JP2003142482A - Method of manufacturing oxynitride film and method of manufacturing semiconductor device - Google Patents
Method of manufacturing oxynitride film and method of manufacturing semiconductor deviceInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、酸窒化膜の製造方
法及び半導体装置の製造方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for manufacturing an oxynitride film and a method for manufacturing a semiconductor device.
【0002】[0002]
【従来の技術】シリコン半導体集積回路の微細化に伴
い、MOS(metal oxidesemicond
uctor)型半導体素子の寸法が微細化している。I
TRS(International Technol
ogy Roadmap for Semicondu
ctor)の2000年update版によると、20
05年頃以降はシリコン酸化膜換算膜厚(Equiva
lent Physidal Oxide Thick
ness:以下、EOTと略す)で厚さ1.5nm以下
のゲート絶縁膜が必要となる。2. Description of the Related Art With the miniaturization of silicon semiconductor integrated circuits, MOS (Metal Oxide Semiconductor)
The size of the (uctor) type semiconductor element has been miniaturized. I
TRS (International Technology)
odyy Roadmap for Semiconductor
According to the 2000 update version of
After 2005, the equivalent film thickness of silicon oxide film (Equiva
Lent Physical Oxide Thick
A gate insulating film having a thickness of 1.5 nm or less is required in terms of “ness: abbreviated as EOT” hereinafter.
【0003】この厚さ1.5nm以下のゲート絶縁膜膜
でリーク電流を抑制するためには、SiO2膜或いは窒
素濃度が20%よりも低いシリコン酸窒化膜(以下、S
iON膜と呼ぶ)では不十分である。このためSiON
膜の膜中の窒素濃度を高めて誘電率を高くする方法或い
は金属酸化物や金属シリケート等のもともと高い誘電率
を有する高誘電体膜(以下、high−k膜と呼ぶ)を
ゲート絶縁膜に用いる方法が提案されている。In order to suppress the leak current in the gate insulating film having a thickness of 1.5 nm or less, a SiO 2 film or a silicon oxynitride film having a nitrogen concentration lower than 20% (hereinafter referred to as S
(It is called an iON film) is insufficient. Therefore, SiON
A method of increasing the nitrogen concentration in the film to increase the dielectric constant, or a high-dielectric film (hereinafter referred to as a high-k film) that originally has a high dielectric constant, such as a metal oxide or a metal silicate, as a gate insulating film. The method used is proposed.
【0004】さらに、ロジック集積回路のMOS型半導
体素子は、リーク電流の抑制とともに高い電流駆動力が
要求されるため、移動度を大きくすることが必須であ
る。このためゲート絶縁膜として使われるSiON膜や
high−k膜には、界面準位密度と固定電荷密度を低
減して移動度の低下を抑制することが要求される。Further, since the MOS type semiconductor element of the logic integrated circuit is required to have high current driving capability as well as to suppress leak current, it is essential to increase the mobility. Therefore, the SiON film and the high-k film used as the gate insulating film are required to reduce the interface state density and the fixed charge density to suppress the decrease in mobility.
【0005】このようなゲート絶縁膜としての特性を達
成するために、従来SiON膜の形成方法としては、S
i基板表面上に形成されたSiO2膜をNOガスによっ
て酸窒化する方法や窒素プラズマによって窒化する方法
が用いられてきた。In order to achieve such characteristics as the gate insulating film, the conventional SiON film forming method is S
A method of oxynitriding a SiO 2 film formed on the surface of an i substrate with NO gas or a method of nitriding with a nitrogen plasma has been used.
【0006】しかしながらSiO2膜をNOガスによっ
て酸窒化する方法ではSiO2膜/Si基板界面近傍に
窒素原子が拡散して入るため、界面準位や固定電荷が発
生し移動度が低下するという問題がある。この結果、M
OS型半導体素子の駆動力が低下してしまう。さらに、
この方法では、SiO2膜中に入る窒素濃度が不十分な
まま飽和してしまい十分に窒化されないという問題があ
る。この結果必要な誘電率を達成することができない。However, in the method of oxynitriding the SiO 2 film with NO gas, nitrogen atoms diffuse into the vicinity of the interface between the SiO 2 film and the Si substrate, so that an interface state or fixed charge is generated and mobility is lowered. There is. As a result, M
The driving force of the OS type semiconductor element is reduced. further,
In this method, there is a problem that the nitrogen concentration in the SiO 2 film is saturated with insufficient nitrogen concentration and is not sufficiently nitrided. As a result, the required dielectric constant cannot be achieved.
【0007】一方、SiO2膜を窒素プラズマによって
窒化する方法(以下、プラズマ窒化と呼ぶ)では、厚さ
数nm程度ではSiO2膜/Si基板界面付近の窒素濃
度を抑制できることが報告されている(M.Togo、
K.Watanabe、T.Yamamoto、N.I
karashi、K.Shiba、T.Tatsum
i、H.Ono、and T.Mogami、2000
Symp.on VLSI Tech.p.11
6)。On the other hand, it has been reported that the method of nitriding the SiO 2 film with nitrogen plasma (hereinafter referred to as plasma nitriding) can suppress the nitrogen concentration near the SiO 2 film / Si substrate interface with a thickness of about several nm. (M. Togo,
K. Watanabe, T .; Yamamoto, N.M. I
Karashi, K .; Shiba, T .; Tatsum
i, H.I. Ono, T. Mogami, 2000
Symp. on VLSI Tech. p. 11
6).
【0008】しかしながらSiO2膜のプラズマ窒化で
もSiO2膜中の窒素濃度が不十分なまま飽和してしま
い十分に窒化されないという問題がある。さらに、今後
ゲート絶縁膜に必要な厚さである1.5nm程度以下で
は、プラズマ窒化でも窒素原子がSiO2膜/Si基板
界面に到達してしまうので、界面準位や固定電荷の発生
を防ぐことはできない。However the nitrogen concentration of SiO 2 film in the plasma nitridation of SiO 2 film has a problem of not being sufficiently nitrided becomes saturated remains insufficient. Furthermore, if the thickness is about 1.5 nm or less, which is the thickness required for the gate insulating film in the future, nitrogen atoms will reach the SiO 2 film / Si substrate interface even in plasma nitriding, thus preventing generation of the interface state and fixed charges. It is not possible.
【0009】また、ゲート絶縁膜としてhigh−k膜
を用いる場合、金属酸化物とSi基板との直接接触によ
る界面特性の劣化を防ぐために、金属酸化物とSi基板
との間にバッファ層としてSiON膜を形成することが
検討されている。When a high-k film is used as the gate insulating film, in order to prevent deterioration of the interface characteristics due to direct contact between the metal oxide and the Si substrate, SiON is used as a buffer layer between the metal oxide and the Si substrate. Forming a film is being considered.
【0010】しかしながらバッファ層としてSiON膜
を使う場合、窒素濃度が不十分では、金属酸化物を形成
する時のスパッタリング、蒸着、レーザーアブレーショ
ン、化学的気相成長(CVD)或いはO2アニール雰囲
気によって、EOTが増加してしまう問題或いは酸素原
子や窒素原子がSi基板や金属酸化物中に相互に拡散し
てしまう問題がある。However, when the SiON film is used as the buffer layer, if the nitrogen concentration is insufficient, sputtering, vapor deposition, laser ablation, chemical vapor deposition (CVD) or O 2 annealing atmosphere at the time of forming the metal oxide causes There is a problem that EOT increases, or oxygen atoms and nitrogen atoms diffuse into the Si substrate and the metal oxide.
【0011】[0011]
【発明が解決しようとする課題】従来用いられてきたS
iO2膜のプラズマ窒化によって形成されたSiON膜
は、(1)膜中の窒素濃度が不十分なため、今後必要と
されるEOTの小さいデバイスに用いるには誘電率が小
さすぎる、(2)厚さ1.5nm程度以下ではSiO2
膜/Si基板界面に窒素が拡散して界面準位や固定電荷
が発生する、(3)膜中の窒素濃度が不十分なので膜表
面にhigh−k膜を形成するときSiON膜が酸化さ
れてEOT膜厚が増加する或いは酸素原子や窒素原子が
Si基板や金属酸化物中に相互に拡散してしまうという
問題点がある。[Problems to be Solved by the Invention]
The SiON film formed by plasma nitridation of the iO 2 film has a (1) insufficient nitrogen concentration in the film, and therefore has a too low dielectric constant for use in a device having a small EOT required in the future, (2) If the thickness is about 1.5 nm or less, SiO 2
Nitrogen diffuses at the film / Si substrate interface to generate interface states and fixed charges. (3) Since the nitrogen concentration in the film is insufficient, the SiON film is oxidized when the high-k film is formed on the film surface. There is a problem that the EOT film thickness increases or oxygen atoms and nitrogen atoms diffuse into each other in the Si substrate and the metal oxide.
【0012】本発明はこれらの問題点を解決するために
なされたものであり、SiO2膜の表面近傍のみに窒素
を高濃度に導入することが可能で、上記の問題を解決す
ることのできる酸窒化膜の製造方法及び半導体装置の製
造方法を提供する。The present invention has been made to solve these problems, and nitrogen can be introduced at a high concentration only in the vicinity of the surface of the SiO 2 film, and the above problems can be solved. Provided are a method for manufacturing an oxynitride film and a method for manufacturing a semiconductor device.
【0013】[0013]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、二重項状態或いは四重項状態の窒素原子
ラジカルを含有する窒化源ガスをシリコン原子及び酸素
原子を含有する絶縁膜の表面に供給し、前記絶縁膜の表
面を窒化することを特徴とする酸窒化膜の製造方法を提
供する。In order to achieve the above object, the present invention provides an insulating source containing a silicon atom and an oxygen atom for a nitriding source gas containing a nitrogen atom radical in a doublet state or a quartet state. A method for producing an oxynitride film, which comprises supplying the film to the surface of the film and nitriding the surface of the insulating film.
【0014】また、本発明は、二重項状態或いは四重項
状態の窒素原子ラジカルを含有する窒化源ガスを、シリ
コン層上に形成されたシリコン原子及び酸素原子を含有
する絶縁膜層の表面に供給し、前記絶縁膜の表面を窒化
する工程と、前記絶縁膜の窒化された表面上に金属酸化
物膜或いは金属酸化物とシリコン酸化物との固溶体膜を
形成する工程とを具備することを特徴とする半導体装置
の製造方法を提供する。Further, according to the present invention, the nitriding source gas containing nitrogen atom radicals in the doublet state or the quartet state is applied to the surface of the insulating film layer containing silicon atoms and oxygen atoms formed on the silicon layer. And nitriding the surface of the insulating film, and forming a metal oxide film or a solid solution film of metal oxide and silicon oxide on the nitrided surface of the insulating film. A method of manufacturing a semiconductor device is provided.
【0015】このとき、窒素原子を有する分子のガスに
光を照射して12.14eV以上のエネルギーを与える
ことによって、前記二重項状態の窒素原子ラジカルを含
有する窒化源ガスを生成することが好ましい。At this time, the nitriding source gas containing nitrogen atom radicals in the doublet state can be generated by irradiating light to a gas of a molecule having a nitrogen atom to give energy of 12.14 eV or more. preferable.
【0016】また、窒素原子を有する分子のガスのプラ
ズマに光を照射して5.92eV以上のエネルギーを与
えることによって、前記二重項状態の窒素原子ラジカル
を含有する窒化源ガスを生成することが好ましい。In addition, a nitriding source gas containing nitrogen atom radicals in the doublet state is generated by irradiating plasma of a gas of molecules having nitrogen atoms with light to give energy of 5.92 eV or more. Is preferred.
