JP2001110807A

JP2001110807A - 薄膜絶縁膜の形成方法

Info

Publication number: JP2001110807A
Application number: JP28231799A
Authority: JP
Inventors: Susumu Koyama; 晋小山
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1999-10-04
Filing date: 1999-10-04
Publication date: 2001-04-20
Anticipated expiration: 2019-10-04
Also published as: JP3372030B2

Abstract

(57)【要約】【課題】ゲート絶縁膜に用いる膜厚及び組成精度高く
且つＴＤＤＢ特性及びＴＺＤＢ特性に優れた極薄の酸窒
化膜を形成できるようにする。【解決手段】素子分離膜１２の形成されたシリコン基
板を急速加熱（ＲＴＰ）炉に装着し、酸化・窒化雰囲気
中にて５００〜８００℃に加熱してシリコン基板１１上
に酸窒化膜１３を形成する（ｃ）。その後、基板を抵抗
加熱炉に装着して８００〜１０００℃の温度に加熱して
ウェット酸化法又はドライ酸化法にてシリコン酸化膜１
４を形成する（ｄ）。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＭＯＳトランジス
タのゲート絶縁膜等に用いられる極薄の絶縁膜に形成方
法に関し、特に、少なくとも部分的にシリコン酸窒化膜
を含む薄膜絶縁膜の形成方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ＭＯＳ型集積回路においては、年々高集
積化、高密度化が進められており、そのためトランジス
タサイズもスケーリング則に従って横方向および縦方向
に微細化されてきている。その結果、ゲート酸化膜に印
加される電界強度が増大し、ダイレクトトンネル電流の
外にファウラー・ノルドハイム（ＦＮ；Fowler-Nordhei
m ）型トンネル電流がゲート酸化膜を通して流れること
により、ストレスが蓄積してゲート酸化膜の信頼性の低
下を招くようになってきている。

【０００３】図３は、その状況を説明するポテンシャル
分布図である。今、基板に対しゲート電極に正の電圧が
印加されたものとすると、図３（ａ）に示すように、ゲ
ート酸化膜を通して基板からゲート電極に向けて、電子
３１がダイレクトトンネリングおよびＦＮトンネリング
し、これにより、図３（ｂ）に示されるように、ゲート
酸化膜中にトラップ３２が発生する。このトラップ３２
は、ＦＮトンネル電流が流れることによって、図３
（ｃ）に示すように、次第に増加し局所的な電界増大と
電流密度の増加を招く。そして、トラップが一定値に達
すると雪崩あるいは熱により破壊するに至る。これが、
ＴＤＤＢ（Time Dependent Dielectric Breakdown ；経
時絶縁膜破壊）と呼ばれる疲労現象である。

【０００４】ゲート酸化膜の極薄化によって顕在化した
もう一つの問題は、ゲート電極にドープされた不純物の
基板への突き抜けである。これは、ゲート電極を構成す
るポリシリコンにドープされたボロンなどの拡散係数の
大きな不純物が、ソース・ドレイン領域に注入された不
純物イオンを活性化させるための熱処理時などにゲート
酸化膜中を拡散してシリコン基板へ侵入する問題であ
る。この不純物拡散により、ＭＯＳトランジスタのしき
い値電圧の変動やゲート酸化膜の信頼性の低下などの問
題が起こる。この不純物の基板への突き抜けの問題と上
述したＦＮトンネル電流に起因するＴＤＤＢ劣化の問題
は、ゲート絶縁膜の一部または全体を酸窒化膜（Oxynit
ride）とすることにより、緩和されることが知られてお
り、そのため近年では上記の問題を解決してゲート絶縁
膜の絶縁性を向上ささせるためにゲート絶縁膜の全体ま
たは一部を酸窒化膜とする技術が多用されるようになっ
てきている。

