JPH11288933A - Method for forming insulation film and manufacture of p-type semiconductor element - Google Patents

Method for forming insulation film and manufacture of p-type semiconductor element

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JPH11288933A
JPH11288933A JP10057592A JP5759298A JPH11288933A JP H11288933 A JPH11288933 A JP H11288933A JP 10057592 A JP10057592 A JP 10057592A JP 5759298 A JP5759298 A JP 5759298A JP H11288933 A JPH11288933 A JP H11288933A
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semiconductor layer
insulating film
atmosphere
silicon
forming
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Toyotaka Kataoka
豊隆 片岡
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To avoid the reduction of a current drive capacity due to the infiltration of nitrogen atoms into a channel formation region by forming an insulation film by a first process for heat-treating a semiconductor layer in a nitriding atmosphere, where an atmospheric temperature is determined to be at a specific range and a second process for heat-treating the semiconductor layer in an oxidizing atmosphere. SOLUTION: In a first process, a semiconductor layer 10 is heat-treated (nitriding treatment) in a nitriding atmosphere at an atmospheric temperature of 200-500 deg.C, thus forming an extremely thin nitride film on the surface of the semiconductor layer 10. By heat-treating (oxidation treatment) the semiconductor layer 10 in an oxidizing atmosphere in a second process, the oxidation of the semiconductor layer 10 advances due to the oxidation seed through a nitriding film such as a silicon nitriding film, thus forming an oxide film such as a silicon oxide film on the semiconductor film 10 in the interface between the nitriding film and the semiconductor layer. In this manner, by forming an insulating film 2 in two stages, the amount of nitriding atom contained in the insulation film near the surface of the semiconductor layer can be reduced.

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、絶縁膜の形成方
法、及び、かかる絶縁膜の形成方法を適用した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 insulating film and a method for manufacturing a p-type semiconductor device using the method for forming an insulating film.

【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半導体装置の製造においては、例えばシリコン酸
化膜から成るゲート絶縁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(TF
T)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、例えばシリコン酸化膜から成るゲー
ト絶縁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。特に、デザ
インルールが0.13μm以降のMOS半導体装置にお
いては、ゲート絶縁膜の膜厚を4nm以下にすることが
要求され、このような極薄のゲート絶縁膜には一層優れ
た特性が要求される。
2. Description of the Related Art For example, in manufacturing a MOS semiconductor device based on a silicon semiconductor substrate, it is necessary to form a gate insulating film made of, for example, a silicon oxide film on the surface of the silicon semiconductor substrate. In addition, a thin film transistor (TF
In the manufacture of T), it is necessary to form a gate insulating film made of, for example, a silicon oxide film on the surface of the silicon layer provided on the 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. In particular, in a MOS semiconductor device having a design rule of 0.13 μm or less, the thickness of the gate insulating film is required to be 4 nm or less, and such an extremely thin gate insulating film is required to have more excellent characteristics. You.

【0003】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源電圧化が図られており、そ
のために、pチャネル型MOS半導体素子(以下、pM
OS半導体素子と呼ぶ)とnチャネル型MOS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
シリコン薄膜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薄膜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絶縁膜を通過し、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、低電源電圧
化のためにゲート絶縁膜を一層薄くした場合、一層顕著
に現れる。
Recently, in CMOS transistors,
To reduce power consumption, a low power supply voltage has been attempted. For this reason, a p-channel MOS semiconductor device (hereinafter referred to as pM
A sufficiently low and symmetric threshold voltage is required for an n-channel MOS semiconductor device. In order to cope with such a demand, in a pMOS semiconductor device, a gate electrode composed of a polysilicon thin film containing a p-type impurity is replaced with a gate electrode composed of a polysilicon thin film containing an n-type impurity. Is used. However, boron atoms (B), which are commonly used p-type impurities, easily pass through the gate insulating film from the gate electrode to the silicon semiconductor substrate by various heat treatments in a semiconductor device manufacturing process after the formation of the gate electrode. , The threshold voltage of the pMOS semiconductor element is varied. Such a phenomenon appears more remarkably when the gate insulating film is made thinner to reduce the power supply voltage.

【0004】シリコン半導体基板を窒化処理し、その
後、シリコン半導体基板に対して酸化処理を行うことに
よって、窒素原子をゲート絶縁膜中へ導入する技術が、
例えば、文献1 "Evaluation of Interfacial Nitrogen
Concentration of RTP Oxynitrides by Reoxidation",
Y. Okada, et al., J. Electrochem. Soc., Vol. 140,
No. 6, June 1993, ppL87-L89 に開示されている。ま
た、ボロン原子(B)がゲート電極からゲート絶縁膜を
通過し、シリコン半導体基板にまで到達する現象(ボロ
ン原子の突き抜け現象と呼ぶ)を抑制するための技術と
して、窒素原子をゲート絶縁膜中に導入する技術が、例
えば、文献2 「極薄Si直接窒化・酸化ゲート絶縁膜
の評価」, 青山敬幸 他、信学技報 SDM93-58, 1993-0
7, pp15-22に開示されている。
A technique of introducing a nitrogen atom into a gate insulating film by nitriding a silicon semiconductor substrate and thereafter performing an oxidation process on the silicon semiconductor substrate has been proposed.
For example, reference 1 "Evaluation of Interfacial Nitrogen
Concentration of RTP Oxynitrides by Reoxidation ",
Y. Okada, et al., J. Electrochem. Soc., Vol. 140,
No. 6, June 1993, ppL87-L89. As a technique for suppressing a phenomenon in which boron atoms (B) pass from the gate electrode through the gate insulating film and reach the silicon semiconductor substrate (referred to as a boron atom penetration phenomenon), nitrogen atoms are contained in the gate insulating film. For example, the technique introduced in Ref. 2 “Evaluation of ultra-thin Si direct nitridation / oxide gate insulating film”, Takayuki Aoyama et al., IEICE Technical Report SDM93-58, 1993-0
7, pp15-22.

【0005】通常、窒素原子のゲート絶縁膜中への導入
は、窒素原子を構成原子の1つとする反応性ガス雰囲気
中でシリコン半導体基板を熱処理することによって行わ
れる。具体的には、先ず、シリコン半導体基板の表面に
シリコン酸化膜を形成し、その後、NH3ガスあるいは
2Oガス雰囲気中でシリコン酸化膜を熱処理する。以
下、このような方法を、便宜上、従来の第1の方法と呼
ぶ。あるいは又、上述の文献1においては、先ず、雰囲
気温度1100゜CのN2Oガス100%雰囲気中で、
シリコン半導体基板を熱処理(窒化処理)し、その後、
シリコン半導体基板に対して85分間、酸化処理を行
う。以下、このような方法を、便宜上、従来の第2の方
法と呼ぶ。上述の文献2においては、先ず、例えば、5
%−NH3/Ar(760トル)、550゜Cの雰囲気
中でシリコン半導体基板を10分間、窒化処理し、次い
で、10%−O2/Ar(760トル)、1000゜C
の雰囲気中で、60〜90分間、酸化処理を行う。以
下、このような方法を、便宜上、従来の第3の方法と呼
ぶ。
Usually, nitrogen atoms are introduced into a gate insulating film by heat-treating a silicon semiconductor substrate in a reactive gas atmosphere in which nitrogen atoms are one of the constituent atoms. Specifically, first, a silicon oxide film is formed on the surface of the silicon semiconductor substrate, and then the silicon oxide film is subjected to a heat treatment in an NH 3 gas or N 2 O gas atmosphere. Hereinafter, such a method is referred to as a conventional first method for convenience. Alternatively, in the above document 1, first, in an atmosphere of N 2 O gas 100% at an atmospheric temperature of 1100 ° C.,
Heat-treating (nitriding) the silicon semiconductor substrate, and then
An oxidation process is performed on the silicon semiconductor substrate for 85 minutes. Hereinafter, such a method is referred to as a second conventional method for convenience. In the above-mentioned document 2, first, for example, 5
% -NH 3 / Ar (760 torr), nitriding the silicon semiconductor substrate in an atmosphere of 550 ° C. for 10 minutes, and then 10% -O 2 / Ar (760 torr), 1000 ° C.
Oxidation treatment is performed in the atmosphere of 60 to 90 minutes. Hereinafter, such a method is referred to as a conventional third method for convenience.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】ところが、従来の第1
の方法にて得られるゲート絶縁膜においては、図6にS
IMS分析結果を示すように、ゲート絶縁膜とシリコン
半導体基板表面の界面(即ち、ゲート絶縁膜とチャネル
形成領域の界面)近傍のゲート絶縁膜中に窒素原子が多
く存在し、これに起因して、pMOS半導体素子の電流
駆動能力の低下が生じるという問題がある。
SUMMARY OF THE INVENTION However, the conventional first
In the gate insulating film obtained by the method of FIG.
As shown by the IMS analysis results, many nitrogen atoms are present in the gate insulating film near the interface between the gate insulating film and the surface of the silicon semiconductor substrate (that is, the interface between the gate insulating film and the channel formation region). In addition, there is a problem that the current driving capability of the pMOS semiconductor element is reduced.