【0017】また、窒素原子を有する分子のガスに光を
照射して14.53eV以上のエネルギーを与えること
によって、前記二重項状態の窒素原子ラジカルを含有す
る窒化源ガスを生成することが好ましい。Further, it is preferable to generate a nitriding source gas containing nitrogen atom radicals in the doublet state by irradiating a gas of a molecule having a nitrogen atom with light to give energy of 14.53 eV or more. .
【0018】また、窒素原子を有する分子のガスのプラ
ズマに光を照射して8.31eV以上のエネルギーを与
えることによって、前記二重項状態の窒素原子ラジカル
を含有する窒化源ガスを生成することが好ましい。In addition, a nitriding source gas containing nitrogen atom radicals in the doublet state is generated by irradiating plasma of a gas of molecules having nitrogen atoms with light to give energy of 8.31 eV or more. Is preferred.
【0019】また、前記窒化源ガスは、窒素原子を有す
る分子のガスの分圧が133.3Pa(パスカル)以下
であることが好ましい。Further, it is preferable that the nitriding source gas has a partial pressure of a gas of a molecule having a nitrogen atom of 133.3 Pa (Pascal) or less.
【0020】また、窒素原子を有する分子のガスに光を
照射して9.76eV以上のエネルギーを与えることに
よって、前記四重項状態の窒素原子ラジカルを含有する
窒化源ガスを生成することが好ましい。Further, it is preferable to generate a nitriding source gas containing nitrogen atom radicals in the quartet state by irradiating a gas of a molecule having a nitrogen atom with light to give energy of 9.76 eV or more. .
【0021】また、窒素原子を有する分子のガスのプラ
ズマに光を照射して3.54eV以上のエネルギーを与
えることによって、前記四重項状態の窒素原子ラジカル
を含有する窒化源ガスを生成することが好ましい。In addition, a nitriding source gas containing nitrogen atom radicals in the quartet state is generated by irradiating plasma of a gas of molecules having nitrogen atoms with light to give energy of 3.54 eV or more. Is preferred.
【0022】また、前記窒化源ガスは、窒素原子を分子
中に含有するガスの分圧が1333Pa(パスカル)以
下であることが好ましい。The nitriding source gas preferably has a partial pressure of gas containing nitrogen atoms in the molecule of 1333 Pa (Pascal) or less.
【0023】また、前記窒素原子を有する分子のガスは
N2、NCl3、NF3、NH3、NO、NO2、N2
Oのいずれかを含有することが好ましい。The gas of the molecule having the nitrogen atom is N 2 , NCl 3 , NF 3 , NH 3 , NO, NO 2 or N 2.
It is preferable to contain any one of O.
【0024】また、前記金属酸化物膜はTa2O6、T
iO2、ZrO2、HfO2、La 2O3、Gd
2O3、Sc2O3、Pr2O3、Nd2O3、Sm2
O3、Eu 2O3、Dy2O3、Ho2O3、Yb2O
3、YxOyのいずれかを含有し、前記金属酸化物とシ
リコン酸化物との固溶体膜はZrxSiyOz、Hrx
Si yOz、LaxSiyOz、TixSiyOz、L
axAlyOz、ZrxTi yOz、SnxTi
yOz、SrxZryOz、BaxZryOzのいずれ
かを含有することが好ましい。The metal oxide film is made of Ta.TwoO6, T
iOTwo, ZrOTwo, HfOTwo, La TwoOThree, Gd
TwoOThree, ScTwoOThree, PrTwoOThree, NdTwoOThree, SmTwo
OThree, Eu TwoOThree, DyTwoOThree, HoTwoOThree, YbTwoO
Three, YxOyOf the metal oxide and
Zr is a solid solution film with recon oxidexSiyOz, Hrx
Si yOz, LaxSiyOz, TixSiyOz, L
axAlyOz, ZrxTi yOz, SnxTi
yOz, SrxZryOz, BaxZryOzWhich of
It is preferable to contain
【0025】本発明では、N2 *(窒素分子の励起状
態、以下窒素分子ラジカルと呼ぶ)より反応性の高い窒
素原子ラジカルの基底状態である四重項状態のN
(4S)、より好ましくはその励起状態である二重項状
態のN(2D)或いはN(2P)を用いてSiO2膜の
表面を窒化することによって、SiO2膜の表面近傍に
のみ高濃度に窒化することが可能となる。In the present invention, N in a quartet state, which is a ground state of a nitrogen atom radical having higher reactivity than N 2 * (excited state of nitrogen molecule, hereinafter referred to as nitrogen molecule radical).
(4 S), more preferably by nitriding the surface of the SiO 2 film by using the N (2 D), or N (2 P) of the doublet state its excited state, in the vicinity of the surface of the SiO 2 film Only high concentration can be nitrided.
【0026】この結果SiO2膜/Si界面の界面に
は、窒素原子が拡散されず界面準位や固定電荷を抑制す
ることが可能となり、さらにSiON膜の窒素濃度を高
濃度にできるので誘電率を高くすることが可能となる。
したがってEOTの小さいSiON膜をゲート絶縁膜と
して適用可能になる。As a result, nitrogen atoms are not diffused at the interface of the SiO 2 film / Si interface, the interface states and fixed charges can be suppressed, and the nitrogen concentration of the SiON film can be made high, so that the dielectric constant can be increased. Can be increased.
Therefore, the SiON film having a small EOT can be applied as the gate insulating film.
【0027】また、SiON膜表面に金属酸化物膜を形
成するときは酸化性雰囲気によるSiON膜成長が抑制
され、high−k膜全体としてのEOTの増加が抑制
されるとともにSiON膜の窒素原子が高濃度で緻密化
しているので酸素や窒素がSi基板や金属酸化物膜中に
相互に拡散することを防ぐことができる。When the metal oxide film is formed on the surface of the SiON film, the growth of the SiON film due to the oxidizing atmosphere is suppressed, the increase of the EOT of the high-k film as a whole is suppressed, and the nitrogen atoms of the SiON film are reduced. Since it is densified at a high concentration, it is possible to prevent oxygen and nitrogen from mutually diffusing into the Si substrate or the metal oxide film.
【0028】[0028]
【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施の形態(以下、実施形態という)を説明する。な
お、本発明は以下の実施形態に限定されることなく種々
工夫して用いることができる。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention (hereinafter referred to as embodiments) will be described below with reference to the drawings. The present invention is not limited to the following embodiments and can be variously devised and used.
【0029】(実施形態1)図1は、本発明にかかるS
iON膜の製造装置の断面図である。(First Embodiment) FIG. 1 shows an S according to the present invention.
It is sectional drawing of the manufacturing apparatus of an iON film.
【0030】この製造装置は、筐体201中に、シリコ
ン基板101を搭載し且つこれに熱を印加することので
きるヒーター202が配置されている。筐体201に
は、シリコン基板101の表面を窒化するための窒化源
ガスが供給されるための供給管203、2061、20
62、2063が設けられている。これらのうち供給管
203は、シリコン基板101の表面に対して平行方向
にガスを供給できるように壁部に設けられ、残りの供給
管2061、2062、2063は、シリコン基板10
1の表面に対して垂直方向にガスを供給できるように上
部に設けられている。また、供給管203、2061、
2062、2063には、それぞれ放電電極204、2
071、2072、2073が設けられ、供給されるガ
スにエネルギーを与えてプラズマ状態にすることができ
るようになっている。In this manufacturing apparatus, a housing 202 is provided with a silicon substrate 101 mounted thereon and a heater 202 capable of applying heat thereto. Supply pipes 203, 206 1 , 20 for supplying a nitriding source gas for nitriding the surface of the silicon substrate 101 to the housing 201.
6 2 and 206 3 are provided. Of these, the supply pipe 203 is provided on the wall portion so that gas can be supplied in a direction parallel to the surface of the silicon substrate 101, and the remaining supply pipes 206 1 , 206 2 , and 206 3 are the silicon pipe 10 and the remaining supply pipes.
It is provided on the upper part so that the gas can be supplied in a direction perpendicular to the surface of 1. In addition, the supply pipes 203, 206 1 ,
206 The 2, 206 3, respectively discharge electrodes 204,2
07 1, 207 2, 207 3 are provided, so that it can be a plasma state by applying energy to the gas to be supplied.
【0031】ここで、ガス供給管2061、2062、
2063をシリコン基板101の表面に対して上部から
ガスが供給できるように上部に設けたのは、特に窒化源
ガスを供給する際に、圧力を低く設定するためにラジカ
ルの平均自由行程が長くなりラジカルが他の分子や原子
に衝突する前にシリコン基板101の表面になるべく到
達させるようにするためである。Here, the gas supply pipes 206 1 , 206 2 ,
206 3 The gas from the upper portion is provided over so that it can supply to the surface of the silicon substrate 101, particularly when supplying a nitriding source gas, longer mean free path of the radicals to set a low pressure This is so that the radicals reach the surface of the silicon substrate 101 as much as possible before they collide with other molecules or atoms.
【0032】また、ガス供給管203をシリコン基板1
01の表面に対して横方向からガスが供給できるように
壁部に設けたのは、特に酸化させるための酸素源ガスを
供給する際に、酸化膜を基板面内に均一性よく形成する
ためである。Further, the gas supply pipe 203 is connected to the silicon substrate 1
01 is provided on the wall so that the gas can be supplied from the lateral direction in order to form an oxide film in the substrate surface with good uniformity, especially when supplying an oxygen source gas for oxidation. Is.
【0033】また、筐体201の壁部には、シリコン基
板101の表面に供給されたガスに対してエネルギーを
与えるための光を照射する照射口208が設けられてい
る。An irradiation port 208 for irradiating the gas supplied to the surface of the silicon substrate 101 with light for giving energy to the gas is provided on the wall of the housing 201.
【0034】さらに、筐体201の床部には、不要なガ
スを排気するための排気口2051、2052が設けら
れている。Further, exhaust ports 205 1 and 205 2 for exhausting unnecessary gas are provided on the floor of the casing 201.
【0035】次に、この装置を用いてシリコン基板上に
形成されたSiO2膜の表面を極薄く局所的に窒化する
方法について説明する。Next, a method of locally nitriding the surface of the SiO 2 film formed on the silicon substrate using this apparatus will be described.
【0036】先ず、筐体201内に設けられたヒーター
202上にシリコン基板101を搭載し加熱する。First, the silicon substrate 101 is mounted on the heater 202 provided in the housing 201 and heated.
【0037】次に、シリコン基板101の表面に、
O2、O3、H2O或いはH2O2等の酸化源ガスを主
に供給管203から供給し、SiO2膜を形成する。こ
のとき放電電極204で放電してプラズマ状態にしても
よい。Next, on the surface of the silicon substrate 101,
Oxide source gas such as O 2 , O 3 , H 2 O, or H 2 O 2 is mainly supplied from the supply pipe 203 to form a SiO 2 film. At this time, the discharge electrode 204 may be discharged to a plasma state.
【0038】次に、このSiO2膜が形成されたシリコ
ン基板101の表面に、N2、NH 3、NCl3、NF
3、NO、N2O或いはNO2等の分子中に窒素原子を
有するガスを供給管2061、2062、2063から
供給する。このとき放電電極2071、2072、20
73で放電してプラズマ状態にしてもよい。Next, this SiOTwoFilm-formed silicon
N on the surface of the substrate 101Two, NH Three, NClThree, NF
Three, NO, NTwoO or NOTwoNitrogen atom in the molecule such as
Supply gas 206 having gas1, 206Two, 206ThreeFrom
Supply. At this time, the discharge electrode 2071, 207Two, 20
7ThreeMay be discharged into a plasma state.