【０００５】このような酸窒化膜は、通常、加熱炉内に
亜酸化窒素（Ｎ₂ Ｏ）ガスや一酸化窒素（ＮＯ）ガスを
供給してシリコン基板と酸素および窒素との熱反応を利
用して形成する。そして加熱炉装置としては抵抗加熱型
の炉とハロゲンランプなどを用いた急速加熱型の装置と
が知られており、何れかの装置を用いて膜形成が行われ
ている（特開平１０−２０９４４９号公報、特開平１０
−２２３７８３号公報など）。

【０００６】而して、トランジスタサイズの微細化が進
行したために近年ではゲート絶縁膜の膜厚を５ｎｍ以
下、例えば４ｎｍ程度に形成することが求められように
なってきている。このような薄い酸窒化膜を形成する場
合においては、通常の抵抗加熱型の炉では、熱酸窒化反
応の初期段階を制御することが難しく、含有する窒素量
と絶縁膜中の窒素位置を制御することは困難である。と
いうのは、抵抗加熱型の炉においては大気にさらされた
状態から高温の炉内にウェハを導入する方式を採用した
装置が多く、炉内に導入する際に大気中の酸素と反応
し、熱反応過程に入る前にある程度の「初期酸化膜」の
形成が避けられないからである。また、抵抗加熱型の炉
は複数枚（通常数十枚）のウェハを同時に処理する構造
になっているが、これら位置の異なるウェハの、窒素位
置および量を全て等質に制御するのは極めて困難であ
る。

【０００７】この酸窒化初期反応の制御という点ではハ
ロゲンランプ加熱装置を用いることが有利である。なぜ
なら室温から雰囲気制御が可能なため初期酸化膜をかな
り抑制することが可能であり、かつ、枚葉式であるため
前述のような複数枚処理の欠点がない。ただし、ハロゲ
ンランプ加熱装置で成膜した酸窒化膜は抵抗加熱炉で作
成したそれに比べ経時絶縁破壊（ＴＤＤＢ）特性が悪い
という結果が最近本発明者らの実験によって明らかにな
った。

【０００８】図４は、ハロゲンランプ加熱炉で成膜した
酸窒化膜（ＲＴＰ−ＮＯ）と抵抗加熱炉で形成した酸窒
化膜（Ｆｕｒｎａｃｅ−ＮＯ）のＴＤＤＢ特性（Ｑｂ
ｄ）を比較したグラフである。これは、１００μｍ×１
００μｍの大きさのアキュムレーション型ｐＭＯＳのゲ
ート酸窒化膜に０．１Ａ／ｃｍ² の電流を流し、絶縁破
壊を起こす迄の時間を測定して横軸に目盛ったものであ
る。同図から明らかなように、ＲＴＰ−ＮＯ膜は一桁以
上絶縁破壊時間が短い。また、ランプ加熱炉はその装置
構造上、水蒸気や塩化水素ガスを流すのが難しく、した
がって、ＴＤＤＢ特性に優れる加湿酸化膜やタイムゼロ
絶縁破壊（ＴＺＤＢ）特性に優れるハロゲン含有酸化膜
を形成することができない。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】以上説明したように、
抵抗加熱炉を使用した酸窒化膜の形成方法では、初期段
階での酸窒化反応の制御が難しく窒素含有量が精度よく
コントロールされた酸窒化膜を正確な膜厚に形成するこ
とが困難であり、一方、急速加熱法を用いた形成方法で
は、ＴＤＤＢ特性およびＴＺＤＢ特性の優れた酸窒化膜
を得ることが困難であった。従って、本発明の課題は、
初期反応過程を精度よく制御できるようにするととも
に、ＴＤＤＢ特性およびＴＺＤＢ特性に優れたゲート酸
窒化膜を形成できるようにして、４ｎｍ程度以下の膜厚
であっても長期信頼性の高い高品質のゲート絶縁膜を再
現性高く形成しうるようにすることである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、本発明によれば、（１）急速加熱炉内において酸化
・窒化雰囲気中にてシリコン基板の表面に酸窒化膜を形
成する第１の工程と、（２）抵抗加熱炉内において酸化
性または酸化・窒化性雰囲気中にてシリコン基板の表面
にシリコン酸化膜またはシリコン酸窒化膜を形成する第
２の工程と、を有する薄膜絶縁膜の形成方法、が提供さ
れる。