【0007】一方、従来の第2の方法にて得られるゲー
ト絶縁膜においては、文献1の Fig.4 に示されている
ように、窒素原子を多く含むゲート絶縁膜の領域がシリ
コン半導体基板側よりもゲート絶縁膜表面側に位置する
ものの、ゲート絶縁膜の厚さは20nm程度もある。従
って、前述の文献1に記載された従来の第2の方法で
は、ゲート絶縁膜を薄膜化することは困難である。従来
の第3の方法にて得られるゲート絶縁膜においては、文
献2の図2に示されているように、ゲート絶縁膜とシリ
コン半導体基板表面の界面(即ち、ゲート絶縁膜とチャ
ネル形成領域の界面)近傍まで、ゲート絶縁膜の深さ方
向に窒素原子が均一に含まれているため、ゲート絶縁膜
の形成条件に依っては、pMOS半導体素子の電流駆動
能力の低下が生じる虞がある。
On the other hand, in the gate insulating film obtained by the second conventional method, as shown in FIG. 4 of Document 1, the region of the gate insulating film containing a large amount of nitrogen atoms is located on the silicon semiconductor substrate side. Although it is located closer to the surface of the gate insulating film, the thickness of the gate insulating film is about 20 nm. Therefore, it is difficult to reduce the thickness of the gate insulating film by the second conventional method described in the above-mentioned Document 1. In the conventional gate insulating film obtained by the third method, as shown in FIG. 2 of Reference 2, the interface between the gate insulating film and the surface of the silicon semiconductor substrate (that is, the gate insulating film Since the nitrogen atoms are uniformly contained in the depth direction of the gate insulating film up to the vicinity of the (interface), the current driving capability of the pMOS semiconductor element may be reduced depending on the formation conditions of the gate insulating film.

【0008】従って、本発明の目的は、ボロン原子の突
き抜け現象を確実に防止でき、且つ、pチャネル型MO
S半導体素子の電流駆動能力の低下が生じるといった問
題の発生を回避でき、しかも、極薄の絶縁膜の形成を可
能にする絶縁膜の形成方法、及び、かかる絶縁膜の形成
方法を適用した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 prevent the penetration of boron atoms without fail, and to provide a p-channel type MO.
It is possible to avoid the occurrence of the problem that the current driving capability of the S semiconductor element is reduced, and to form an insulating film capable of forming an extremely thin insulating film. An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor device.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明の第1の態様に係る絶縁膜の形成方法は、
(イ)雰囲気温度200乃至500゜Cの窒化性雰囲気
中で半導体層を熱処理する第1の工程、及び、(ロ)酸
化性雰囲気中で該半導体層を熱処理する第2の工程から
成り、以て、半導体層表面に絶縁膜を形成することを特
徴とする。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a method for forming an insulating film, comprising:
(A) a first step of heat-treating the semiconductor layer in a nitriding atmosphere at an atmospheric temperature of 200 to 500 ° C .; and (b) a second step of heat-treating the semiconductor layer in an oxidizing atmosphere. And forming an insulating film on the surface of the semiconductor layer.

【0010】上記の目的を達成するための本発明の第1
の態様に係る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絶縁膜を形成する工程、及び、
(B)該ゲート絶縁膜上にp形不純物を含む半導体薄膜
から成るゲート電極を形成する工程を含み、上記工程
(A)は、(イ)雰囲気温度200乃至500゜Cの窒
化性雰囲気中で半導体層を熱処理する第1の工程、及
び、(ロ)酸化性雰囲気中で該半導体層を熱処理する第
2の工程から成ることを特徴とする。
The first object of the present invention for achieving the above object is as follows.
The method of manufacturing a p-type semiconductor device according to the aspect (A), comprises the steps of: (A) forming a gate insulating film on the surface of the semiconductor layer;
(B) a step of forming a gate electrode made of a semiconductor thin film containing a p-type impurity on the gate insulating film, wherein the step (A) comprises the steps of (a) in a nitriding atmosphere at an ambient temperature of 200 to 500 ° C. A first step of heat-treating the semiconductor layer; and (b) a second step of heat-treating the semiconductor layer in an oxidizing atmosphere.

【0011】上記の目的を達成するための本発明の第2
の態様に係る絶縁膜の形成方法は、(イ)窒化性雰囲気
中で半導体層にパルスレーザを照射する第1の工程、及
び、(ロ)酸化性雰囲気中で該半導体層を熱処理する第
2の工程から成り、以て、半導体層表面に絶縁膜を形成
することを特徴とする。
The second object of the present invention to achieve the above object.
The method for forming an insulating film according to the first aspect includes (a) a first step of irradiating the semiconductor layer with a pulse laser in a nitriding atmosphere and (b) a second step of heat-treating the semiconductor layer in an oxidizing atmosphere. And forming an insulating film on the surface of the semiconductor layer.

【0012】上記の目的を達成するための本発明の第2
の態様に係る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絶縁膜を形成する工程、及び、
(B)該ゲート絶縁膜上にp形不純物を含む半導体薄膜
から成るゲート電極を形成する工程を含み、上記工程
(A)は、(イ)窒化性雰囲気中で半導体層にパルスレ
ーザを照射する第1の工程、及び、(ロ)酸化性雰囲気
中で該半導体層を熱処理する第2の工程から成ることを
特徴とする。
The second object of the present invention for achieving the above object is as follows.
The method of manufacturing a p-type semiconductor device according to the aspect (A), comprises the steps of: (A) forming a gate insulating film on the surface of the semiconductor layer;
(B) a step of forming a gate electrode made of a semiconductor thin film containing a p-type impurity on the gate insulating film, and the step (A) is: (a) irradiating the semiconductor layer with a pulse laser in a nitriding atmosphere. The method is characterized by comprising a first step and (b) a second step of heat-treating the semiconductor layer in an oxidizing atmosphere.

【0013】本発明の第1若しくは第2の態様に係る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
半導体薄膜(例えばポリシリコン薄膜やアモルファスシ
リコン薄膜といったシリコン薄膜やSi−Ge混晶系)
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)を含むシリコン薄膜をCVD法に基づき
成膜した後にかかるシリコン薄膜をパターニングする方
法、不純物を含まないシリコン薄膜を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薄膜に注入し、次いでシリコン薄膜
をパターニングする方法、不純物を含まないシリコン薄
膜を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
入法にてシリコン薄膜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
コン薄膜から成る半導体薄膜を形成した後、この半導体
薄膜上にシリサイド層を形成し、次いで、シリサイド層
及び半導体薄膜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。ある
いは又、p形不純物を含むシリコン薄膜から成る半導体
薄膜を形成した後、この半導体薄膜上にタングステン等
の高融点金属層を形成し、次いで、高融点金属層及び半
導体薄膜をパターニングすることによって、高融点金属
層と半導体薄膜の2層構造を有するゲート電極を形成し
てもよい。更には、半導体薄膜やシリサイド層、高融点
金属層の上に、所謂オフセット酸化膜が形成されていて
もよい。
According to the first or second embodiment of the present invention, p
In a method of manufacturing a p-type semiconductor element, a semiconductor thin film containing a p-type impurity (for example, a silicon thin film such as a polysilicon thin film or an amorphous silicon thin film or a Si-Ge mixed crystal system)
The gate electrode is formed by, for example, forming a silicon thin film containing a p-type impurity (for example, boron) based on the CVD method, and then patterning the silicon thin film, and forming a silicon thin film containing no impurity by the CVD method. After the formation, a p-type impurity (for example, boron or BF 2 ) is implanted into the silicon thin film by an ion implantation method, and then the silicon thin film is patterned. The silicon thin film containing no impurity is formed by the CVD method and then patterned. Then, a method of implanting a p-type impurity (for example, boron or BF 2 ) into the silicon thin film by an ion implantation method can be mentioned. In the step (B), after forming a semiconductor thin film made of a silicon thin film containing a p-type impurity, a silicide layer is formed on the semiconductor thin film, and then the silicide layer and the semiconductor thin film are patterned to form a polycide structure. May be formed. Alternatively, after forming a semiconductor thin film made of a silicon thin film containing a p-type impurity, a high melting point metal layer such as tungsten is formed on the semiconductor thin film, and then the high melting point metal layer and the semiconductor thin film are patterned. A gate electrode having a two-layer structure of a refractory metal layer and a semiconductor thin film may be formed. Further, a so-called offset oxide film may be formed on the semiconductor thin film, the silicide layer, and the high melting point metal layer.