【0039】次に、供給管2061、2062、206
3の先端から噴出されたガスに光照射口208から励起
光209を導入して、シリコン基板101表面近傍にて
エネルギーを供給する。このときSiO2表面の窒化で
は、光照射口208から照射された励起光209によっ
て励起し、二重項状態の窒素原子ラジカルN(2D)、
N(2P)或いは四重項状態の窒素原子ラジカルN(4
S)を発生させる。このようにして二重項状態の窒素原
子ラジカル或いは四重項状態の窒素原子ラジカルを含有
する窒化源ガスを導入する。Next, the supply pipes 206 1 , 206 2 , 206
Excitation light 209 is introduced from the light irradiation port 208 into the gas ejected from the tip of No. 3 to supply energy near the surface of the silicon substrate 101. At this time, in the nitriding of the SiO 2 surface, the nitrogen atom radical N ( 2 D) in the doublet state is excited by the excitation light 209 emitted from the light irradiation port 208.
N ( 2 P) or a nitrogen atom radical N ( 4
S) is generated. In this way, a nitriding source gas containing nitrogen atom radicals in the doublet state or nitrogen atom radicals in the quartet state is introduced.
【0040】こうして、シリコン基板101上に形成さ
れたSiO2膜の表面を局所的に窒化することができ
る。Thus, the surface of the SiO 2 film formed on the silicon substrate 101 can be locally nitrided.
【0041】このとき供給管2061、2062、20
63の先端は、励起光209の幅が狭い場合、励起光2
09に効率よくガスを晒すため、ノズル状に細くなって
いる。また、シリコン基板101表面に均一に窒素原子
ラジカルを供給できるようにするため、供給管20
61、2062、2063は複数設けられている。ま
た、雰囲気中のガスは、排気口205を経由して排気さ
れる。At this time, the supply pipes 206 1 , 206 2 , 20
6 3 tip, when the width of the excitation light 209 is narrow, excitation light 2
In order to efficiently expose the gas to 09, it is thin like a nozzle. Further, in order to uniformly supply the nitrogen atom radicals to the surface of the silicon substrate 101, the supply pipe 20
A plurality of 6 1 , 206 2 , and 206 3 are provided. The gas in the atmosphere is exhausted via the exhaust port 205.
【0042】次に、図2乃至図7を用いて、図1の装置
を用いてSiON膜を作製し、これをn型MOSトラン
ジスタのゲート絶縁膜に用いた半導体装置の製造方法に
ついて説明する。Next, with reference to FIGS. 2 to 7, description will be given of a method of manufacturing a semiconductor device in which a SiON film is formed by using the apparatus of FIG. 1 and is used as a gate insulating film of an n-type MOS transistor.
【0043】先ず、図2に示すように、p型導電性を示
すシリコン基板101の表面に素子分離用の深い溝11
1を形成し、例えば液相CVD法等のCVD法によりシ
リコン酸化膜102を埋め込む。First, as shown in FIG. 2, a deep trench 11 for device isolation is formed on the surface of a silicon substrate 101 having p-type conductivity.
1 is formed and the silicon oxide film 102 is embedded by a CVD method such as a liquid phase CVD method.
【0044】次に、図3に示すように、シリコン基板1
01の表面を酸化してシリコン酸化膜112を形成す
る。Next, as shown in FIG. 3, the silicon substrate 1
The surface of 01 is oxidized to form a silicon oxide film 112.
【0045】このとき酸化前処理として、シリコン基板
101の希釈フッ酸処理を行う。シリコン基板101の
表面の汚染を効果的に除去するためには、塩酸処理、過
酸化水素水処理、オゾン水処理のような他の前処理を行
ってもよいが、最終処理は希釈フッ酸処理として、シリ
コン基板101表面の酸化膜を除去しておくことが好ま
しい。At this time, a dilute hydrofluoric acid treatment of the silicon substrate 101 is performed as a pre-oxidation treatment. In order to effectively remove the contamination on the surface of the silicon substrate 101, other pretreatments such as hydrochloric acid treatment, hydrogen peroxide solution treatment, and ozone water treatment may be performed, but the final treatment is diluted hydrofluoric acid treatment. As a result, it is preferable to remove the oxide film on the surface of the silicon substrate 101.
【0046】次に、前処理が終了したシリコン基板10
1を、図1に示す製造装置の筐体201内に搬送し、ヒ
ーター202でシリコン基板101を例えば900℃に
加熱する。この間、筐体201内は例えば0.1MPa
のN2ガスでパージしておく。Next, the silicon substrate 10 after the pretreatment is completed.
1 is conveyed into the casing 201 of the manufacturing apparatus shown in FIG. 1, and the silicon substrate 101 is heated to 900 ° C. by the heater 202. During this time, the inside of the housing 201 is, for example, 0.1 MPa.
Purge with N 2 gas.
【0047】次に、昇温後、筐体201内を排気口20
5から排気し、ガス供給管203からO2ガスを供給
し、筐体201内圧力を666.6Paに設定する。Next, after the temperature is raised, the inside of the housing 201 is exhausted through the exhaust port 20.
5 is exhausted, O 2 gas is supplied from the gas supply pipe 203, and the internal pressure of the housing 201 is set to 666.6 Pa.
【0048】このO2ガス流に対し、放電電極204か
ら、出力200W、周波数2.45GHzのマイクロ波
を30秒間印加し、酸素プラズマのダウンフローを用い
たラジカル酸化により図3に示すように厚さ2nmのシ
リコン酸化膜112を形成する。A microwave having an output of 200 W and a frequency of 2.45 GHz is applied to this O 2 gas flow for 30 seconds from the discharge electrode 204, and the thickness is increased by radical oxidation using the downflow of oxygen plasma as shown in FIG. A silicon oxide film 112 having a thickness of 2 nm is formed.
【0049】次に、酸化終了後、排気口205からO2
ガスを排気するとともに、ヒーター202の出力を調整
し、シリコン基板101の温度をシリコン酸化膜112
表面の窒化に用いる温度に設定する。Next, after the oxidation is completed, O 2 is discharged from the exhaust port 205.
The gas is exhausted and the output of the heater 202 is adjusted to control the temperature of the silicon substrate 101 to the silicon oxide film 112.
Set to the temperature used for surface nitriding.
【0050】次に、図4に示すように、シリコン酸化膜
112の表面を2重項状態或いは四重項状態の窒素原子
ラジカルによって窒化してゲート絶縁膜としてのシリコ
ン酸窒化膜103を形成する。Next, as shown in FIG. 4, the surface of the silicon oxide film 112 is nitrided by nitrogen atom radicals in a doublet state or a quartet state to form a silicon oxynitride film 103 as a gate insulating film. .
【0051】シリコン酸化膜112の表面の窒化は、次
に挙げる2通りを試みた。以下、窒素原子ラジカルの励
起状態である二重項状態のN(2D)を用いる窒化を本
発明(1)、基底状態である四重項状態のN(4S)を
用いる窒化を本発明(2)と呼ぶ。The nitriding of the surface of the silicon oxide film 112 was attempted in the following two ways. Hereinafter, nitridation using N ( 2 D) in the doublet state, which is an excited state of a nitrogen atom radical, is the present invention (1), and nitridation using N ( 4 S) in the quartet state, which is the ground state, is the present invention. Call (2).
【0052】本発明(1)による窒化方法として、ヒー
ター202の出力を調整して基板温度を例えば300℃
とした。3本のガス導入管2061、2062、206
3からN2ガスを導入し、筐体201内圧力を例えば1
33.3Paとした。ノズル状になっているガス導入管
2061、2062、2063の噴出口直下に、光照射
口208から波長248nm(エネルギー5.00e
V)のエキシマレーザー光209を照射した。In the nitriding method according to the present invention (1), the output of the heater 202 is adjusted to adjust the substrate temperature to, for example, 300.degree.
And Three gas introduction pipes 206 1 , 206 2 , 206
N 2 gas is introduced from 3 and the internal pressure of the casing 201 is set to 1
It was set to 33.3 Pa. A wavelength of 248 nm (energy 5.00e) is emitted from a light irradiation port 208 directly below the ejection ports of the nozzle-shaped gas introduction pipes 206 1 , 206 2 , and 206 3.
The excimer laser beam 209 of V) was irradiated.
【0053】このエキシマレーザー光209によりN2
の3光子励起(エネルギー15.00eV)を行い二重
項状態の窒素原子ラジカルであるN(2D)を生成し、
シリコン酸化膜112が形成されたシリコン基板101
の表面に吹きつけた。このようにしてシリコン酸化膜1
12の表面を窒化した。処理時間は、例えば基板温度3
00℃で20分とした。With this excimer laser beam 209, N 2
3 photon excitation (energy 15.00 eV) is performed to generate N ( 2 D) that is a nitrogen atom radical in a doublet state,
Silicon substrate 101 on which silicon oxide film 112 is formed
Sprayed on the surface of. In this way, the silicon oxide film 1
The surface of 12 was nitrided. The processing time is, for example, the substrate temperature 3
It was 20 minutes at 00 ° C.
【0054】次に、本発明(2)による窒化方法を説明
する。Next, the nitriding method according to the present invention (2) will be described.
【0055】先ず、ヒーター202の出力を調整して基
板温度を例えば500℃とした。3本のガス導入管20
61、2062、2063からN2ガスを導入し、筐体
201内圧力を例えば13.33Paとした。3本の導
入管2061、2062、2063のガス流N2にそれ
ぞれ3個の放電電極2071、2072、2073か
ら、出力100W、周波数2.45GHzのマイクロ波
を印加し、窒素分子プラズマを立てた。ノズル上になっ
ているガス導入管2061、2062、2063の噴出
口直下に、光照射口208から波長概ね350nm(エ
ネルギー3.54eV)の光209を照射した。First, the output of the heater 202 was adjusted so that the substrate temperature was set to 500 ° C., for example. Three gas introduction pipes 20
6 1, 206 2, by introducing 206 3 from N 2 gas, the pressure was within the housing 201 for example, and 13.33 Pa. A microwave having an output of 100 W and a frequency of 2.45 GHz was applied to the gas flows N 2 of the three introduction pipes 206 1 , 206 2 , and 206 3 from the three discharge electrodes 207 1 , 207 2 , and 207 3 , respectively, and nitrogen was supplied. Molecular plasma was set up. Light 209 having a wavelength of approximately 350 nm (energy 3.54 eV) was irradiated from a light irradiation port 208 directly below the ejection ports of the gas introduction pipes 206 1 , 206 2 , and 206 3 on the nozzle.
【0056】この照射光209により窒素分子プラズマ
中の窒素分子ラジカルN2(A3Σ u +)を励起し、四
重項状態の窒素原子ラジカルであるN(4S)を生成
し、シリコン酸化膜112が形成されたシリコン基板1
01の表面に吹きつけた。このようにしてシリコン酸化
膜112の表面を窒化した。処理時間は、例えば基板温
度500℃で10分とした。Nitrogen molecular plasma is generated by the irradiation light 209.
Nitrogen molecule radical N inTwo(AThreeΣ u +) And four
N (which is a nitrogen atom radical in the doublet stateFourGenerate S)
Then, the silicon substrate 1 on which the silicon oxide film 112 is formed
No. 01 surface was sprayed. In this way silicon oxidation
The surface of the film 112 was nitrided. The processing time is, for example, the substrate temperature.
The temperature was 500 ° C. and the time was 10 minutes.