【００１１】そして、好ましくは、前記第（１）の工程
での熱酸窒化が、５００〜８００℃の温度で行われ、前
記第（２）の工程での熱酸化または熱酸窒化が、８００
〜１０００℃の温度で行われる。また、前記第（１）の
工程および前記第（２）の工程で形成される絶縁膜の合
計膜厚は５ｎｍ以下になされる。

【００１２】

【作用】本発明においては、最初に耐酸化性の大きい窒
素含有の層を急速加熱炉で形成するが、このようにする
ことにより、抵抗加熱炉のみで作るよりも初期酸化膜、
巻き込み酸化膜を抑え易く、薄い膜を形成する場合の膜
厚制御性、窒素分布制御性を高く維持することが可能に
なる。また、一般に急速加熱炉で作成する酸化膜および
酸窒化膜は抵抗加熱炉で作成する酸化膜に比較して膜質
が劣り、信頼性が低いが、本発明においては、ゲート絶
縁膜の一部を抵抗加熱炉で作成することにより膜質を向
上させることができる。さらに、基本的に金属治具の使
用が避けられない急速加熱炉では、ハロゲン系のガスが
流し難いが、本発明の方法によれば、窒素を含有しかつ
ハロゲン元素を含有するゲート絶縁膜を作成することも
可能になる。

【００１３】

【発明の実施の形態】次に、図面を参照して本発明の実
施の形態について説明する。図１は、本発明の第１の実
施の形態を示す工程順の断面図である。図１（ａ）に示
すように、シリコン基板１１上にＬＯＣＯＳ法若しくは
改良ＬＯＣＯＳ法により選択的に素子分離膜１２を形成
する。以下の説明のために、図１（ａ）の素子分離領域
１２によって分離された活性領域を一部拡大して図１
（ｂ）に示す。このウェハを急速加熱炉、すなわちＲＴ
Ｐ（Rapid Thermal Process ）炉に装着する。そして、
熱酸窒化を行うのであるが、この酸窒化膜の形成工程に
先立って、還元性雰囲気中で熱処理を行うようにするこ
とができる。この熱処理により、大気中の酸素と反応し
てシリコン基板の表面に薄く形成された、膜質のよくな
い初期酸化膜（自然酸化膜）を除去することができる。
この熱処理は、例えば、Ｈ ₂ ガスあるいはＨＦを供給し
つつ７００℃から１０００℃の温度に加熱して行うこと
ができる。

【００１４】上記熱処理を経た後あるいは経ることな
く、窒素および酸素を含む酸窒化雰囲気下において５０
０℃から８００℃の温度に加熱して１〜４ｎｍの膜厚の
シリコン酸窒化膜１３を形成する〔図１（ｃ）〕。この
とき、炉内に供給するガスは、ＮＯガスまたはＮ₂ Ｏガ
スまたはＮＯとＯ₂ との混合ガスまたはＮ₂ ＯとＯ₂ と
の混合ガスまたはＮＯとＮ₂ との混合ガスまたはＮ₂ Ｏ
とＮ₂ との混合ガスまたはＮＯと希ガスとの混合ガスま
たはＮ₂ Ｏと希ガスとの混合ガスの何れかを使用するこ
とができる。急速加熱炉としては、ハロゲンランプアニ
ーラを有利に使用することができるが、アルゴンランプ
やＭｏＳｉブロックヒータを用いた加熱炉であってもよ
い。