【0014】本発明の第1若しくは第2の態様に係る絶
縁膜の形成方法あるいは第1若しくは第2の態様に係る
p形半導体素子の製造方法(以下、これらを総称して、
本発明と呼ぶ場合がある)における窒化性雰囲気は、N
3ガス雰囲気、NOガス雰囲気あるいはN2Oガス雰囲
気とすることが好ましく、中でも、NH3ガス雰囲気と
することが望ましい。窒化性雰囲気は、これらのガス
と、N2やAr等の不活性ガスとの混合ガス雰囲気であ
ってもよく、あるいは又、窒化性雰囲気を減圧雰囲気と
してもよい。これによって、一層薄い窒化膜(例えば、
シリコン窒化膜)を膜厚制御性良く形成することができ
る。
The method for forming an insulating film according to the first or second aspect of the present invention or the method for manufacturing a p-type semiconductor device according to the first or second aspect (hereinafter, these are collectively referred to as
The nitriding atmosphere in (may be referred to as the present invention) is N 2
An H 3 gas atmosphere, a NO gas atmosphere, or an N 2 O gas atmosphere is preferable, and an NH 3 gas atmosphere is particularly preferable. The nitriding atmosphere may be a mixed gas atmosphere of these gases and an inert gas such as N 2 or Ar, or the nitriding atmosphere may be a reduced pressure atmosphere. Thereby, a thinner nitride film (for example,
(Silicon nitride film) can be formed with good film thickness controllability.

【0015】本発明の第1の態様に係る絶縁膜の形成方
法あるいは第1の態様に係るp形半導体素子の製造方法
においては、第1の工程における熱処理を、炉熱処理法
に基づき行うこともできるが、極薄の窒化膜を半導体層
表面に形成するといった観点からは、急速熱処理法(Ra
pid Thermal Processing)に基づき行うことが望まし
い。第1の工程における熱処理の温度(半導体層の温
度)は、200゜C〜500゜Cである。第1の工程に
おける熱処理を急速熱処理法に基づき行う場合、かかる
熱処理温度に達してからの熱処理時間を0.1秒〜10
秒とすることが、極薄の窒化膜を膜厚制御性良く形成す
るといった観点から望ましい。尚、第1の工程における
熱処理温度が200゜C未満では、半導体層表面を窒化
することが困難となる場合がある。一方、熱処理温度が
500゜Cを越える場合、半導体層表面に形成される窒
化膜の厚さが厚くなり過ぎ、第2の工程で半導体層に酸
化膜を膜厚制御性良く形成することが困難となり、ある
いは又、極薄の絶縁膜あるいはゲート絶縁膜(以下、こ
れらを総称して絶縁膜等と呼ぶ場合がある)を形成する
ことが困難となる虞がある。
In the method for forming an insulating film according to the first aspect of the present invention or the method for manufacturing a p-type semiconductor device according to the first aspect, the heat treatment in the first step may be performed based on a furnace heat treatment method. However, from the viewpoint of forming an ultra-thin nitride film on the surface of the semiconductor layer, the rapid heat treatment method (Ra
It is desirable to carry out based on pid Thermal Processing). The temperature of the heat treatment (the temperature of the semiconductor layer) in the first step is 200 ° C. to 500 ° C. When the heat treatment in the first step is performed based on the rapid heat treatment method, the heat treatment time after reaching the heat treatment temperature is 0.1 second to 10 seconds.
Seconds are desirable from the viewpoint of forming an extremely thin nitride film with good film thickness controllability. If the heat treatment temperature in the first step is lower than 200 ° C., it may be difficult to nitride the surface of the semiconductor layer. On the other hand, when the heat treatment temperature exceeds 500 ° C., the thickness of the nitride film formed on the surface of the semiconductor layer becomes too large, and it is difficult to form an oxide film on the semiconductor layer with good film thickness controllability in the second step. Alternatively, it may be difficult to form an extremely thin insulating film or gate insulating film (hereinafter, these may be collectively referred to as an insulating film or the like).

【0016】本発明の第2の態様に係る絶縁膜の形成方
法あるいは第2の態様に係るp形半導体素子の製造方法
において、半導体層に照射するパルスレーザは、半導体
層を極めて短時間に昇温させ、半導体層表面を窒化する
ことができるようなパルスレーザであればよく、例えば
エキシマレーザを用いることができる。尚、レーザの波
長の範囲として20nm〜500nm、照射エネルギー
密度として0.1〜1J/cm2、照射時間として0.
01〜0.1n秒を例示することができる。
In the method for forming an insulating film according to the second aspect of the present invention or the method for manufacturing a p-type semiconductor device according to the second aspect, the pulse laser for irradiating the semiconductor layer raises the semiconductor layer in a very short time. Any pulse laser capable of heating and nitriding the surface of the semiconductor layer may be used. For example, an excimer laser can be used. The laser wavelength range is 20 nm to 500 nm, the irradiation energy density is 0.1 to 1 J / cm 2 , and the irradiation time is 0.1 to 1 J / cm 2 .
01 to 0.1 nsec.

【0017】また、シリコン半導体基板を基にしてMO
S半導体装置を製造する場合、従来、ゲート絶縁膜を成
膜する前に、NH4OH/H22水溶液で洗浄し更にH
Cl/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絶縁膜
等を形成する。ところで、絶縁膜等を形成する前の雰囲
気を高温の非酸化雰囲気とすると、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。
本発明の第1の態様に係る絶縁膜の形成方法あるいは第
1の態様に係るp形半導体素子の製造方法では、第1の
工程において雰囲気温度200乃至500゜Cの窒化性
雰囲気中で半導体層を熱処理するが故に、このような半
導体層(例えばシリコン半導体基板)の表面に荒れ(凹
凸)が発生するといった現象の発生を確実に回避するこ
とができる。
Further, the MO based on the silicon semiconductor substrate is
Conventionally, when manufacturing an S semiconductor device, before forming a gate insulating film, it is washed with an aqueous solution of NH 4 OH / H 2 O 2 ,
The surface of the silicon semiconductor substrate is cleaned by RCA cleaning in which the substrate is cleaned with an aqueous solution of Cl / 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
The cleaning liquid 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, an insulating film or the like is formed on the surface of the silicon semiconductor substrate. By the way, if the atmosphere before forming the insulating film or the like is a high-temperature non-oxidizing atmosphere, the surface of the silicon semiconductor substrate becomes rough (unevenness). Such a phenomenon occurs because 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 pure water increases hydrogen or fluorine. It is thought to be lost due to thermal desorption and caused by an etching phenomenon occurring on the surface of the silicon semiconductor substrate. For example, a silicon semiconductor substrate is heated to 600 ° C. in argon gas.
The occurrence of severe irregularities on the surface of a silicon semiconductor substrate when the temperature is raised as described above is described in “Ultra Clean ULSI Technology”, page 21 by Tadahiro Omi, published by Baifukan.
In the method for forming an insulating film according to the first aspect of the present invention or the method for manufacturing a p-type semiconductor device according to the first aspect, the semiconductor layer is formed in a nitriding atmosphere at an ambient temperature of 200 to 500 ° C. in the first step. Since the heat treatment is performed, the occurrence of such a phenomenon that the surface of such a semiconductor layer (eg, a silicon semiconductor substrate) is roughened (irregularities) can be reliably avoided.

【0018】本発明においては、第1の工程で形成され
る窒化膜の厚さを0.5nm〜2.0nm、好ましくは
0.5nm〜1.5nm、一層好ましくは0.5nm〜
1.0nmとすることが、極薄の絶縁膜等を形成すると
いった観点から望ましい。尚、窒化膜の厚さは、例えば
二次イオン質量分析法(SIMS法)にて測定すること
ができる。ここで、窒化膜の厚さとは、SIMS法にて
得られた分析結果において、窒化膜を構成する組成(例
えば、シリコン窒化膜、SiN)のピークを含む測定カ
ーブの部分における半値幅が得られるときの絶縁膜等の
表面からの深さの内の深い方の深さを意味する。
In the present invention, the thickness of the nitride film formed in the first step is 0.5 nm to 2.0 nm, preferably 0.5 nm to 1.5 nm, more preferably 0.5 nm to 1.5 nm.
A thickness of 1.0 nm is desirable from the viewpoint of forming an extremely thin insulating film or the like. The thickness of the nitride film can be measured by, for example, secondary ion mass spectrometry (SIMS). Here, the thickness of the nitride film refers to a half width at a portion of a measurement curve including a peak of a composition (for example, a silicon nitride film or SiN) constituting the nitride film in an analysis result obtained by the SIMS method. It means the deeper of the depths from the surface of the insulating film or the like at that time.