【0057】以上、本発明(1)(2)いずれかの窒化
の終了後、筐体201内をN2パージ雰囲気に戻すとと
もにヒーター202を切り、処理を終了する。なお、図
1の装置に、次工程で行うポリシリコンの低圧CVDが
できる機能を追加するか或いはポリシリコンの低圧CV
Dを行う装置までウェハを大気に晒すことなく搬送でき
る装置を接続し、ゲート電極層形成までを大気に晒すこ
となく連続して行えるようにしてもよい。As described above, after the nitriding of any one of the present inventions (1) and (2), the inside of the housing 201 is returned to the N 2 purge atmosphere, the heater 202 is turned off, and the process is completed. It should be noted that the apparatus of FIG. 1 is added with a function capable of performing low pressure CVD of polysilicon performed in the next step,
A device capable of carrying the wafer to the device for carrying out D without exposing it to the atmosphere may be connected so that the gate electrode layer formation can be continuously performed without exposing it to the atmosphere.
【0058】次に、図5に示すように、低圧CVD法を
用いて、650℃において砒素をドープしたポリシリコ
ン膜104を基板全面に堆積した後、反応性イオンエッ
チング法を用いてポリシリコン膜104及びシリコン酸
窒化膜103を連続的にエッチングして、所定形状のゲ
ート電極部を形成する。Next, as shown in FIG. 5, a low pressure CVD method is used to deposit an arsenic-doped polysilicon film 104 at 650 ° C. on the entire surface of the substrate, and then a reactive ion etching method is used to form the polysilicon film. 104 and the silicon oxynitride film 103 are continuously etched to form a gate electrode portion having a predetermined shape.
【0059】次に、図6に示すように、加速電圧40k
eV、ドーズ量2×1015cm− 2低圧の条件で、ゲ
ート電極部をマスクとして基板表面に砒素イオンを注入
して、高不純物濃度のソース領域105及びドレイン領
域106を自己整合的に形成する。この後、低圧CVD
法を用いて、シリコン酸化膜107を基板全面に形成す
る。Next, as shown in FIG. 6, an acceleration voltage of 40 k
eV, a dose of 2 × 10 15 cm - 2 low pressure conditions, by implanting arsenic ions into the substrate surface of the gate electrode portion as a mask to form a source region 105 and drain region 106 of high impurity concentration in a self-aligned manner . After this, low pressure CVD
Method is used to form a silicon oxide film 107 over the entire surface of the substrate.
【0060】次に、図7に示すように、ソース領域10
5、ゲート電極104、及びドレイン領域106に接続
を取るためのコンタクトホールをシリコン酸化膜107
に開孔する。最後に、基板全面にAl膜を形成した後、
このAl膜をパターニングして、ソース電極108、ゲ
ート電極配線109、ドレイン電極110を形成し、n
型MOSトランジスタが完成する。Next, as shown in FIG. 7, the source region 10
5, a contact hole for connecting to the gate electrode 104 and the drain region 106 is formed with a silicon oxide film 107.
To open the hole. Finally, after forming an Al film on the entire surface of the substrate,
The Al film is patterned to form the source electrode 108, the gate electrode wiring 109, and the drain electrode 110, and n
Type MOS transistor is completed.
【0061】本実施形態ではn型MOSトランジスタの
製造工程を示したが、p型MOSトランジスタでは導電
型がn型とp型で入れ替わる点が異なるだけであり、基
本的な製造工程は同一である。Although the manufacturing process of the n-type MOS transistor is shown in this embodiment, the basic manufacturing process is the same except that the conductivity types of the p-type MOS transistor are switched between n-type and p-type. .
【0062】図8は、本実施形態で形成されたSiON
膜中の窒素濃度分布を、二次イオン質量分析法(SIM
S)で調べた結果である。二重項状態の窒素原子ラジカ
ルN(2D)を用いた本発明(1)の窒化方法では、窒
素がほぼSiON膜の表面近傍のみに高濃度に存在し、
急峻な分布が実現されていることが分かる。FIG. 8 shows the SiON formed in this embodiment.
The distribution of nitrogen concentration in the film was measured by secondary ion mass spectrometry (SIM
This is the result of the examination in S). In the nitriding method of the present invention (1) using the nitrogen atom radical N ( 2 D) in the doublet state, nitrogen is present at a high concentration almost only near the surface of the SiON film,
It can be seen that a steep distribution is realized.
【0063】また、四重項状態の窒素原子ラジカルN(
4S)を用いた本発明(2)の窒化方法では、本発明
(1)には劣るものの、窒素プラズマ中窒素分子ラジカ
ルを用いた従来例よりは膜中の窒素が高濃度になり、S
iO2膜/Si基板界面近傍の窒素濃度が低減している
ことが分かる。Further, a nitrogen atom radical N (
Although the nitriding method of the present invention (2) using 4 S) is inferior to that of the present invention (1), the concentration of nitrogen in the film is higher than that of the conventional example using nitrogen molecule radicals in nitrogen plasma.
It can be seen that the nitrogen concentration near the interface of the iO 2 film / Si substrate is reduced.
【0064】図9は、本実施形態で形成されたSiON
膜の界面準位を、容量−電圧(C−V)測定で調べた結
果である。FIG. 9 shows the SiON formed in this embodiment.
It is the result of having investigated the interface state of the film by the capacitance-voltage (CV) measurement.
【0065】二重項状態の窒素原子ラジカルN(2D)
を用いた本発明(1)の窒化方法では、窒素がほぼSi
ON膜の表面近傍のみに存在していることを反映し、界
面準位が従来の窒素分子ラジカルを用いた窒化方法と比
較すると10分の1以下と非常に少ないことから、良好
な絶縁膜になっていることが分かる。Doublet state nitrogen atom radical N ( 2 D)
In the nitriding method of the present invention (1) using, nitrogen is almost free from Si.
Reflecting the fact that it exists only in the vicinity of the surface of the ON film, the interface level is much less than one-tenth as compared with the conventional nitriding method using nitrogen molecule radicals, making it a good insulating film. You can see that
【0066】また、四重項状態の窒素原子ラジカルN(
4S)を用いた本発明(2)の窒化方法でも、SiO2
膜/Si基板界面近傍の窒素濃度が少ないことを反映
し、界面準位が従来のものと比較すると2分の1以下に
低減している。Further, the nitrogen atom radical N (
In the nitriding method of the present invention (2) using 4 S), SiO 2
Reflecting that the nitrogen concentration in the vicinity of the film / Si substrate interface is low, the interface level is reduced to one half or less as compared with the conventional one.
【0067】図10は、本実施形態で形成されたSiO
N膜のゲート・リーク電流(Jg)と、酸化膜換算膜厚
(EOT)との関係を示す図である。FIG. 10 shows the SiO formed in this embodiment.
And N film of the gate leakage current (J g), is a diagram showing the relationship between the equivalent oxide thickness (EOT).
【0068】二重項状態の窒素原子ラジカルを用いた本
発明(1)の窒化方法、四重項状態の窒素原子ラジカル
を用いた本発明(2)の窒化方法、窒素分子ラジカルを
用いた従来の窒化方法により形成されたSiON膜と
も、物理膜厚は約2.0nmである。The nitriding method of the present invention (1) using nitrogen atom radicals in the doublet state, the nitriding method of the present invention (2) using nitrogen atom radicals in the quartet state, and the conventional method using nitrogen molecule radicals. The physical film thickness of both the SiON film formed by the nitriding method is about 2.0 nm.
【0069】本発明(1)の窒化方法により窒化された
SiON膜の膜中の窒素濃度が高いので、SiON膜の
誘電率が高くなり、同じ物理膜厚でも小さいEOTが実
現されていることが分かる。Since the nitrogen concentration in the SiON film nitrided by the nitriding method of the present invention (1) is high, the dielectric constant of the SiON film is high, and a small EOT can be realized even with the same physical film thickness. I understand.
【0070】また、本発明(2)の窒化方法により窒化
されたSiON膜でも、膜中の窒素濃度は、従来の窒化
方法により窒化されたSiON膜よりは高いので、EO
Tも小さくなっている。これらのいずれも、ゲート・リ
ーク電流はSiO2膜より充分低い値に抑えられてい
る。Even in the SiON film nitrided by the nitriding method of the present invention (2), since the nitrogen concentration in the film is higher than that of the SiON film nitrided by the conventional nitriding method, EO
T is also getting smaller. In all of these, the gate leak current is suppressed to a value sufficiently lower than that of the SiO 2 film.
【0071】次に、図11を用いて、二重項状態の窒素
原子ラジカルN(2D)や四重項状態の窒素原子ラジカ
ルN(4S)をSiO2膜の窒化に用いると、高濃度の
窒素原子がSiO2膜の表面近傍に入り、SiO2膜/
Si基板界面近傍の窒素濃度が低減する理由を説明す
る。Next, referring to FIG. 11, when nitrogen atom radicals N ( 2 D) in the doublet state and nitrogen atom radicals N ( 4 S) in the quartet state are used for nitriding the SiO 2 film, nitrogen concentration enters the vicinity of the surface of the SiO 2 film, SiO 2 film /
The reason why the nitrogen concentration near the Si substrate interface is reduced will be described.
【0072】先ず、図11の本発明(1)の(a)に示
すように、窒素原子ラジカルの価電子の電子スピンを考
えてみると、二重項状態の窒素原子ラジカルN(2D)
及びN(2P)の価電子の代表的な電子配置は↑↓↑で
ある。ここで、↑はスピン量子数1/2の電子を、↓は
スピン量子数−1/2の電子を表す。First, as shown in FIG. 11 (1) (a) of the present invention, considering the electron spin of the valence electron of the nitrogen atom radical, the nitrogen atom radical N ( 2 D) in the doublet state.
A typical electron arrangement of valence electrons of N ( 2 P) is ↑ ↓ ↑. Here, ↑ represents an electron having a spin quantum number of 1/2, and ↓ represents an electron having a spin quantum number of −1/2.
【0073】これらのラジカルには電子対(↑↓)があ
るので、価電子のスピンが↑↓であるSi−O結合に入
り込み、Si−Oを切ることなくSi−N・−Oとな
る。すなわち、図11の本発明(1)の(b)に示すよ
うに、
N(2D)(N(2P))+ Si−O−Si → Si−N・−O−Si
(1)
となる。Since these radicals have an electron pair (↑ ↓), the spin of the valence electron enters the Si-O bond at ↑ ↓ and becomes Si-N.-O without cutting Si-O. That is, as shown in (b) of the present invention (1) in FIG. 11, N ( 2 D) (N ( 2 P)) + Si—O—Si → Si—N.—O—Si (1) Become.
【0074】このように、二重項状態の窒素原子ラジカ
ルN(2D)やN(2P)は反応性が高いので、SiO
2膜の最表面のSi−O結合に高濃度にNが入り込む。
したがってSi−O結合の一部を切断することがなく、
緻密に窒素原子Nがネットワーク中に入り込むので、表
面近傍に窒素原子が高濃度のSiON膜が形成された後
には、二重項状態のN(2D)やN(2P)或いは未反
応の他の窒素源ガスがさらに膜中に拡散するのを抑制す
る。したがって二重項状態の窒素原子ラジカルを含有す
る窒化源ガスを用いることによって、SiO2膜の表面
近傍に窒素原子Nが高濃度に導入されたSiON膜を形
成することが可能となる。As described above, the nitrogen atom radicals N ( 2 D) and N ( 2 P) in the doublet state are highly reactive, so that SiO
N highly penetrates into the Si-O bond on the outermost surface of the two films.
Therefore, without cutting a part of the Si-O bond,
Since nitrogen atoms N are densely introduced into the network, after the SiON film having a high concentration of nitrogen atoms is formed near the surface, N ( 2 D) or N ( 2 P) in the doublet state or unreacted It suppresses the diffusion of other nitrogen source gas into the film. Therefore, by using the nitriding source gas containing the nitrogen atom radical in the doublet state, it becomes possible to form the SiON film in which the nitrogen atom N is introduced at a high concentration in the vicinity of the surface of the SiO 2 film.