【００１５】次に、ウェハを抵抗加熱炉内に装着し、酸
化性雰囲気中にて、８００℃から１０００℃の温度に加
熱して膜厚１〜４ｎｍのシリコン酸化膜１４を形成し、
合計膜厚が５ｎｍ以下の薄膜絶縁膜を形成する〔図１
（ｄ）〕。この熱酸化は、ウェット酸化法若しくはドラ
イ酸化法により行なわれる。ウェット法を用いる場合に
は、Ｈ₂ ＯガスまたはＨ₂ ＯとＯ₂ との混合ガスを用い
ることができる。ドライ法により行う場合には、Ｏ₂ 、
Ｏ₃ またはそれらの混合ガスを供給することができる。
さらに、このときこれらの反応ガスにＡｒやＮ₂ などの
不活性ガスを混入させることもできる。

【００１６】また、熱酸化工程中に、ＨＣｌガスやＣｌ
₂ ガスなどのハロゲン元素を含むガスを供給して形成さ
れるシリコン酸化膜中にハロゲン元素がドープされるよ
うにしてもよい。また、ＨＣｌガスを供給する場合に
は、ＣＣｌ₄ 、Ｃ₂ ＨＣｌ₃ 、ＣＨ₂ Ｃｌ₂ またはＣ₂
Ｈ₃ Ｃｌ₃ を用いてＨＣｌガスを発生させるようにして
もよい。

【００１７】図２は、本発明の第２の実施の形態を示す
工程順の断面図である。まず、図２（ａ）に示すよう
に、シリコン基板２１の表面にトレンチ分離法を用いて
選択的に素子分離膜２２を形成する。以下の説明のため
に、図２（ａ）の素子分離領域２２によって分離された
活性領域を一部拡大して図２（ｂ）に示す。このウェハ
を急速加熱炉に装着して熱酸窒化を行うのであるが、こ
の酸窒化膜の形成工程は先の第１の実施の形態と同様で
あるので、その説明は省略する。図２（ｃ）に示すよう
に、シリコン基板２１上に第１のシリコン酸窒化膜２３
を形成した後、ウェハを、抵抗加熱炉に装着する。

【００１８】そして、酸窒化雰囲気中にて、８００℃か
ら１０００℃の温度に加熱して膜厚１〜４ｎｍの第２の
シリコン酸窒化膜２４を形成し、合計膜厚が５ｎｍ以下
の薄膜絶縁膜を形成する〔図２（ｄ）〕。このとき、炉
内に供給するガスは、ＮＯガスまたはＮ₂ Ｏガスまたは
ＮＯ₂ ガスまたはＮＯとＯ₂ との混合ガスまたはＮ₂Ｏ
とＯ₂ との混合ガスまたはＮＯ₂ とＯ₂ との混合ガスま
たはＮＯとＮ₂ との混合ガスまたはＮ₂ ＯとＮ₂ との混
合ガスまたはＮＯ₂ とＮ₂ との混合ガスまたはＮＯと希
ガスとの混合ガスまたはＮ₂ Ｏと希ガスとの混合ガスま
たはＮＯ₂ と希ガスとの混合ガスの何れかを用いること
ができる。そして、第２のシリコン酸窒化膜２４におけ
るＮ（窒素）の濃度を第１のシリコン酸窒化膜２３のそ
れより低くすることができる。また、第１の実施の形態
の場合と同様に、酸窒化膜の工程中に、ＨＣｌガスやＣ
ｌ₂ ガスなどのハロゲン元素を含むガスを供給して形成
されるシリコン酸窒化膜中にハロゲン元素がドープされ
るようにしてもよい。

【００１９】

【実施例】次に、本発明の好ましい実施例について説明
する。［実施例１］まず、シリコン基板表面にＬＯＣＯＳ法に
により素子分離膜を形成した後、ＬＯＣＯＳ法にて用い
られたシリコン窒化膜をリン酸にて除去し、さらにシリ
コン基板表面のシリコン酸化膜を希フッ酸処理にて除去
した。このウェハをハロゲンランプ加熱炉に装着してＮ
Ｏを毎分２リットル流しながら１０Ｔｏｒｒの圧力下で
７００℃、１０秒の加熱処理を行った。この処理によっ
てシリコン基板表面上に１ｎｍ程度の膜厚の酸窒化膜が
形成された。その後、抵抗加熱型の拡散装置においてド
ライ酸素雰囲気中で９００℃、６０分（常圧）の酸化処
理を行い、シリコン基板と酸窒化膜との界面にシリコン
酸化膜を形成した。形成された薄膜絶縁膜の全体の膜厚
は約４ｎｍであった。