【0019】本発明においては、酸化性雰囲気を、乾燥
酸素ガス雰囲気あるいは湿式ガス雰囲気とすることがで
きるが、湿式ガス雰囲気とした場合、第2の工程におけ
る熱処理条件に依っては、第1の工程で形成された半導
体層を構成する原子と窒素原子の結合(例えば、Si−
N結合)が第2の工程において切断される効果が大きく
なるため、乾燥酸素ガス雰囲気とすることが望ましい。
酸化性雰囲気は、100%酸素ガス雰囲気としてもよい
し、N2やAr等の不活性ガスで希釈された酸素ガス雰
囲気としてもよい。第2の工程は、炉熱処理法に基づき
行ってもよいし、急速熱処理法に基づき行ってもよい。
第2の工程における熱処理条件は、最終的に要求される
絶縁膜等の厚さに依って決定すればよい。第2の工程を
炉熱処理法に基づき行う場合には、熱処理の温度(半導
体層の温度)として800゜C〜1000゜C、かかる
熱処理温度に達してからの熱処理時間として1分〜10
分を例示することができる。一方、急速熱処理法に基づ
き行う場合には、熱処理の温度(半導体層の温度)とし
て900゜C〜1100゜C、かかる熱処理温度に達し
てからの熱処理時間として10秒〜5分を例示すること
ができる。
In the present invention, the oxidizing atmosphere can be a dry oxygen gas atmosphere or a wet gas atmosphere. However, when the oxidizing atmosphere is a wet gas atmosphere, the first oxidizing atmosphere depends on the heat treatment conditions in the second step. Bonding of atoms constituting the semiconductor layer formed in the step with nitrogen atoms (for example, Si-
Since the effect of cutting N bonds in the second step is increased, it is desirable to use a dry oxygen gas atmosphere.
The oxidizing atmosphere may be a 100% oxygen gas atmosphere or an oxygen gas atmosphere diluted with an inert gas such as N 2 or Ar. The second step may be performed based on a furnace heat treatment method or a rapid heat treatment method.
The heat treatment conditions in the second step may be determined depending on the finally required thickness of the insulating film or the like. When the second step is performed based on the furnace heat treatment method, the heat treatment temperature (the temperature of the semiconductor layer) is 800 ° C. to 1000 ° C., and the heat treatment time after reaching the heat treatment temperature is 1 minute to 10 minutes.
Minutes can be illustrated. On the other hand, when the heat treatment is performed based on the rapid heat treatment method, the heat treatment temperature (the temperature of the semiconductor layer) is 900 ° C. to 1100 ° C., and the heat treatment time after reaching the heat treatment temperature is 10 seconds to 5 minutes. Can be.

【0020】通常、シリコン半導体基板の表面に絶縁膜
等を形成する前に、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(OH)と
結合する虞がある(例えば、文献 "Highly-reliable Ga
te Oxide Formation for Giga-Scale LSIs by using Cl
osed Wet Cleaning System and Wet Oxidation with Ul
tra-DryUnloading", J. Yugami, et al., Internationa
l Electron Device Meeting Technical Digest 95, pp
855-858 参照)。このような場合、そのままの状態で絶
縁膜等の形成を開始すると、形成された絶縁膜中に水分
や有機物、あるいは又、例えばSi−OHが取り込ま
れ、形成された絶縁膜等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
陥が含まれる絶縁膜等の部分、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−S
i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結合が含まれた絶縁膜等の部分を意味する。それ
故、このような問題の発生を回避するためには、絶縁膜
等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絶縁膜等の形成工程の開始
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)、絶縁膜等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
絶縁膜等を形成することができ、形成された絶縁膜等の
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。
Usually, before an insulating film or the like is formed on the surface of the silicon semiconductor substrate, the silicon semiconductor substrate is washed by an aqueous solution of NH 4 OH / H 2 O 2 and further washed by an aqueous solution of HCl / H 2 O 2 by RCA cleaning. Is cleaned to remove fine particles and metal impurities from the surface, and then the silicon semiconductor substrate is cleaned with a hydrofluoric acid aqueous solution and pure water. However, after that, when the silicon semiconductor substrate is 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
There is a possibility that Si atoms on the surface of the silicon semiconductor substrate may be bonded to a hydroxyl group (OH) (for example, see "Highly-reliable Ga"
te Oxide Formation for Giga-Scale LSIs by using Cl
osed Wet Cleaning System and Wet Oxidation with Ul
tra-DryUnloading ", J. Yugami, et al., Internationala
l Electron Device Meeting Technical Digest 95, pp
855-858). In such a case, if the formation of the insulating film or the like is started as it is, moisture or an organic substance, or, for example, Si-OH is taken into the formed insulating film, and the characteristics of the formed insulating film or the like are deteriorated. It can cause the generation of defective portions. Note that a defect portion is a portion of an insulating film or the like containing a defect such as a silicon dangling bond (Si.) Or a Si-H bond, or a Si-O-
Si bond is compressed by stress or Si-OS
Si-O in which the angle of the i-bond is thick or different from the angle of the Si-O-Si bond in the bulk silicon oxide film
-Means a portion such as an insulating film containing a Si bond. Therefore, in order to avoid the occurrence of such a problem, a step of cleaning the surface of the semiconductor layer before forming the insulating film or the like is included, and the semiconductor layer after the surface cleaning is not exposed to the atmosphere (that is, for example, The atmosphere from the cleaning of the surface of the semiconductor layer to the start of the step of forming the insulating film or the like is an inert gas atmosphere or a vacuum atmosphere), and the formation of the insulating film or the like is preferably performed. Thereby, for example, when a silicon semiconductor substrate is used as a semiconductor layer, an insulating film or the like 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, Deterioration of the characteristics of the formed insulating film or the like or occurrence of a defective portion can be prevented.

【0021】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
に形成された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、Si−Ge混晶等、絶縁膜を形成すべき材料層を意
味する。半導体層に絶縁膜を形成するとは、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絶縁膜を形
成する場合だけでなく、半導体基板の表面に絶縁膜を形
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、FZ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。
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 formed on the semiconductor substrate, and further, a silicon semiconductor substrate or any of these layers Means a material layer on which an insulating film is to be formed, such as a semiconductor element formed on a substrate, a Si-Ge mixed crystal, or the like. Forming an insulating film on a semiconductor layer includes not only forming an insulating film on a semiconductor layer formed on or above a semiconductor substrate or the like, but also forming an insulating film on the surface of a semiconductor substrate. The silicon single crystal wafer is CZ
The wafer may be a wafer manufactured by any method such as the MCZ method, the MCZ method, the DLCZ method, and the FZ method, or may have been subjected to hydrogen annealing in advance.

【0022】本発明の絶縁膜の形成方法は、例えばMO
Sトランジスタのゲート絶縁膜、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絶縁膜の形
成、フラッシュメモリのトンネル絶縁膜の形成等、各種
半導体装置における絶縁膜の形成に適用することができ
る。
The method of forming an insulating film according to the present invention is, for example, an MO method.
The present invention can be applied to formation of an insulating film in various semiconductor devices, such as formation of a gate insulating film of an S transistor, formation of a gate insulating film of a top gate or bottom gate thin film transistor, formation of a tunnel insulating film of a flash memory, and the like.

【0023】本発明においては、第1の工程が完了した
時点で、半導体層の表面に窒化膜が形成される。そし
て、本発明の第1の態様に係る絶縁膜の形成方法あるい
は第1の態様に係るp形半導体素子の製造方法において
は、第1の工程において、雰囲気温度200乃至500
゜Cの窒化性雰囲気中で半導体層を熱処理(窒化処理)
するので、また、本発明の第2の態様に係る絶縁膜の形
成方法あるいは第2の態様に係るp形半導体素子の製造
方法においては、窒化性雰囲気中で半導体層にパルスレ
ーザを照射して窒化処理を行うので、半導体層の表面に
極薄の窒化膜を形成することが可能となる。その後、第
2の工程において酸化性雰囲気中で半導体層を熱処理
(酸化処理)することによって、窒化膜(例えばシリコ
ン窒化膜)を突き抜けた酸化種によって半導体層の酸化
が進行し、窒化膜と半導体層の界面における半導体層に
酸化膜(例えばシリコン酸化膜)が形成される。即ち、
巨視的には、半導体層の表面に、下から酸化膜、窒化膜
が形成される。また、窒化膜の一部には酸化窒化物が含
まれる。例えばシリコン窒化膜の一部にはシリコン窒化
酸化物(SiON)が含まれる。このように、絶縁膜等
の形成を2段階とすることによって、窒素原子を多く含
む絶縁膜等の領域は絶縁膜等の表面近傍に形成され、一
方、チャネル形成領域である半導体層の表面近傍の絶縁
膜等に含まれる窒素原子の量を少なくすることができ
る。
In the present invention, when the first step is completed, a nitride film is formed on the surface of the semiconductor layer. Then, in the method for forming an insulating film according to the first aspect of the present invention or the method for manufacturing a p-type semiconductor element according to the first aspect, in the first step, the ambient temperature is 200 to 500.
Heat treatment of semiconductor layer in nitriding atmosphere of ゜ C (nitriding)
Therefore, in the method for forming an insulating film according to the second aspect of the present invention or the method for manufacturing a p-type semiconductor device according to the second aspect, the semiconductor layer is irradiated with a pulse laser in a nitriding atmosphere. Since the nitriding treatment is performed, an extremely thin nitride film can be formed on the surface of the semiconductor layer. Thereafter, in a second step, the semiconductor layer is subjected to heat treatment (oxidation treatment) in an oxidizing atmosphere, whereby oxidation of the semiconductor layer proceeds by oxidizing species penetrating the nitride film (for example, a silicon nitride film), and the nitride film and the semiconductor An oxide film (for example, a silicon oxide film) is formed on the semiconductor layer at the interface between the layers. That is,
Macroscopically, an oxide film and a nitride film are formed on the surface of the semiconductor layer from below. Further, a part of the nitride film contains oxynitride. For example, a part of the silicon nitride film includes silicon nitride oxide (SiON). As described above, by forming the insulating film and the like in two stages, the region of the insulating film and the like containing a large amount of nitrogen atoms is formed near the surface of the insulating film and the like. The amount of nitrogen atoms contained in the insulating film or the like can be reduced.