【0075】また、図11の本発明(1)の(c)に示
すように、SiO2膜のほぼ表面近傍のみが高濃度に窒
化されたSiON膜となっているのでEOTが小さく、
しかもSiO2/Si界面近傍に窒素がほとんど入らな
いで界面準位や固定電荷の発生が抑制された理想的なS
iON膜が、膜厚1.5nm程度以下の極薄膜で実現さ
れる。Further, as shown in (c) of the present invention (1) in FIG. 11, the EOT is small because the SiON film, which has been nitrided to a high concentration, is formed almost only in the vicinity of the surface of the SiO 2 film.
Moreover, an ideal S in which the generation of interface states and fixed charges is suppressed with almost no nitrogen entering near the SiO 2 / Si interface.
The iON film is realized by an ultrathin film having a film thickness of about 1.5 nm or less.
【0076】次に、図11の本発明(2)の(a)に示
すように、四重項状態の窒素原子ラジカルN(4S)の
価電子の代表的な電子配置は↑↑↑である。このラジカ
ルには電子対がないので、Si−O結合(価電子のスピ
ン:↑↓)と反応すると、Si−O結合が切れてしま
う。すなわち、図11の本発明(2)の(b)に示すよ
うに、
N(4S)+ Si−O−Si → Si−N: + ・O−Si (2)
となる。Next, as shown in (a) of the present invention (2) in FIG. 11, a typical electronic configuration of valence electrons of nitrogen atom radical N ( 4 S) in the quartet state is ↑↑↑. is there. Since this radical has no electron pair, it reacts with the Si-O bond (valence electron spin: ↑ ↓) to break the Si-O bond. That is, as shown in (b) of the present invention (2) in FIG. 11, N ( 4 S) + Si—O—Si → Si—N: + .O—Si (2).
【0077】ここではSi−O結合が一部切れてしまう
ため、雰囲気中の四重項状態の窒素原子ラジカルN(4
S)が、一部この結合が切れた部分から膜中に拡散して
しまう。したがって、二重項状態の窒素原子ラジカルN
(2D)やN(2P)を用いる場合よりはSiO2/S
i界面近傍にまで窒素原子は拡散する。Here, since the Si—O bond is partially broken, the nitrogen atom radical N ( 4
S) diffuses into the film from the part where this bond is broken. Therefore, the nitrogen atom radical N in the doublet state
SiO 2 / S rather than using ( 2 D) or N ( 2 P)
Nitrogen atoms diffuse to the vicinity of the i interface.
【0078】しかしながら四重項状態の窒素原子ラジカ
ルN(4S)は従来の窒素分子ラジカルN2 *より反応
性が高いので、四重項状態の窒素原子ラジカルN
(4S)がSiO2膜中に入ると、例えば2N(4S)
→N2の反応によって失活する。この反応によってSi
O2表面近傍の窒素濃度が高くなり緻密化するので、雰
囲気中の四重項状態の窒素原子ラジカルN(4S)や他
の未反応の窒化源ガスがさらにSiO2/Si界面近傍
に拡散することが抑制される。However, since the nitrogen atom radical N ( 4 S) in the quartet state is more reactive than the conventional nitrogen molecule radical N 2 * , the nitrogen atom radical N in the quartet state N
When ( 4 S) enters the SiO 2 film, for example, 2N ( 4 S)
→ Deactivates due to the reaction of N 2 . This reaction makes Si
Since the nitrogen concentration near the O 2 surface increases and becomes dense, nitrogen atom radicals N ( 4 S) in the quartet state and other unreacted nitriding source gas in the atmosphere further diffuse near the SiO 2 / Si interface. Is suppressed.
【0079】これらの効果により、SiO2/Si界面
近傍の窒化が従来よりも抑制され、界面準位や固定電荷
の発生が抑制されるとともに、SiON膜の誘電率が高
くなり、EOTの小さいデバイスにSiON膜を適用可
能になる。Due to these effects, nitriding in the vicinity of the SiO 2 / Si interface is suppressed more than in the prior art, the generation of interface states and fixed charges is suppressed, and the dielectric constant of the SiON film is increased, resulting in a device having a small EOT. The SiON film can be applied to.
【0080】一方、従来のN2 *窒化では、図11の従
来例の(a)に示すように、N2 *の反応性が低いので
結合されずSiO2中の窒素濃度が高くならない。On the other hand, in the conventional N 2 * nitriding, as shown in the conventional example (a) of FIG. 11, since the reactivity of N 2 * is low, the nitrogen is not bonded and the nitrogen concentration in SiO 2 does not increase.
【0081】また、図11の従来例の(b)に示すよう
に、窒素分子ラジカルN2 *がSi−Oに挿入されると
Si−O結合が切れてSiO2構造が大きく変化し、ま
た反応性が低いので結合されず緻密化もされない。した
がって雰囲気中の窒素分子ラジカルN2 *がSi−O結
合の切れた間からSiO2/Si界面に拡散しやすくな
る。これらの影響により、図11の従来例の(c)に示
すように、膜中の窒素濃度が不十分となり、しかもSi
O2/Si基板界面にまで窒素が入って界面準位や固定
電荷が発生した。Further, as shown in (b) of the conventional example of FIG. 11, when the nitrogen molecule radical N 2 * is inserted into Si—O, the Si—O bond is broken and the SiO 2 structure is greatly changed. Since it has low reactivity, it is neither bonded nor densified. Therefore, the nitrogen molecule radical N 2 * in the atmosphere easily diffuses to the SiO 2 / Si interface from the break of the Si—O bond. Due to these effects, the nitrogen concentration in the film becomes insufficient as shown in (c) of the conventional example of FIG.
Nitrogen was introduced into the interface of the O 2 / Si substrate, and the interface state and fixed charge were generated.
【0082】ここで、シリコン酸化膜を窒化することに
よって形成されるSiON膜について、膜中の窒素原子
が(N−Si)3の形で存在する方が安定であると言わ
れている。雰囲気から膜中に入った窒素原子がこの形に
なるには、膜中から酸素原子が抜けたり基板からシリコ
ン原子が供給されたりすることが考えられる。In the SiON film formed by nitriding the silicon oxide film, it is said that it is more stable if the nitrogen atoms in the film are present in the form of (N-Si) 3 . In order for the nitrogen atoms that have entered the film from the atmosphere to have this form, it is considered that oxygen atoms escape from the film or silicon atoms are supplied from the substrate.
【0083】本発明では、窒素原子ラジカルを用いて窒
化をしているので、膜中に供給されて留まる窒素原子の
濃度が高くなり、もともとSi−OだけだったSiO2
中に(N−Si)3の形を形成しやすくなるという効果
もある。In the present invention, since nitriding is performed by using nitrogen atom radicals, the concentration of nitrogen atoms supplied and retained in the film is increased, and SiO 2 which was originally only Si--O.
There is also an effect that a (N-Si) 3 shape can be easily formed therein.
【0084】図12は、窒素分子の基底状態N2(X1
Σg +)から種々の窒素原子ラジカルを形成するために
必要なエネルギーを示す図である。FIG. 12 shows the ground state N 2 (X 1
It is a figure which shows the energy required in order to form various nitrogen atom radicals from (Sigma) g + ).
【0085】二重項状態の窒素原子ラジカルN(2D)
を形成するには、窒素ガスに光を照射して12.14e
V以上のエネルギーを与えることが好ましいことが分か
る。このエネルギーは多光子励起で与えてもよい。ま
た、二重項状態の窒素原子ラジカルN(2P)を形成す
るには、窒素ガス或いは窒化源ガスに光を照射して1
3.34eV以上のエネルギーを与えることが好ましい
ことが分かる。Doublet state nitrogen atom radical N ( 2 D)
In order to form the film, the nitrogen gas is irradiated with light for 12.14e.
It is understood that it is preferable to give energy of V or more. This energy may be given by multiphoton excitation. Further, in order to form the nitrogen atom radical N ( 2 P) in the doublet state, the nitrogen gas or the nitriding source gas is irradiated with light to obtain 1
It can be seen that it is preferable to give energy of 3.34 eV or more.
【0086】窒素ガスに12.14eV以上のエネルギ
ーを与える場合では、二重項状態の窒素原子ラジカルN
(2D)またはN(2P)と四重項状態の窒素原子ラジ
カルN(4S)が1:1で形成するが、二重項状態の窒
素原子ラジカルの生成効率を高めるには、二重項状態の
窒素原子ラジカルN(2D)またはN(2P)の生成効
率が四重項状態の窒素原子ラジカルN(4S)の生成効
率よりも高くなるエネルギーを与える光を照射する必要
がある。When energy of 12.14 eV or more is applied to nitrogen gas, nitrogen atom radical N in the doublet state
( 2 D) or N ( 2 P) and the nitrogen atom radical N ( 4 S) in the quartet state are formed at a ratio of 1: 1, but in order to increase the production efficiency of the nitrogen atom radical in the doublet state, It is necessary to irradiate with light that gives energy such that the production efficiency of the nitrogen atom radical N ( 2 D) or N ( 2 P) in the doublet state is higher than the production efficiency of the nitrogen atom radical N ( 4 S) in the quartet state. There is.
【0087】このために例えば二重項状態の窒素原子ラ
ジカルN(2D)の生成効率を向上させるためには、窒
素ガスに光を照射して14.53eV以上のエネルギー
を与えることが好ましい。Therefore, for example, in order to improve the production efficiency of the nitrogen atom radical N ( 2 D) in the doublet state, it is preferable to irradiate the nitrogen gas with light to give energy of 14.53 eV or more.
【0088】また、低温のN2結晶に対し波長248n
m(エネルギー5.00eV)のエキシマレーザー光を
照射し、多光子励起及び複数の分子の相互作用によって
N( 2D)が生成することを利用してもよい。窒素ガス
の他に、NOやNH3等窒素原子を有する分子のガスを
用いても良い。Further, low temperature NTwoWavelength 248n for crystal
m (energy 5.00 eV) excimer laser light
By irradiation, multiphoton excitation and interaction of multiple molecules
N ( TwoD) may be used for the generation. Nitrogen gas
In addition to NO and NHThreeA gas of molecules with equal nitrogen atoms
You may use.
【0089】また、四重項状態の窒素原子ラジカルN(
4S)を形成するには、図12より、窒素ガスに光を照
射して9.76eV以上のエネルギーを与えることが好
ましいことが分かる。Further, the nitrogen atom radical N (
In order to form 4 S), it can be seen from FIG. 12 that nitrogen gas is preferably irradiated with light to give energy of 9.76 eV or more.
【0090】図13は、窒素分子の基底状態N2(X1
Σg +)及び励起状態(窒素分子ラジカル:N2 *)か
ら種々の窒素原子ラジカルを形成するために必要なエネ
ルギーを示す図である。FIG. 13 shows the ground state N 2 (X 1
Sigma g +) and the excited state (molecular nitrogen radicals: a diagram showing the energy required for N 2 *) to form various nitrogen atoms radicals from.
【0091】N2 *は、窒素ガスのプラズマ中に主とし
て存在する活性種である。以下に、N2 *を利用した窒
素原子ラジカルの生成方法を示す。N 2 * is an active species mainly present in the plasma of nitrogen gas. The method for producing a nitrogen atom radical using N 2 * will be described below.
【0092】二重項状態の窒素原子ラジカルN(2D)
を生成するには、窒素ガスのプラズマに光を照射して例
えば5.92eV以上のエネルギーを与え、プラズマ中
の窒素分子ラジカルN2(A3Σu +)を励起してもよ
い。Doublet state nitrogen atom radical N ( 2 D)
In order to generate, the nitrogen gas plasma may be irradiated with light to give energy of, for example, 5.92 eV or more to excite the nitrogen molecule radical N 2 (A 3 Σ u + ) in the plasma.