【００２０】［実施例２］シリコン基板表面にトレンチ
型の素子分離膜を形成した後、シリコン基板表面に希フ
ッ酸処理を行った。このウェハをハロゲンランプ加熱炉
に装着してＮ₂ Ｏを毎分２リットル流しながら１０Ｔｏ
ｒｒの圧力下で７００℃、１０秒の加熱処理を行った。
この処理によってシリコン基板表面上に１ｎｍ程度の膜
厚の酸窒化膜が形成された。その後、抵抗加熱炉内に装
着し、Ｈ₂ Ｏ＋Ｏ₂ の混合ガスを供給しつつ８５０℃、
６０分（常圧）の酸化処理を行い、シリコン基板と酸窒
化膜との界面にシリコン酸化膜を形成した。形成された
薄膜絶縁膜の全体の膜厚は約４ｎｍであった。

【００２１】［実施例３］シリコン基板表面にトレンチ
型の素子分離膜を形成した後、シリコン基板表面に希フ
ッ酸処理を行った。このウェハをハロゲンランプ加熱炉
に装着してＨ₂ ガスを流しながら９５０℃、２０秒の熱
処理を行った。その後、ＮＯを毎分２リットル流しなが
ら１０Ｔｏｒｒの圧力下で７００℃、２０秒の加熱処理
を行った。この処理によってシリコン基板表面上に１．
５ｎｍ程度の膜厚の第１のシリコン酸窒化膜が形成され
た。その後、抵抗加熱炉内に装着し、ＮＯ₂ ＋Ｏ₂ の混
合ガスを供給しつつ９００℃、６０分（常圧）の酸化処
理を行い、シリコン基板と第１のシリコン酸窒化膜との
界面に第２のシリコン酸窒化膜を形成した。形成された
薄膜絶縁膜の全体の膜厚は約４ｎｍであった。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の薄膜絶縁
膜の形成方法は、まず急速加熱炉内にて酸窒化膜を形成
した後、抵抗加熱炉内にて酸化膜ないし酸窒化膜を形成
するものであるので、絶縁膜形成の初期段階において高
精度の膜厚と組成を有する酸窒化膜を形成することがで
きるとともに、ＴＤＤＢ特性およびＴＺＤＢ特性に優れ
た薄膜の絶縁膜を形成することができ、４ｎｍ以下の極
薄の絶縁膜であっても再現性がよく信頼性の高い絶縁膜
を提供することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に第１の実施の形態を示す工程順の断面
図。