【0024】[0024]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、発明の実
施の形態(以下、実施の形態と略称する)に基づき本発
明を説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described below with reference to the drawings based on embodiments of the invention (hereinafter abbreviated as embodiments).

【0025】(実施の形態1)実施の形態1は、本発明
の第1の態様に係る絶縁膜の形成方法及びp形半導体素
子の製造方法に関する。実施の形態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る。また、第1の
工程をNH3ガス100%雰囲気にて行う。実施の形態
1における絶縁膜の形成方法及びp形半導体素子の製造
方法を、以下、シリコン半導体基板等の模式的な一部断
面図である図1及び図2を参照して説明する。
Embodiment 1 Embodiment 1 relates to a method for forming an insulating film and a method for manufacturing a p-type semiconductor device according to the first aspect of the present invention. In the first embodiment, a silicon semiconductor substrate is used as a semiconductor layer. The first step is performed in an NH 3 gas 100% atmosphere. A method for forming an insulating film and a method for manufacturing a p-type semiconductor device according to the first embodiment will be described below with reference to FIGS. 1 and 2 which are schematic partial cross-sectional views of a silicon semiconductor substrate and the like.

【0026】[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10に、公知の方法でLOC
OS構造を有する素子分離領域11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10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10の表面洗浄を行い、シ
リコン半導体基板10の表面を露出させる(図1の
(A)参照)。尚、シリコン半導体基板10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 of 8 inches in diameter doped with phosphorus (prepared by CZ method)
LOC is formed on the silicon semiconductor substrate 10 which is
An element isolation region 11 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 10 are removed by RCA cleaning, and then the surface of the silicon semiconductor substrate 10 is cleaned with a 0.1% aqueous hydrofluoric acid solution and pure water. The surface is exposed (see FIG. 1A). The surface of the silicon semiconductor substrate 10 is mostly terminated with hydrogen, and a very small part is terminated with fluorine.

【0027】[工程−110]次に、シリコン半導体基
板10を、図示しない急速熱処理装置内に搬入し、以下
の表1に例示する条件にて第1の工程である窒化処理を
実行し、シリコン窒化膜を形成する(図1の(B)参
照)。
[Step-110] Next, the silicon semiconductor substrate 10 is carried into a rapid thermal processing apparatus (not shown), and the first step of nitriding is performed under the conditions shown in Table 1 below. A nitride film is formed (see FIG. 1B).

【0028】[0028]

【表1】 NH3流量 :2SLM 雰囲気温度:400゜C 雰囲気圧力:1.01×105Pa(1気圧) 熱処理時間:1秒Table 1 NH 3 flow rate: 2 SLM Ambient temperature: 400 ° C. Atmospheric pressure: 1.01 × 10 5 Pa (1 atm) Heat treatment time: 1 second

【0029】[工程−120]その後、同じ急速熱処理
装置内で、以下の表2に例示する条件にて第2の工程で
ある酸化処理を実行する。酸化種である酸素原子は、
[工程−110]にて形成されたシリコン窒化膜を通過
して半導体層(シリコン半導体基板10)に到達し、半
導体層を構成するシリコン原子と反応してSiO2が形
成される。こうして、図1の(C)に示すように、半導
体層に相当するシリコン半導体基板10の表面にゲート
絶縁膜12を形成することができる。ここで、絶縁膜の
総厚を約4nmとした。尚、絶縁膜12は、巨視的に
は、半導体層(シリコン半導体基板10)の表面に形成
された、シリコン酸化膜及びシリコン窒化膜の2層構成
(シリコン窒化膜が上層)であり、シリコン窒化膜中に
はシリコン酸化窒化物が含まれるが、図では1層で表し
た。
[Step-120] Then, in the same rapid thermal processing apparatus, an oxidation treatment as a second step is performed under the conditions exemplified in Table 2 below. The oxygen atom, which is an oxidizing species,
After reaching the semiconductor layer (silicon semiconductor substrate 10) through the silicon nitride film formed in [Step-110], SiO 2 is formed by reacting with silicon atoms forming the semiconductor layer. Thus, as shown in FIG. 1C, the gate insulating film 12 can be formed on the surface of the silicon semiconductor substrate 10 corresponding to the semiconductor layer. Here, the total thickness of the insulating film was set to about 4 nm. The insulating film 12 is macroscopically formed of a two-layer structure of a silicon oxide film and a silicon nitride film (the silicon nitride film is an upper layer) formed on the surface of the semiconductor layer (the silicon semiconductor substrate 10). Although the film contains silicon oxynitride, it is represented by one layer in the figure.

【0030】[0030]

【表2】 乾燥酸素流量:2SLM 雰囲気温度 :1000゜C 雰囲気圧力 :1.01×105Pa(1気圧) 熱処理時間 :60秒[Table 2] Dry oxygen flow rate: 2 SLM Ambient temperature: 1000 ° C. Atmospheric pressure: 1.01 × 10 5 Pa (1 atm) Heat treatment time: 60 seconds

【0031】[工程−130]その後、急速熱処理装置
から半導体層に相当するシリコン半導体基板10を搬出
し、次いで、公知のCVD装置にシリコン半導体基板1
0を搬入する。そして、全面に不純物を含んでいないシ
リコン薄膜(実施の形態1においてはポリシリコン薄
膜)から成る半導体薄膜を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
に基づき半導体薄膜をパターニングする。そして、半導
体薄膜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、ゲート絶縁膜12
上にp形不純物を含む半導体薄膜(具体的にはポリシリ
コン薄膜)から成るゲート電極13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(A)参照)。
[Step-130] Thereafter, the silicon semiconductor substrate 10 corresponding to the semiconductor layer is unloaded from the rapid thermal processing apparatus, and then the silicon semiconductor substrate 1 is transferred to a known CVD apparatus.
Bring in 0. Then, a semiconductor thin film made of a silicon thin film containing no impurities on the entire surface (a polysilicon thin film in the first embodiment) is formed by a CVD method. Next, the semiconductor thin film is patterned based on a photolithography technique and a dry etching technique. Then, boron ions are implanted into the semiconductor thin film and the silicon semiconductor substrate by an ion implantation method. Thereby, the gate insulating film 12
A gate electrode 13 made of a semiconductor thin film (specifically, a polysilicon thin film) containing a p-type impurity can be formed thereon, and at the same time, an LDD structure can be formed (FIG. 2).
(A)).

【0032】[工程−140]次に、全面に絶縁層を形
成し、異方性ドライエッチング技術に基づき絶縁層をエ
ッチングして、ゲート電極13の側壁にサイドウオール
14を形成する。次いで、ソース/ドレイン領域15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、全面に層間絶縁層16
をCVD法にて成膜し、ソース/ドレイン領域15の上
方の層間絶縁層16に開口部を設け、かかる開口部内を
含む層間絶縁層16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17を形成し、図2の(B)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-140] Next, an insulating layer is formed on the entire surface, and the insulating layer is etched by an anisotropic dry etching technique to form sidewalls 14 on the side walls of the gate electrode 13. Next, in order to form the source / drain regions 15, 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. Thereafter, an interlayer insulating layer 16 is formed on the entire surface.
Is formed by a CVD method, an opening is provided in the interlayer insulating layer 16 above the source / drain region 15, and a wiring material layer is formed on the interlayer insulating layer 16 including the inside of the opening by a sputtering method. By forming a wiring 17 by patterning the wiring material layer, a p-type semiconductor element whose schematic partial cross-sectional view is shown in FIG. 2B can be obtained.

【0033】実施の形態1にて形成された絶縁膜のSI
MS分析結果を図3に示す。図3から明らかなように、
SIMS法にて得られた分析結果において、絶縁膜等の
表面からSiNの測定カーブのピークまでの深さは約
0.5nmであり、極薄のシリコン窒化膜が形成されて
いる。また、絶縁膜の総厚は約4nmであり、半導体層
であるシリコン半導体基板との界面近傍の絶縁膜には窒
素原子は殆ど含まれていない。
The SI of the insulating film formed in the first embodiment
FIG. 3 shows the results of the MS analysis. As is clear from FIG.
In the analysis result obtained by the SIMS method, the depth from the surface of the insulating film or the like to the peak of the measurement curve of SiN is about 0.5 nm, and an extremely thin silicon nitride film is formed. The total thickness of the insulating film is about 4 nm, and the insulating film near the interface with the silicon semiconductor substrate, which is a semiconductor layer, contains almost no nitrogen atoms.