【0093】また、二重項状態の窒素原子ラジカルN(
2P)を形成するには、窒素ガスのプラズマに光を照射
して例えば7.12eV以上のエネルギーを与えてもよ
い。The doublet state nitrogen atom radical N (
To form a 2 P) is a light in the plasma of the nitrogen gas may be given to e.g. 7.12eV or more energy irradiation.
【0094】二重項状態の窒素原子ラジカルN(2D)
を選択的に形成するには、窒素ガスのプラズマに光を照
射して8.31eV以上のエネルギーを与えてもよい。Doublet state nitrogen atom radical N ( 2 D)
In order to form selectively, the plasma of nitrogen gas may be irradiated with light to give energy of 8.31 eV or more.
【0095】基底状態である四重項状態の窒素原子ラジ
カルN(4S)を形成するには、窒素ガスのプラズマに
光を照射して3.54eV以上のエネルギーを与えても
よい。In order to form the nitrogen atom radical N ( 4 S) in the quartet state, which is the ground state, plasma of nitrogen gas may be irradiated with light to give energy of 3.54 eV or more.
【0096】これらの場合窒素ガスの他にNOやNH3
等窒素原子を有する分子のガスを用いることができる。In these cases, in addition to nitrogen gas, NO and NH 3
A gas of a molecule having an equal nitrogen atom can be used.
【0097】以上は窒素分子ラジカルN2(A
3Σu +)を例として、これから二重項状態の窒素原子
ラジカルや四重項状態の窒素原子ラジカルを生成した場
合を説明したが、図13に示す種々の状態の窒素分子ラ
ジカルから種々の窒素原子ラジカルへの励起エネルギー
を用いてもよい。The above is the nitrogen molecule radical N 2 (A
3 Σ u + ) as an example, the case where a nitrogen atom radical in a doublet state or a nitrogen atom radical in a quartet state is generated from this has been described, but various nitrogen molecule radicals in various states shown in FIG. Excitation energy for nitrogen atom radicals may be used.
【0098】また、窒化源ガス雰囲気中に必要な窒素原
子ラジカル濃度を知るため、この雰囲気中の活性種の存
在比を調べると、窒素分子ラジカルN2 *が10%程
度、四重項状態の窒素原子ラジカルN(4S)が1%程
度、二重項状態の窒素原子ラジカルN(2D)が0.1
%程度、二重項状態の窒素原子ラジカルN(2P)が
0.01%程度であった。Further, in order to know the nitrogen atom radical concentration required in the nitriding source gas atmosphere, the abundance ratio of active species in this atmosphere was examined, and the nitrogen molecule radical N 2 * was about 10%, and the quartet state was found. About 1% of nitrogen atom radicals N ( 4 S) and 0.1% of doublet state nitrogen atom radicals N ( 2 D).
%, And the nitrogen atom radical N ( 2 P) in the doublet state was about 0.01%.
【0099】このとき窒素原子ラジカルを用いる窒化で
は、雰囲気中の四重項状態の窒素原子ラジカルN
(4S)は1%以上であることが好ましい。At this time, in nitriding using nitrogen atom radicals, nitrogen atom radicals N in a quartet state in the atmosphere
( 4 S) is preferably 1% or more.
【0100】また、二重項状態の窒素原子ラジカルN(
2D)或いはN(2P)を用いる窒化では、雰囲気中の
二重項状態の窒素原子ラジカル濃度が0.1%以上であ
ることが好ましい。The doublet state nitrogen atom radical N (
In nitriding using 2D) or N ( 2 P), the nitrogen atom radical concentration in the doublet state in the atmosphere is preferably 0.1% or more.
【0101】二重項状態の窒素原子ラジカルN(2D)
やN(2P)の発生効率を際立たせるには、その含有量
が四重項状態の窒素原子ラジカルN(4S)と同等以
上、すなわち0.5%以上であればよい。Doublet state nitrogen atom radical N ( 2 D)
In order to make the generation efficiency of N and N ( 2 P) stand out, its content may be equal to or more than that of the nitrogen atom radical N ( 4 S) in the quartet state, that is, 0.5% or more.
【0102】また、二重項状態の窒素原子ラジカルN(
2D)やN(2P)は、四重項状態の窒素原子ラジカル
N(4S)より反応性が高く、四重項状態の窒素原子ラ
ジカルN(4S)は窒素分子ラジカルN2 *より反応性
が高い。従って二重項状態の窒素原子ラジカルN
(2D)やN(2P)を用いてSiO2膜の表面を窒化
する場合、これらより多くの四重項状態の窒素原子ラジ
カルN(4S)や窒素分子ラジカルN2 *が存在する雰
囲気でも、反応性の高い二重項状態の窒素原子ラジカル
N(2D)やN(2P)による窒化の効果を得ることが
できる。The doublet state nitrogen atom radical N (
2 D) and N ( 2 P) are more reactive than the nitrogen atom radical N ( 4 S) in the quartet state, and the nitrogen atom radical N ( 4 S) in the quartet state is the nitrogen molecule radical N 2 *. More reactive. Therefore, the nitrogen atom radical N in the doublet state
When nitriding the surface of the SiO 2 film using ( 2 D) or N ( 2 P), more nitrogen atom radicals N ( 4 S) and nitrogen molecule radicals N 2 * in the quartet state exist. Even in the atmosphere, it is possible to obtain the effect of nitriding by the nitrogen atom radicals N ( 2 D) and N ( 2 P) in the highly reactive doublet state.
【0103】また、同様に四重項状態の窒素原子N(4
S)を用いてSiO2膜の表面を窒化する場合も、これ
より多くの窒素分子ラジカルN2 *が存在する雰囲気で
も、反応性の高い四重項状態の窒素原子ラジカルN(4
S)を用いて窒化した効果が得られる。Similarly, the nitrogen atom N ( 4
S) is used for nitriding the surface of the SiO 2 film, the nitrogen atom radical N ( 4 ) in the quartet state with high reactivity is obtained even in an atmosphere in which more nitrogen molecule radicals N 2 * are present.
The effect of nitriding with S) is obtained.
【0104】また、窒化源ガスの圧力は、窒素原子ラジ
カルの基底状態である四重項状態のN(4S)を窒化に
用いる場合は、四重項状態の窒素原子ラジカルN
(4S)から窒素分子N2への失活を抑制するため、窒
素原子を有する分子のガス分子の分圧が1333Pa以
下であることが好ましい。The pressure of the nitriding source gas is such that when N ( 4 S) in the quartet state, which is the ground state of the nitrogen atom radical, is used for nitriding, the nitrogen atom radical N in the quartet state is N.
In order to suppress the deactivation of ( 4 S) into nitrogen molecule N 2 , it is preferable that the partial pressure of the gas molecule of the molecule having a nitrogen atom is 1333 Pa or less.
【0105】また、窒素原子ラジカルの励起状態である
二重項状態の窒素原子ラジカルN( 2D)或いはN(2
P)を窒化に用いる場合には、二重項状態の窒素原子ラ
ジカルN(2D)或いはN(2P)から四重項状態の窒
素原子ラジカルN(4S)或いは窒素分子N2への失活
を抑制するため、窒素原子を有する分子のガス分子の分
圧が133.3Pa以下であることが好ましい。より好
ましくは、ガス分子の平均自由工程が数cm以上とな
り、生成した窒素原子ラジカルが他のガス分子に衝突す
る前にシリコン基板表面の酸化膜に衝突することが期待
される、分圧133.3mPa程度以下とする。In addition, it is an excited state of a nitrogen atom radical.
Doublet state nitrogen atom radical N ( TwoD) or N (Two
When P) is used for nitriding, nitrogen atoms in the doublet state
Zical N (TwoD) or N (TwoP) to quartet state
Elementary atom radical N (FourS) or nitrogen molecule NTwoDeactivation to
In order to suppress the
The pressure is preferably 133.3 Pa or less. Better
More preferably, the mean free path of gas molecules should be several cm or more.
The generated nitrogen atom radicals collide with other gas molecules.
Expected to collide with oxide film on silicon substrate surface before
The partial pressure is set to about 133.3 mPa or less.
【0106】また、光照射による窒素ガス(窒素原子を
有する分子のガス)の励起では、光源として例えばレー
ザー光、ランプ、シンクロトロン放射光(SR)を用い
ることができる。これらの光源で一光子励起のみならず
多光子励起を行ってもよい。In the excitation of nitrogen gas (gas of molecules having nitrogen atoms) by light irradiation, for example, laser light, lamp, synchrotron radiation light (SR) can be used as a light source. Not only one-photon excitation but also multiphoton excitation may be performed with these light sources.
【0107】窒素原子ラジカルを発生させる原料ガス
は、窒素原子を有するガス分子、例えば、N2、NCl
3、NF3、NH3、NO、NO2及びN2Oのいずれ
か或いはこれらの混合ガスを含有させる。The source gas for generating a nitrogen atom radical is a gas molecule having a nitrogen atom, such as N 2 or NCl.
Any one of 3 , NF 3 , NH 3 , NO, NO 2 and N 2 O or a mixed gas thereof is contained.
【0108】なお、図1においてヒーター202は抵抗
加熱だが、赤外線ランプによる輻射加熱を用いてもよ
い。Although the heater 202 is resistance heating in FIG. 1, radiant heating by an infrared lamp may be used.
【0109】励起光の光源は、大気中の窒素や酸素によ
る減衰を防ぐため、光照射口208を窒化雰囲気近傍の
真空装置内に設けることが好ましい。図1では励起光2
09を基板101の表面と平行に導入したが、励起光を
基板101の表面に照射してもよい。The light source of the excitation light is preferably provided with the light irradiation port 208 in a vacuum device in the vicinity of the nitriding atmosphere in order to prevent attenuation by nitrogen or oxygen in the atmosphere. In FIG. 1, the excitation light 2
Although 09 is introduced parallel to the surface of the substrate 101, the surface of the substrate 101 may be irradiated with excitation light.
【0110】プラズマ源としては、マイクロ波放電の代
わりに、平行平板プラズマ、誘導結合プラズマ、ヘリコ
ンプラズマ、電子サイクロトロン共鳴プラズマ或いはラ
ジカルビーム源を用いてもよい。放電周波数は、本実施
形態で用いた2.45GHzだけでなく、RFの13.
56MHzなど、他の周波数でもよい。放電出力は、本
実施形態で用いた200W、100W以外でもよい。As the plasma source, parallel plate plasma, inductively coupled plasma, helicon plasma, electron cyclotron resonance plasma or radical beam source may be used instead of microwave discharge. The discharge frequency is not limited to 2.45 GHz used in this embodiment, but is 13.
Other frequencies may be used, such as 56 MHz. The discharge output may be other than 200 W and 100 W used in this embodiment.
【0111】(実施形態2)次に、本発明の実施形態2
にかかる半導体装置の製造方法について説明する。この
実施形態では、n型MOSトランジスタのゲート絶縁膜
としてhigh−k膜/SiON膜の積層膜を形成する
場合について説明する。(Second Embodiment) Next, a second embodiment of the present invention.
A method of manufacturing the semiconductor device according to the present invention will be described. In this embodiment, a case will be described in which a laminated film of a high-k film / SiON film is formed as a gate insulating film of an n-type MOS transistor.
【0112】本実施形態が実施形態1と異なるのは、シ
リコン基板101上にゲート絶縁膜103を形成する工
程なので、この部分を中心に説明する。The present embodiment is different from the first embodiment in the step of forming the gate insulating film 103 on the silicon substrate 101, and therefore this part will be mainly described.