【図２】本発明に第２の実施の形態を示す工程順の断面
図。

【図３】従来技術の問題点を説明するためのポテンシャ
ル分布図。

【図４】従来技術の問題点を説明するためのＴＤＤＢ特
性を示すグラフ。

【符号の説明】

１１、２１シリコン基板１２、２２素子分離膜１３シリコン酸窒化膜１４シリコン酸化膜２３第１のシリコン酸窒化膜２４第２のシリコン酸窒化膜３１電子３２トラップ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】（１）急速加熱炉内において酸化・窒化
性雰囲気中にてシリコン基板の表面に酸窒化膜を形成す
る第１の工程と、（２）抵抗加熱炉内において酸化性または酸化・窒化性
雰囲気中にてシリコン基板の表面にシリコン酸化膜また
はシリコン酸窒化膜を形成する第２の工程と、を有する
ことを特徴とする薄膜絶縁膜の形成方法。
【請求項２】前記第（１）の工程に先立って、前記急
速加熱炉内において還元性雰囲気中での熱処理を行うこ
とを特徴とする請求項１記載の薄膜絶縁膜の形成方法。
【請求項３】前記熱処理をＨ₂ ガスまたはＮＨ₃ ガス
雰囲気中で７００〜１０００℃の温度で行うことを特徴
とする請求項２記載の薄膜絶縁膜の形成方法。
【請求項４】前記第（１）の工程で用いられる急速加
熱炉がハロゲンランプ加熱炉であることを特徴とする請
求項１〜３の何れかに記載の薄膜絶縁膜の形成方法。
【請求項５】前記第（１）の工程での酸化・窒化雰囲
気が炉内にＮＯまたはＮ₂ ＯまたはＮＯとＯ₂ との混合
ガスまたはＮ₂ ＯとＯ₂ との混合ガスまたはＮＯとＮ₂
との混合ガスまたはＮ₂ ＯとＮ₂ との混合ガスまたはＮ
Ｏと希ガスとの混合ガスまたはＮ₂ Ｏと希ガスとの混合
ガスを供給することによって形成されることを特徴とす
る請求項１〜４の何れかに記載の薄膜絶縁膜の形成方
法。
【請求項６】前記第（１）の工程での酸窒化が５００
〜８００℃の温度で行なわれることを特徴とする請求項
１〜５の何れかに記載の薄膜絶縁膜の形成方法。
【請求項７】前記第（２）の工程での熱酸化を、ウェ
ット酸化法またはドライ酸化法にて行うことを特徴とす
る請求項１〜６の何れかに記載の薄膜絶縁膜の形成方
法。
【請求項８】前記ドライ酸化法を、前記抵抗加熱炉内
に、Ｏ₂ ガス、または、Ｏ₃ ガス、または、Ｏ₂ とＯ₃
との混合ガスを供給することによって行うことを特徴と
する請求項７記載の薄膜絶縁膜の形成方法。
【請求項９】前記第（２）の工程での酸化・窒化雰囲
気が炉内にＮＯガスまたはＮ₂ ＯガスまたはＮＯ₂ ガス
またはＮＯとＯ₂ との混合ガスまたはＮ₂ ＯとＯ₂ との
混合ガスまたはＮＯ₂ とＯ₂ との混合ガスまたはＮＯと
Ｎ₂ との混合ガスまたはＮ₂ ＯとＮ₂ との混合ガスまた
はＮＯ₂ とＮ₂ との混合ガスまたはＮＯと希ガスとの混
合ガスまたはＮ₂ Ｏと希ガスとの混合ガスまたはＮＯ₂
と希ガスとの混合ガスを供給することによって形成され
ることを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の薄膜
絶縁膜の形成方法。
【請求項１０】前記第（２）の工程での熱酸化または
熱酸窒化を、８００〜１０００℃の温度で行うことを特
徴とする請求項１〜８の何れかに記載の薄膜絶縁膜の形
成方法。
【請求項１１】前記第（２）の工程での熱酸化または
熱酸窒化を、ハロゲン元素を含む雰囲気中で行うことを
特徴とする請求項１〜１０の何れかに記載の薄膜絶縁膜
の形成方法。
【請求項１２】前記第（２）の工程での熱酸化または
熱酸窒化を、ＨＣｌガスまたはＣｌ₂ ガスを含む雰囲気
中で行うことを特徴とする請求項１〜１０の何れかに記
載の薄膜絶縁膜の形成方法。
【請求項１３】ＨＣｌガスを、ＣＣｌ₄ 、Ｃ₂ ＨＣｌ
₃ 、ＣＨ₂ Ｃｌ₂ またはＣ₂ Ｈ₃ Ｃｌ₃ を用いて発生さ
せることを特徴とする請求項１２記載の薄膜絶縁膜の形
成方法。
【請求項１４】前記第（１）の工程および前記第
（２）の工程で形成される絶縁膜の合計膜厚が５ｎｍ以
下であることを特徴とする請求項１〜１３の何れかに記
載の薄膜絶縁膜の形成方法。