【0034】(実施の形態2)実施の形態2において
は、第1の工程である窒化処理の条件を、以下の表3に
示す条件とした。即ち、実施の形態2においては、第1
の工程の雰囲気を窒素ガスで希釈されたNH3雰囲気と
する。あるいは又、表4に例示するように、第1の工程
の雰囲気を減圧NH3雰囲気とすることもできる。これ
らの点を除き、実施の形態2における絶縁膜等の形成は
実施の形態1にて説明したと同様とすることができる。
(Embodiment 2) In Embodiment 2, the conditions of the nitriding treatment as the first step are the conditions shown in Table 3 below. That is, in the second embodiment, the first
Is an NH 3 atmosphere diluted with a nitrogen gas. Alternatively, as exemplified in Table 4, the atmosphere in the first step can be a reduced-pressure NH 3 atmosphere. Except for these points, the formation of the insulating film and the like in Embodiment 2 can be the same as that described in Embodiment 1.

【0035】[0035]

【表3】 NH3流量 :0.2SLM N2流量 :1.8SLM 雰囲気圧力:1.01×105Pa(1気圧) 雰囲気温度:450゜C 熱処理時間:1秒Table 3 NH 3 flow rate: 0.2 SLM N 2 flow rate: 1.8 SLM Atmospheric pressure: 1.01 × 10 5 Pa (1 atm) Atmospheric temperature: 450 ° C. Heat treatment time: 1 second

【0036】[0036]

【表4】 NH3流量 :2SLM 雰囲気温度:450゜C 雰囲気圧力:1.0×104Pa 熱処理時間:1秒[Table 4] NH 3 flow rate: 2 SLM Ambient temperature: 450 ° C. Atmospheric pressure: 1.0 × 10 4 Pa Heat treatment time: 1 second

【0037】(実施の形態3)実施の形態3は、本発明
の第2の態様に係る絶縁膜の形成方法及びp形半導体素
子の製造方法に関する。実施の形態3においても、半導
体層としてシリコン半導体基板を用いる。また、第1の
工程をNH3ガス100%雰囲気にて行う。
Embodiment 3 Embodiment 3 relates to a method for forming an insulating film and a method for manufacturing a p-type semiconductor device according to the second aspect of the present invention. Also in the third embodiment, a silicon semiconductor substrate is used as a semiconductor layer. The first step is performed in an NH 3 gas 100% atmosphere.

【0038】レーザ照射装置の概念図を図4に示す。こ
のレーザ照射装置は、エキシマレーザ発振装置20と、
アッテネータ21と、ビームホモジナイザ22と、反応
室23と、反応室23内に配設されたX−Yテーブル2
4から構成されている。エキシマレーザ発振装置20か
ら射出されたレーザビームは、アッテネータ21を通過
し、ミラーで反射され、ビームホモジナイザ22を通過
し、所望のレーザビームエネルギー密度であって5%以
内に均一化された方形レーザビームに形成される。この
レーザビームは、反応室23の上部に設けられた石英製
の窓25を通過し、X−Yテーブル24上に載置された
シリコン半導体基板10に入射する。反応室23には、
シリコン半導体基板10の搬入出のためにゲートバルブ
26が配設されている。また、反応室23には、反応室
23の雰囲気を窒化性雰囲気とするためにNH3ガスを
導入するための配管27A及びパージガス(N2ガス)
を導入するための配管27Bが配設されている。反応室
23内のガスは排気部28から系外に排気される。
FIG. 4 is a conceptual diagram of a laser irradiation apparatus. This laser irradiation device includes an excimer laser oscillation device 20,
Attenuator 21, beam homogenizer 22, reaction chamber 23, and XY table 2 provided in reaction chamber 23
4. A laser beam emitted from the excimer laser oscillation device 20 passes through an attenuator 21, is reflected by a mirror, passes through a beam homogenizer 22, and has a desired laser beam energy density and is uniformed within 5%. Formed into a beam. This laser beam passes through a quartz window 25 provided in the upper part of the reaction chamber 23 and enters the silicon semiconductor substrate 10 placed on the XY table 24. In the reaction chamber 23,
A gate valve 26 is provided for loading and unloading the silicon semiconductor substrate 10. In addition, a pipe 27A for introducing NH 3 gas and a purge gas (N 2 gas) are provided in the reaction chamber 23 in order to make the atmosphere of the reaction chamber 23 a nitriding atmosphere.
Is introduced. The gas in the reaction chamber 23 is exhausted from the exhaust unit 28 to the outside of the system.

【0039】実施の形態3における絶縁膜の形成方法及
びp形半導体素子の製造方法を、以下、シリコン半導体
基板等の模式的な一部断面図である図1及び図2を再び
参照して説明する。
A method of forming an insulating film and a method of manufacturing a p-type semiconductor device according to the third embodiment will be described below with reference again to FIGS. 1 and 2 which are schematic partial sectional views of a silicon semiconductor substrate and the like. I do.

【0040】[工程−300]先ず、実施の形態1の
[工程−100]と同様にして、シリコン半導体基板1
0に、公知の方法で素子分離領域11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。その後、RCA洗浄によりシリ
コン半導体基板10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10の表面洗浄を行い、シリコン
半導体基板10の表面を露出させる(図1の(A)参
照)。尚、シリコン半導体基板10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-300] First, as in [Step-100] of the first embodiment, the silicon semiconductor substrate 1
At 0, an element isolation region 11 is formed by a known method, and then well ion implantation, channel stop ion implantation, and threshold adjustment ion implantation are performed. Thereafter, fine particles and metal impurities on the surface of the silicon semiconductor substrate 10 are removed by RCA cleaning, and then the surface of the silicon semiconductor substrate 10 is cleaned with a 0.1% aqueous hydrofluoric acid solution and pure water. The surface is exposed (see FIG. 1A). The surface of the silicon semiconductor substrate 10 is mostly terminated with hydrogen, and a very small part is terminated with fluorine.

【0041】[工程−310]次に、シリコン半導体基
板10を、図4に概念図を示すレーザ照射装置内に搬入
し、以下の表5に例示する条件にて第1の工程であるパ
ルスレーザの照射に基づく窒化処理を実行する(図1の
(B)参照)。尚、シリコン窒化膜の膜厚を0.5nm
とした。
[Step-310] Next, the silicon semiconductor substrate 10 is loaded into a laser irradiation apparatus whose conceptual diagram is shown in FIG. (Refer to FIG. 1B). Note that the thickness of the silicon nitride film is 0.5 nm.
And

【0042】[0042]

【表5】 NH3流量 :2SLM 雰囲気圧力 :1.3×103Pa 使用レーザ :XeCl エキシマレーザ (308
nm) レーザパルス幅:44ナノ秒 レーザビームエネルギー密度:600mJ/cm2 ビームサイズ :20mm×20mm
Table 5 NH 3 flow rate: 2 SLM Atmospheric pressure: 1.3 × 10 3 Pa Laser used: XeCl excimer laser (308
nm) Laser pulse width: 44 nanoseconds Laser beam energy density: 600 mJ / cm 2 Beam size: 20 mm × 20 mm

【0043】[工程−320]その後、シリコン半導体
基板10をレーザ照射装置から搬出し、急速熱処理装置
に搬入する。そして、表2に例示したと同様の条件にて
第2の工程である酸化処理を実行する。酸化種である酸
素原子は、[工程−310]にて形成されたシリコン窒
化膜を通過して半導体層(シリコン半導体基板10)に
到達し、半導体層を構成するシリコン原子と反応してS
iO2が形成される。こうして、図1の(C)に示すよ
うに、半導体層に相当するシリコン半導体基板10の表
面にゲート絶縁膜12を形成することができる。ここ
で、絶縁膜の総厚を約3nmとした。
[Step-320] Thereafter, the silicon semiconductor substrate 10 is unloaded from the laser irradiation apparatus and loaded into the rapid thermal processing apparatus. Then, the oxidation process, which is the second process, is performed under the same conditions as those illustrated in Table 2. Oxygen atoms, which are oxidizing species, pass through the silicon nitride film formed in [Step-310], reach the semiconductor layer (silicon semiconductor substrate 10), react with silicon atoms forming the semiconductor layer, and react with sulfur atoms.
iO 2 is formed. Thus, as shown in FIG. 1C, the gate insulating film 12 can be formed on the surface of the silicon semiconductor substrate 10 corresponding to the semiconductor layer. Here, the total thickness of the insulating film was set to about 3 nm.

【0044】[工程−330]その後、急速熱処理装置
から半導体層に相当するシリコン半導体基板10を搬出
し、次いで、実施の形態1の[工程−130]及び[工
程−140]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-330] Thereafter, the silicon semiconductor substrate 10 corresponding to the semiconductor layer is unloaded from the rapid thermal processing apparatus, and then [Step-130] and [Step-140] of the first embodiment are executed. , A p-type semiconductor element can be obtained.

【0045】以上、本発明を好ましい実施の形態に基づ
き説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定され
るものではない。実施の形態にて説明した各種の条件は
例示であり、適宜変更することができる。
As described above, the present invention has been described based on the preferred embodiments, but the present invention is not limited to these embodiments. The various conditions described in the embodiments are merely examples, and can be changed as appropriate.