【0113】先ず、実施形態1と同様にして、図2に示
すように、p型シリコン基板101の表面に素子分離用
の深い溝111を形成し、例えば液相CVD法等のCV
D法によりシリコン酸化膜102を埋め込む。First, as in the first embodiment, as shown in FIG. 2, a deep groove 111 for element isolation is formed on the surface of a p-type silicon substrate 101, and CV such as liquid phase CVD is used.
The silicon oxide film 102 is embedded by the D method.
【0114】次に、図3に示すように、シリコン基板1
01表面を酸化してシリコン酸化膜112を形成する。Next, as shown in FIG. 3, the silicon substrate 1
01 surface is oxidized to form a silicon oxide film 112.
【0115】酸化前処理として、第1の実施形態と同様
にシリコン基板101の希釈フッ酸処理を行う。As the oxidation pretreatment, the dilute hydrofluoric acid treatment of the silicon substrate 101 is performed as in the first embodiment.
【0116】前処理が終了した基板101を、図1に示
す製造装置の筐体201内に搬送し、実施形態1と同様
の方法でラジカル酸化を行い、厚さ0.8nmのシリコ
ン酸化膜112を形成する。処理条件は、例えば、基板
温度700℃、雰囲気圧力5Torr、処理時間30秒
とした。The substrate 101 after the pretreatment is carried into the casing 201 of the manufacturing apparatus shown in FIG. 1 and radical-oxidized by the same method as in the first embodiment to obtain a silicon oxide film 112 having a thickness of 0.8 nm. To form. The processing conditions were, for example, a substrate temperature of 700 ° C., an atmospheric pressure of 5 Torr, and a processing time of 30 seconds.
【0117】次に、図14に示すように、シリコン酸化
膜112表面を本発明により窒化してシリコン酸窒化膜
113を形成する。Next, as shown in FIG. 14, the surface of the silicon oxide film 112 is nitrided by the present invention to form a silicon oxynitride film 113.
【0118】本発明によるシリコン酸化膜112表面の
窒化は、実施形態1と同様に、2通りを試みた。Two methods of nitriding the surface of the silicon oxide film 112 according to the present invention were tried as in the first embodiment.
【0119】本発明(1)の窒化方法として、実施形態
1と同様の方法で二重項状態の窒素原子ラジカルN(2
D)を生成し、基板101表面に吹きつけ、シリコン酸
化膜112の表面の窒化を行った。処理条件は、例えば
基板温度300℃、雰囲気圧力133.3mPa、処理
時間10分とした。As the nitriding method of the present invention (1), a nitrogen atom radical N ( 2
D) was generated and sprayed on the surface of the substrate 101 to nitride the surface of the silicon oxide film 112. The processing conditions were, for example, a substrate temperature of 300 ° C., an atmospheric pressure of 133.3 mPa, and a processing time of 10 minutes.
【0120】一方、本発明(2)の窒化方法として、実
施形態1と同様の方法で四重項状態の窒素原子ラジカル
N(4S)を生成し、基板101表面に吹きつけ、シリ
コン酸化膜112表面の窒化を行った。処理条件は、例
えば基板温度500℃、雰囲気圧力13.33Pa、処
理時間5分とした。On the other hand, as the nitriding method of the present invention (2), nitrogen atom radicals N ( 4 S) in the quartet state are generated by the same method as in Embodiment 1 and sprayed onto the surface of the substrate 101 to form a silicon oxide film. The surface of 112 was nitrided. The processing conditions were, for example, a substrate temperature of 500 ° C., an atmospheric pressure of 13.33 Pa, and a processing time of 5 minutes.
【0121】以上いずれかの窒化の終了後、筐体201
内をN2パージ雰囲気に戻すとともにヒーター202を
切り、SiON膜形成処理を終了する。After completion of any of the above nitriding, the casing 201
The inside is returned to the N 2 purge atmosphere, the heater 202 is turned off, and the SiON film forming process is completed.
【0122】次に、図15に示すように、SiON膜1
13の表面に金属酸化物層として酸化ハフニウム(Hf
O2)層114を形成する。本実施形態では、これらS
iON膜113及びHfO2層114の積層膜を、hi
gh−k膜としてゲート絶縁膜103として用いる。Next, as shown in FIG. 15, the SiON film 1
As a metal oxide layer, hafnium oxide (Hf
The O 2 ) layer 114 is formed. In the present embodiment, these S
The laminated film of the iON film 113 and the HfO 2 layer 114 is formed by hi
The gate insulating film 103 is used as the gh-k film.
【0123】ここでは、SiON膜形成が終了した基板
101をSiON膜形成装置から取り出し、金属酸化物
層形成装置内に設置する。なお、SiON膜形成装置に
金属酸化膜層形成機構を取り付けてもよいが、SiON
膜が金属汚染されないよう注意しなければならない。或
いは、SiON膜形成装置から金属酸化物層形成装置ま
で基板を大気に晒すことなく搬送できる装置を接続して
もよい。これらの工夫により、SiON膜形成と金属酸
化物層形成を連続的に行えるようにすることがより好ま
しい。Here, the substrate 101 on which the SiON film has been formed is taken out from the SiON film forming apparatus and placed in the metal oxide layer forming apparatus. A metal oxide film layer forming mechanism may be attached to the SiON film forming apparatus.
Care must be taken to prevent metal contamination of the membrane. Alternatively, an apparatus that can transfer the substrate from the SiON film forming apparatus to the metal oxide layer forming apparatus without exposing the substrate to the atmosphere may be connected. It is more preferable to continuously form the SiON film and the metal oxide layer by these measures.
【0124】金属酸化物層形成装置内では、例えば、酸
素分圧40mTorrの雰囲気中、スパッタ成膜法を用
いて、基板温度300℃で、膜厚2.5nmのHfO2
をSiON膜上に堆積し、600〜800℃の酸素雰囲
気中でアニールする。In the metal oxide layer forming apparatus, for example, HfO 2 having a film thickness of 2.5 nm is used at a substrate temperature of 300 ° C. by using a sputtering film forming method in an atmosphere having an oxygen partial pressure of 40 mTorr.
Is deposited on the SiON film and annealed in an oxygen atmosphere at 600 to 800 ° C.
【0125】金属酸化物層114の形成では、スパッタ
成膜法、レーザーアブレーション成膜法、蒸着法、CV
D成膜法のいずれを用いてもよい。また、金属酸化物層
114の代わりに金属酸化物とシリコン酸化物との固溶
体(シリケート)層を形成してもよい。The metal oxide layer 114 is formed by sputtering film forming method, laser ablation film forming method, vapor deposition method, CV.
Any of the D film forming methods may be used. Further, instead of the metal oxide layer 114, a solid solution (silicate) layer of metal oxide and silicon oxide may be formed.
【0126】金属酸化物層として、例えばTa2O5、
TiO2、ZrO2、HfO2、La2O3、Gd2O
3、Sc2O3、Pr2O3、Nd2O3、Sm
2O3、Eu2O3、Dy2O3、Ho2O3、Yb2
O3、YxOyのいずれか1種類以上を含有しているこ
とが好ましい。As the metal oxide layer, for example, Ta 2 O 5 ,
TiO 2 , ZrO 2 , HfO 2 , La 2 O 3 , Gd 2 O
3 , Sc 2 O 3 , Pr 2 O 3 , Nd 2 O 3 , Sm
2 O 3 , Eu 2 O 3 , Dy 2 O 3 , Ho 2 O 3 , Yb 2
It is preferable to contain at least one of O 3 and Y x O y .
【0127】また、金属酸化物とシリコン酸化物との固
溶体(シリケート)層としてZrxSiyOz、Hfx
SiyOz、LaxSiyOz、TxSiyOz、La
xAlyOz、ZrxTiyOz、SnxTiyOz、
SrxZryOz、BaxZryOzのいずれか1種類
以上が含有しているものが好ましい。As a solid solution (silicate) layer of metal oxide and silicon oxide, Zr x Si y O z and Hf x are used.
Si y O z , La x Si y O z , T x Si y O z , La
x Al y O z , Zr x Ti y O z , Sn x Ti y O z ,
Those containing at least one of Sr x Zr y O z and Ba x Zr y O z are preferable.
【0128】また、金属酸化物層形成装置に、次工程で
行うポリシリコンの低圧CVDができる機能を追加する
か、或いはポリシリコンの低圧CVDを行う装置までウ
ェハを大気に晒すことなく搬送できる装置を接続し、次
工程であるゲート電極層形成までを連続的に行えるよう
にしてもよい。Further, the metal oxide layer forming apparatus is provided with a function capable of performing low pressure CVD of polysilicon in the next step, or an apparatus capable of transporting a wafer to an apparatus for performing low pressure CVD of polysilicon without exposing to the atmosphere. May be connected so that the gate electrode layer formation, which is the next step, can be continuously performed.
【0129】次に、実施形態1と同様に、図5に示すよ
うに、ゲート電極部を形成する。Next, as in the first embodiment, a gate electrode portion is formed as shown in FIG.
【0130】次に、図6に示すように、ソース拡散層1
05及びドレイン拡散層106を形成する。Next, as shown in FIG. 6, the source diffusion layer 1
05 and the drain diffusion layer 106 are formed.
【0131】次に、図7に示すように、Al配線形成を
順次行い、ソース電極108、ドレイン電極110及び
ゲート電極109を形成してn型MOSトランジスタが
完成する。Next, as shown in FIG. 7, Al wiring is sequentially formed to form a source electrode 108, a drain electrode 110 and a gate electrode 109, thereby completing an n-type MOS transistor.
【0132】図16は、本実施形態で形成されたHfO
2/SiON積層膜のゲート・リーク電流(Jg)と、
酸化膜換算膜厚(EOT)との関係を示す図である。FIG. 16 shows the HfO formed in this embodiment.
The gate leakage current (J g ) of the 2 / SiON laminated film,
It is a figure which shows the relationship with an oxide film conversion film thickness (EOT).
【0133】本発明(1)による窒化方法により形成し
たSiON膜を用いたもの、本発明(2)による窒化方
法により形成したSiON膜を用いたもの、従来の窒素
分子プラズマを用いた窒化方法により形成したSiON
膜を用いたものとも、窒化前のベース酸化膜112の膜
厚は0.8nmであり、HfO2層のEOTは約0.5
nmである。By using the SiON film formed by the nitriding method of the present invention (1), by using the SiON film formed by the nitriding method of the present invention (2), by the conventional nitriding method using nitrogen molecular plasma. Formed SiON
The base oxide film 112 before nitriding has a film thickness of 0.8 nm and the HOTO 2 layer has an EOT of about 0.5.
nm.
【0134】二重項状態の窒化原子プラズマN(2D)
を用いる本発明(1)による窒化をしたものでは、積層
膜全体のEOTが約1.0nmであり、SiON膜のE
OTは約0.5nmに抑えられている。Doublet Nitride Atomic Plasma N ( 2 D)
In the case of nitriding according to the present invention (1) in which E., the EOT of the entire laminated film is about 1.0 nm, and the EOT of the SiON film is
The OT is suppressed to about 0.5 nm.
【0135】また、四重項状態の窒化原子プラズマN(
4S)を用いる本発明(2)による窒化をしたもので
は、積層膜全体のEOTは本発明(1)よるものよりは
大きいものの、従来例の窒素分子プラズマを用いて窒化
したものよりは小さくなっていることが分かる。In addition, the quartet state nitride atomic plasma N (
In the case of nitriding according to the present invention (2) using 4 S), the EOT of the entire laminated film is larger than that according to the present invention (1), but smaller than that of the conventional example using nitrogen molecular plasma. You can see that
【0136】これらのいずれも、ゲート・リーク電流は
SiO2より充分低い値に抑えられている。これに対
し、従来の窒化方法を用いたものでは積層膜全体のEO
Tは約1.6nmとなり、SiON膜のEOTは約1.
