程(ロ)の間で、形成さ
れた酸化膜に熱処理を施すことを特徴とする請求項15
に記載のp形半導体素子の製造方法。
24. The method according to claim 15, wherein the formed oxide film is subjected to a heat treatment between the steps (a) and (b).
3. The method for manufacturing a p-type semiconductor device according to item 1.
【請求項25】熱処理の雰囲気は、ハロゲン元素を含有
する不活性ガス雰囲気であることを特徴とする請求項2
4に記載のp形半導体素子の製造方法。
25. The heat treatment atmosphere is an inert gas atmosphere containing a halogen element.
5. The method for manufacturing a p-type semiconductor device according to item 4.
【請求項26】ハロゲン元素は塩素であることを特徴と
する請求項25に記載のp形半導体素子の製造方法。
26. The method according to claim 25, wherein the halogen element is chlorine.
【請求項27】塩素は塩化水素の形態であり、不活性ガ
ス中に含有される塩化水素の濃度は0.02乃至10容
量%であることを特徴とする請求項26に記載のp形半
導体素子の製造方法。
27. The p-type semiconductor according to claim 26, wherein chlorine is in the form of hydrogen chloride, and the concentration of hydrogen chloride contained in the inert gas is 0.02 to 10% by volume. Device manufacturing method.
【請求項28】熱処理は700乃至950゜Cの温度で
行われることを特徴とする請求項24に記載のp形半導
体素子の製造方法。
28. The method according to claim 24, wherein the heat treatment is performed at a temperature of 700 to 950 ° C.
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