【0046】実施の形態においては、専らシリコン半導
体基板の表面に絶縁膜を形成したが、本発明の絶縁膜の
形成方法に基づき、基板の上に成膜されたエピタキシャ
ルシリコン層に絶縁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絶縁膜を
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絶縁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絶縁膜を形成し
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絶縁膜を形成して
もよい。また、Si−Ge混晶系に対しても本発明の絶
縁膜の形成方法を適用することができる。
In the embodiment, the insulating film is formed exclusively on the surface of the silicon semiconductor substrate. However, based on the insulating film forming method of the present invention, the insulating film is formed on the epitaxial silicon layer formed on the substrate. Alternatively, an insulating film can be formed on a surface of a polysilicon layer or an amorphous silicon layer formed on an insulating layer formed on a substrate. Alternatively, an insulating film may be formed on a surface of a silicon layer in the SOI structure, or an insulating film may be formed on a surface of a semiconductor element or a substrate on which components of the semiconductor element are formed, or a surface of a silicon layer formed thereon. May be formed. Further, an insulating film may be formed on a surface of a substrate on which a semiconductor element or a component of the semiconductor element is formed, or a silicon layer formed on a base insulating layer formed thereon. In addition, the method for forming an insulating film of the present invention can be applied to a Si—Ge mixed crystal system.

【0047】あるいは又、実施の形態において0.1%
フッ化水素酸水溶液及び純水により半導体層を構成する
シリコン半導体基板の表面洗浄を行った後、半導体層を
構成するシリコン半導体基板を急速熱処理装置あるいは
レーザ照射装置の反応室に搬入したが、半導体層の表面
洗浄から急速熱処理装置あるいはレーザ照射の反応室へ
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)を納めて急
速熱処理装置あるいはレーザ照射の反応室に搬入する方
法や、図5に模式図を示すように、表面洗浄装置、例え
ば急速熱処理装置、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
装置から急速熱処理装置までを搬送路で結び、かかる表
面洗浄装置、搬送路及び急速熱処理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 embodiment, 0.1%
After cleaning the surface of the silicon semiconductor substrate constituting the semiconductor layer with a hydrofluoric acid aqueous solution and pure water, the silicon semiconductor substrate constituting the semiconductor layer was carried into a reaction chamber of a rapid heat treatment apparatus or a laser irradiation apparatus. The atmosphere from the surface cleaning of the layer to the loading of the rapid heat treatment apparatus or the laser irradiation into the reaction chamber is controlled by an inert gas (eg, nitrogen gas).
The atmosphere may be good. 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. Using a rapid heat treatment apparatus or a method of carrying into a reaction chamber of laser irradiation, or using a surface cleaning apparatus such as a rapid heat treatment apparatus, a transfer path, a loader and an unloader as shown in FIG. The method can be achieved by a method in which the surface cleaning device is connected to the rapid heat treatment device by a transfer path, and the atmosphere in the surface cleaning device, the transfer path, and the processing chamber of the rapid heat treatment device is set to an inert gas atmosphere.

【0048】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を構成するシリコン半導体基板
の表面洗浄を行う代わりに、表6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
層を構成するシリコン半導体基板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7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を構成
するシリコン半導体基板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急速熱処理装置あるいはレ
ーザ照射の反応室の雰囲気を例えば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、急速熱処理装置あるいはレーザ照射装置
の反応室の雰囲気を、必要に応じて一旦不活性ガス(例
えば窒素ガス)雰囲気とし、その後、第1の工程を実行
すればよい。
Alternatively, instead of cleaning the surface of the silicon semiconductor substrate constituting the semiconductor layer with a 0.1% aqueous hydrofluoric acid solution and pure water, the conditions illustrated in Table 6 are used.
The surface of the silicon semiconductor substrate forming the semiconductor layer may be cleaned by a gas phase cleaning method using anhydrous hydrogen fluoride gas. Note that methanol is added to prevent generation of particles. Alternatively, the surface of the silicon semiconductor substrate forming the semiconductor layer may be cleaned by a vapor phase cleaning method using hydrogen chloride gas under the conditions shown in Table 7.
Note that the atmosphere in the surface cleaning apparatus and the atmosphere in the transfer path before starting the surface cleaning of the semiconductor layer or after the surface cleaning is completed may be an inert gas atmosphere, for example, 1.3 ×.
A vacuum atmosphere of about 10 -1 Pa (10 -3 Torr) may be used. In the case where the atmosphere in the transfer path or the like is a vacuum atmosphere, the atmosphere in the rapid heat treatment apparatus for loading the semiconductor layer or the reaction chamber for laser irradiation is, for example, 1.3 × 10 −1 Pa.
(10 −3 Torr) vacuum atmosphere. After the completion of the loading of the semiconductor layer, the atmosphere of the reaction chamber of the rapid thermal processing apparatus or the laser irradiation apparatus is temporarily set to an inert gas (for example, nitrogen gas) atmosphere as necessary. After that, the first step may be performed.

【0049】[0049]

【表6】 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 6] Anhydrous hydrogen fluoride gas: 300 SCCM Methanol vapor: 80 SCCM Nitrogen gas: 1000 SCCM Pressure: 0.3 Pa Temperature: 60 ° C

【0050】[0050]

【表7】 塩化水素ガス/窒素ガス:1容量% 温度 :800゜C[Table 7] Hydrogen chloride gas / nitrogen gas: 1% by volume Temperature: 800 ° C

【0051】これらの方法を採用することによって、絶
縁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、形成された絶縁膜中に水分や有機
物、あるいは又、例えばSi−OHが取り込まれ、形成
された絶縁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 and the like before forming the insulating film. It is possible to effectively prevent the characteristics of the formed insulating film from being taken down by Si-OH and causing a defective portion to be generated.

【0052】尚、本発明の絶縁膜の形成方法あるいはp
形半導体素子の製造方法において、酸化性雰囲気中で半
導体層を熱処理する第2の工程の完了後、形成された絶
縁膜に熱処理を施してもよい。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
囲気中で例えばシリコン酸化膜を熱処理することによっ
て、タイムゼロ絶縁破壊(TZDB)特性及び経時絶縁
破壊(TDDB)特性に優れたシリコン酸化膜を得るこ
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、C2
HCl3、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0.0
2〜10容量%であることが望ましい。熱処理を、枚葉
処理とすることもできるが、炉アニール処理とすること
が好ましい。熱処理の雰囲気温度は、700〜1200
゜C、好ましくは700〜1000゜C、更に好ましく
は700〜950゜Cである。また、熱処理を炉アニー
ル処理とする場合の熱処理の時間は、5〜60分、好ま
しくは10〜40分、更に好ましくは20〜30分であ
る。一方、熱処理を枚葉処理とする場合の熱処理の時間
は、1〜10分とすることが好ましい。
The method of forming an insulating film according to the present invention or p.
In the method for manufacturing a semiconductor device, after the completion of the second step of heat-treating the semiconductor layer in an oxidizing atmosphere, the formed insulating film may be subjected to heat treatment. In this case, it is desirable that the atmosphere of the heat treatment be an inert gas atmosphere containing a halogen element. By heat-treating, for example, a silicon oxide film in an inert gas atmosphere containing a halogen element, a silicon oxide film having excellent time-zero dielectric breakdown (TZDB) characteristics and temporal 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. In addition, 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 hydrogen chloride (HCl), CCl 4 , C 2
HCl 3 , Cl 2 , HBr and NF 3 can be mentioned. The content of the halogen element in the inert gas is 0.001 to 10% by volume, based on the form of the molecule or compound,
Preferably it is 0.005 to 10% by volume, more preferably 0.02 to 10% by volume. For example, when using hydrogen chloride gas, the hydrogen chloride gas content in the inert gas is 0.0
It is desirably 2 to 10% by volume. Although the heat treatment may be a single-wafer treatment, it is preferably a furnace annealing treatment. The ambient temperature of the heat treatment is 700 to 1200
C, preferably 700-1000C, more preferably 700-950C. When the heat treatment is furnace annealing, the heat treatment time is 5 to 60 minutes, preferably 10 to 40 minutes, and more preferably 20 to 30 minutes. On the other hand, when the heat treatment is a single-wafer treatment, the heat treatment time is preferably 1 to 10 minutes.

【0053】[0053]

【発明の効果】本発明においては、第1の工程において
雰囲気温度200乃至500゜Cの窒化性雰囲気中で半
導体層を熱処理するので、あるいは又、窒化性雰囲気中
で半導体層にパルスレーザを照射するので、半導体層の
表面に極薄の窒化膜(例えばシリコン窒化膜)を形成す
ることが可能である。また、絶縁膜等の形成を2段階と
するので、窒素原子を多く含む絶縁膜等の領域は絶縁膜
等の表面近傍に形成され、一方、チャネル形成領域であ
る半導体層の表面近傍の絶縁膜等に含まれる窒素原子の
量を少なくすることができる。その結果、従来の技術の
ように、シリコン半導体基板(チャネル形成領域)に窒
素原子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、絶縁膜の表面
領域には窒素原子が含まれるので、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絶縁膜を通過してシリコン半導体
基板にまで到達し、pチャネル型MOS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, the semiconductor layer is heat-treated in a nitriding atmosphere at an ambient temperature of 200 to 500 ° C. in the first step, or the semiconductor layer is irradiated with a pulse laser in the nitriding atmosphere. Therefore, an extremely thin nitride film (for example, a silicon nitride film) can be formed on the surface of the semiconductor layer. Further, since the formation of the insulating film and the like is performed in two stages, the region of the insulating film and the like containing a large amount of nitrogen atoms is formed near the surface of the insulating film and the like, while the region of the insulating film near the surface of the semiconductor layer which is a channel formation region And the like can reduce the amount of nitrogen atoms contained in them. As a result, unlike the related art, there is no adverse effect on semiconductor element characteristics such as a decrease in current driving capability due to nitrogen atoms penetrating a silicon semiconductor substrate (channel formation region). Further, since nitrogen atoms are contained in the surface region of the insulating film, for example, boron atoms reach the silicon semiconductor substrate through the gate insulating film by various heat treatments in a semiconductor device manufacturing process after formation of the gate electrode, The phenomenon that the threshold voltage of the p-channel MOS semiconductor element fluctuates can be reliably avoided.

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

【図1】本発明の絶縁膜の形成方法及び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. 1 is a schematic partial cross-sectional view of a silicon semiconductor substrate and the like for describing a method for forming an insulating film and a method for manufacturing a p-type semiconductor device according to the present invention.

【図2】図1に引き続き、本発明のp形半導体素子の製
造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 illustrating the method for manufacturing a p-type semiconductor device of the present invention, following FIG.

【図3】発明の実施の形態1にて得られた絶縁膜のSI
MS分析結果を示すグラフである。
FIG. 3 shows the SI of the insulating film obtained in the first embodiment of the invention;
It is a graph which shows MS analysis result.

【図4】レーザ照射装置の概念図である。FIG. 4 is a conceptual diagram of a laser irradiation device.

【図5】表面洗浄装置、急速熱処理装置、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
装置の概念図である。
FIG. 5 is a conceptual diagram of a cluster tool device including a surface cleaning device, a rapid heat treatment device, a transfer path, a loader, and an unloader.

【図6】従来の方法に基づき得られた絶縁膜のSIMS
分析結果を示すグラフである。
FIG. 6 shows SIMS of an insulating film obtained based on a conventional method.
It is a graph which shows an analysis result.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10・・・シリコン半導体基板、11・・・素子分離領
域、12・・・絶縁膜(ゲート絶縁膜)、13・・・ゲ
ート電極、14・・・サイドウオール、15・・・ソー
ス/ドレイン領域、16・・・層間絶縁層、17・・・
配線、20・・・エキシマレーザ発振装置、21・・・
アッテネータ、22・・・ビームホモジナイザ、23・
・・反応室、24・・・X−Yテーブル、25・・・石
英製の窓、26・・・ゲートバルブ、27A,27B・
・・配管、28・・・排気部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Silicon semiconductor substrate, 11 ... Element isolation region, 12 ... Insulating film (gate insulating film), 13 ... Gate electrode, 14 ... Side wall, 15 ... Source / drain region , 16 ... interlayer insulating layer, 17 ...
Wiring, 20 ... Excimer laser oscillation device, 21 ...
Attenuator, 22 ... Beam homogenizer, 23
..Reaction chamber, 24 XY table, 25 windows made of quartz, 26 gate valves, 27A and 27B
..Piping, 28 ... Exhaust part

Claims (14)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】(イ)雰囲気温度200乃至500゜Cの
窒化性雰囲気中で半導体層を熱処理する第1の工程、及
び、 (ロ)酸化性雰囲気中で該半導体層を熱処理する第2の
工程、 から成り、以て、半導体層表面に絶縁膜を形成すること
を特徴とする絶縁膜の形成方法。
1. A first step of heat-treating a semiconductor layer in a nitriding atmosphere at an ambient temperature of 200 to 500 ° C., and (b) a second step of heat-treating the semiconductor layer in an oxidizing atmosphere. A method for forming an insulating film, comprising: forming an insulating film on a surface of a semiconductor layer.
【請求項2】窒化性雰囲気はNH3ガス雰囲気であるこ
とを特徴とする請求項1に記載の絶縁膜の形成方法。
2. The method according to claim 1, wherein the nitriding atmosphere is an NH 3 gas atmosphere.
【請求項3】酸化性雰囲気は乾燥酸素ガス雰囲気である
ことを特徴とする請求項1に記載の絶縁膜の形成方法。
3. The method according to claim 1, wherein the oxidizing atmosphere is a dry oxygen gas atmosphere.
【請求項4】第1の工程における熱処理は急速熱処理法
に基づくことを特徴とする請求項1に記載の絶縁膜の形
成方法。
4. The method according to claim 1, wherein the heat treatment in the first step is based on a rapid heat treatment method.
【請求項5】(A)半導体層の表面にゲート絶縁膜を形
成する工程、及び、 (B)該ゲート絶縁膜上にp形不純物を含む半導体薄膜
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、 上記工程(A)は、 (イ)雰囲気温度200乃至500゜Cの窒化性雰囲気
中で半導体層を熱処理する第1の工程、及び、 (ロ)酸化性雰囲気中で該半導体層を熱処理する第2の
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。
5. A step of forming a gate insulating film on a surface of a semiconductor layer, and a step of forming a gate electrode made of a semiconductor thin film containing a p-type impurity on the gate insulating film. a method for manufacturing a p-type semiconductor device, wherein the step (A) comprises: (a) a first step of heat-treating the semiconductor layer in a nitriding atmosphere at an ambient temperature of 200 to 500 ° C .; A second step of heat-treating the semiconductor layer in a neutral atmosphere.
【請求項6】窒化性雰囲気はNH3ガス雰囲気であるこ
とを特徴とする請求項5に記載のp形半導体素子の製造
方法。
6. The method according to claim 5, wherein the nitriding atmosphere is an NH 3 gas atmosphere.
【請求項7】酸化性雰囲気は乾燥酸素ガス雰囲気である
ことを特徴とする請求項5に記載のp形半導体素子の製
造方法。
7. The method as claimed in claim 5, wherein the oxidizing atmosphere is a dry oxygen gas atmosphere.
【請求項8】第1の工程における熱処理は急速熱処理法
に基づくことを特徴とする請求項5に記載のp形半導体
素子の製造方法。
8. The method according to claim 5, wherein the heat treatment in the first step is based on a rapid heat treatment method.
【請求項9】(イ)窒化性雰囲気中で半導体層にパルス
レーザを照射する第1の工程、及び、 (ロ)酸化性雰囲気中で該半導体層を熱処理する第2の
工程、から成り、以て、半導体層表面に絶縁膜を形成す
ることを特徴とする絶縁膜の形成方法。
9. A first step of irradiating the semiconductor layer with a pulsed laser in a nitriding atmosphere, and (b) a second step of heat treating the semiconductor layer in an oxidizing atmosphere. A method for forming an insulating film, comprising forming an insulating film on a surface of a semiconductor layer.
【請求項10】窒化性雰囲気はNH3ガス雰囲気である
ことを特徴とする請求項9に記載の絶縁膜の形成方法。
10. The method according to claim 9, wherein the nitriding atmosphere is an NH 3 gas atmosphere.
【請求項11】酸化性雰囲気は乾燥酸素ガス雰囲気であ
ることを特徴とする請求項9に記載の絶縁膜の形成方
法。
11. The method according to claim 9, wherein the oxidizing atmosphere is a dry oxygen gas atmosphere.
【請求項12】(A)半導体層の表面にゲート絶縁膜を
形成する工程、及び、 (B)該ゲート絶縁膜上にp形不純物を含む半導体薄膜
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、 上記工程(A)は、 (イ)窒化性雰囲気中で半導体層にパルスレーザを照射
する第1の工程、及び、 (ロ)酸化性雰囲気中で該半導体層を熱処理する第2の
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。
12. A step of forming a gate insulating film on the surface of a semiconductor layer, and a step of forming a gate electrode made of a semiconductor thin film containing a p-type impurity on the gate insulating film. a method for manufacturing a p-type semiconductor device, wherein the step (A) comprises: (a) a first step of irradiating a semiconductor layer with a pulsed laser in a nitriding atmosphere; 2. A method of manufacturing a p-type semiconductor device, comprising: a second step of heat-treating a semiconductor layer.
【請求項13】窒化性雰囲気はNH3ガス雰囲気である
ことを特徴とする請求項12に記載のp形半導体素子の
製造方法。
13. The method according to claim 12, wherein the nitriding atmosphere is an NH 3 gas atmosphere.
【請求項14】酸化性雰囲気は乾燥酸素ガス雰囲気であ
ることを特徴とする請求項12に記載のp形半導体素子
の製造方法。
14. The method according to claim 12, wherein the oxidizing atmosphere is a dry oxygen gas atmosphere.
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