1nmにまで増大してしまっている。In all of these, the gate leak current is suppressed to a value sufficiently lower than that of SiO 2 . On the other hand, when the conventional nitriding method is used, the EO of the entire laminated film is
T is about 1.6 nm, and the EOT of the SiON film is about 1.
It has increased to 1 nm.
【0137】これに対して、本発明(2)による窒化方
法、より好ましくは本発明(1)による窒化方法は、金
属酸化物層形成時の酸化性雰囲気によるSiON膜の膜
厚の増加を抑制していることが分かる。On the other hand, the nitriding method according to the present invention (2), more preferably the nitriding method according to the present invention (1), suppresses an increase in the film thickness of the SiON film due to the oxidizing atmosphere during the formation of the metal oxide layer. You can see that
【0138】次に、図17を用いて、二重項状態の窒素
原子ラジカルN(2D)や四重項状態の窒素原子ラジカ
ルN(4S)をSiO2膜の窒化に用いると、金属酸化
物層/SiON積層膜形成後のEOTが小さくなる理由
を説明する。Next, referring to FIG. 17, when nitrogen atom radicals N ( 2 D) in the doublet state and nitrogen atom radicals N ( 4 S) in the quartet state are used for nitriding the SiO 2 film, The reason why the EOT after forming the oxide layer / SiON laminated film becomes small will be described.
【0139】金属酸化物層の形成時には、O2が存在す
る雰囲気でのスパッタリング、蒸着、レーザーアブレー
ション、CVD、アニールといった方法を用いるので、
SiON膜は酸化性雰囲気に晒される。When forming the metal oxide layer, methods such as sputtering, vapor deposition, laser ablation, CVD and annealing in an atmosphere containing O 2 are used.
The SiON film is exposed to an oxidizing atmosphere.
【0140】本発明(1)による窒化方法では、二重項
状態の窒素原子ラジカルN(2D)を用いてSiO2膜
の表面を窒化したので、SiON膜の表面近傍の窒素濃
度が極めて高い。この表面近傍にある高濃度の窒素が、
図17の本発明(1)の(a)に示すように、金属酸化
物層(MOx)形成雰囲気のO2がSiON膜中に拡散
するのを抑制するので、酸化によるSiON膜の膜厚増
加が抑制され、窒化によりベース酸化膜より小さくなっ
たSiON膜のEOTも増加が抑えられる。また、窒素
原子がSiON膜の表面に高密度に局在しているので表
面は緻密化し金属酸化物層及びSiO2膜相互へ酸素原
子や窒素原子が拡散することがない。In the nitriding method of the present invention (1), since the surface of the SiO 2 film is nitrided by using the nitrogen atom radical N ( 2 D) in the doublet state, the nitrogen concentration near the surface of the SiON film is extremely high. . The high concentration of nitrogen near this surface
As shown in (a) of the present invention (1) in FIG. 17, since O 2 in the atmosphere for forming the metal oxide layer (MO x ) is suppressed from diffusing into the SiON film, the film thickness of the SiON film due to oxidation is suppressed. The increase is suppressed, and the EOT of the SiON film which is smaller than the base oxide film due to nitriding is also suppressed. Moreover, since the nitrogen atoms are localized at a high density on the surface of the SiON film, the surface becomes dense and oxygen atoms and nitrogen atoms do not diffuse into the metal oxide layer and the SiO 2 film.
【0141】従って、図17の本発明(1)の(b)に
示すように、MOx形成後のhigh−kゲート絶縁膜
全体の物理膜厚が小さくなり、EOTも小さくなる。Therefore, as shown in (b) of the present invention (1) in FIG. 17, the physical film thickness of the entire high-k gate insulating film after MO x formation becomes small and the EOT also becomes small.
【0142】本発明(2)による窒化方法では、四重項
状態の窒化ラジカルN(4S)を用いてSiO2膜の表
面を窒化したので、本発明(1)ほどではないが、Si
ON膜の表面近傍の窒素濃度が高い。この表面近傍にあ
る窒素が、図17の本発明(2)の(a)に示すよう
に、MOx形成雰囲気のO2がSiON膜中に拡散する
のをある程度抑制するので、酸化によるSiON膜の膜
厚増加が従来例より抑制され、SiON膜のEOTの増
加も抑制される。In the nitriding method according to the present invention (2), the surface of the SiO 2 film is nitrided by using the nitriding radical N ( 4 S) in the quartet state.
The nitrogen concentration near the surface of the ON film is high. As shown in (a) of the present invention (2) in FIG. 17, the nitrogen in the vicinity of the surface suppresses O 2 in the MO x forming atmosphere from diffusing into the SiON film to some extent. Of the SiON film is suppressed compared with the conventional example, and the increase of EOT of the SiON film is also suppressed.
【0143】従って、図17の本発明(2)の(b)に
示すように、MOx形成後のhigh−kゲート絶縁膜
全体の物理膜厚が小さくなり、EOTも小さくなる。Therefore, as shown in (b) of the present invention (2) of FIG. 17, the physical film thickness of the entire high-k gate insulating film after MO x formation becomes small, and EOT also becomes small.
【0144】これに対し、従来の窒素分子ラジカルを用
いてSiO2膜の表面を窒化したのでは、表面近傍の窒
素濃度が低いのみならずシリコン基板界面まで窒素原子
が拡散してしまう。従ってMOx形成雰囲気のO2がS
iON膜中に拡散してしまってその膜厚が増えてしまう
のでSiON膜のEOTも増加する。On the other hand, if the surface of the SiO 2 film is nitrided using the conventional nitrogen molecule radicals, not only the nitrogen concentration near the surface is low, but also the nitrogen atoms diffuse to the silicon substrate interface. Therefore, O 2 in the MO x forming atmosphere is S
Since it diffuses into the iON film and its film thickness increases, the EOT of the SiON film also increases.
【0145】従って、図17の従来例の(b)に示すよ
うに、MOx形成後のhigh−kゲート絶縁膜全体の
物理膜厚は大きくなる。Therefore, as shown in (b) of the conventional example of FIG. 17, the physical film thickness of the entire high-k gate insulating film after MO x formation becomes large.
【0146】ここで、シリコン原子及び酸素原子を含有
する絶縁膜層は、例えばSi表面を酸化して形成される
SiO2を使用する。酸化には、O原子を有するガス分
子を含む雰囲気を用いる。例えば、乾燥(ドライ)酸
化、湿式(ウェット)酸化、O 2プラズマやO2ガスの
光照射によるラジカル酸化、オゾン酸化を用いる。Here, containing silicon atoms and oxygen atoms
The insulating film layer to be formed is formed by, for example, oxidizing the surface of Si.
SiOTwoTo use. For the oxidation, a gas component having an O atom is used.
Use an atmosphere that includes children. For example, dry acid
Conversion, wet oxidation, O TwoPlasma and OTwoOf gas
Radical oxidation and ozone oxidation by light irradiation are used.
【0147】また、本発明で窒化される絶縁膜層とし
て、金属酸化物とシリコン酸化物との固溶体(シリケー
ト)層を用いてもよい。また、化学的気相成長(CV
D)法により堆積されたSiO2膜でもよい。また、N
O、N2O、NO2などによりシリコン表面或いはシリ
コン酸化膜表面を酸窒化して形成された、シリコン酸窒
化膜でもよい。この場合、SiON/Si界面近傍の窒
素濃度が、界面準位や固定電荷が問題にならない程度に
低いことが好ましい。A solid solution (silicate) layer of metal oxide and silicon oxide may be used as the insulating film layer nitrided in the present invention. In addition, chemical vapor deposition (CV
A SiO 2 film deposited by the method D) may be used. Also, N
It may be a silicon oxynitride film formed by oxynitriding the silicon surface or the silicon oxide film surface with O, N 2 O, NO 2 , or the like. In this case, it is preferable that the nitrogen concentration in the vicinity of the SiON / Si interface is so low that the interface state and fixed charges do not matter.
【0148】[0148]
【発明の効果】本発明は、十分に高い窒素濃度を有する
SiON膜を形成でき、窒素原子がその表面近傍に局在
するSiON膜を形成でき、金属酸化物を形成してもE
OT膜厚が増加せず酸素原子や窒素原子が相互に拡散し
ない。According to the present invention, a SiON film having a sufficiently high nitrogen concentration can be formed, a SiON film in which nitrogen atoms are localized in the vicinity of the surface thereof can be formed, and even if a metal oxide is formed, E
The OT film thickness does not increase and oxygen atoms and nitrogen atoms do not diffuse into each other.
【図1】 本発明に係わるシリコン酸窒化膜の製造装置
を示す模式図。FIG. 1 is a schematic diagram showing a silicon oxynitride film manufacturing apparatus according to the present invention.
【図2】 本発明の実施形態1に係わるn型MOSトラ
ンジスタの製造工程を示す断面図。FIG. 2 is a sectional view showing a manufacturing process of the n-type MOS transistor according to the first embodiment of the present invention.
【図3】 本発明の実施形態1に係わるn型MOSトラ
ンジスタの製造工程を示す断面図。FIG. 3 is a sectional view showing a manufacturing process of the n-type MOS transistor according to the first embodiment of the present invention.
【図4】 本発明の実施形態1に係わるn型MOSトラ
ンジスタの製造工程を示す断面図。FIG. 4 is a sectional view showing a manufacturing process of the n-type MOS transistor according to the first embodiment of the present invention.
【図5】 本発明の実施形態1に係わるn型MOSトラ
ンジスタの製造工程を示す断面図。FIG. 5 is a sectional view showing a manufacturing process of the n-type MOS transistor according to the first embodiment of the present invention.
【図6】 本発明の実施形態1に係わるn型MOSトラ
ンジスタの製造工程を示す断面図。FIG. 6 is a sectional view showing a manufacturing process of the n-type MOS transistor according to the first embodiment of the present invention.
【図7】 本発明の実施形態1に係わるn型MOSトラ
ンジスタの製造工程を示す断面図。FIG. 7 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the n-type MOS transistor according to the first embodiment of the present invention.
【図8】 本発明の実施形態1で形成されたシリコン酸
窒化膜及び従来の窒化方法で形成されたシリコン酸窒化
膜の窒素原子分布を示す図。FIG. 8 is a diagram showing nitrogen atom distributions of a silicon oxynitride film formed in Embodiment 1 of the present invention and a silicon oxynitride film formed by a conventional nitriding method.
【図9】 本発明の実施形態1で形成されたシリコン酸
窒化膜及び従来の窒化方法で形成されたシリコン酸窒化
膜の界面準位密度を示す図。FIG. 9 is a diagram showing interface state densities of a silicon oxynitride film formed in Embodiment 1 of the present invention and a silicon oxynitride film formed by a conventional nitriding method.
【図10】 本発明の実施形態1で形成されたシリコン
酸窒化膜及び従来の窒化方法で形成されたシリコン酸窒
化膜のEOT(酸化膜換算膜厚)とゲート・リーク電流
との関係を示す図。FIG. 10 shows the relationship between the gate leakage current and the EOT (oxide equivalent film thickness) of the silicon oxynitride film formed in Embodiment 1 of the present invention and the silicon oxynitride film formed by the conventional nitriding method. Fig.
【図11】 窒化種によりシリコン酸窒化膜中の窒素濃
度分布が異なる理由を説明するための図。FIG. 11 is a diagram for explaining the reason why the nitrogen concentration distribution in the silicon oxynitride film differs depending on the nitriding species.
【図12】 窒素分子N2の基底状態から種々の窒素原
子ラジカルを形成するために必要なエネルギーを示す
図。FIG. 12 is a diagram showing energies required to form various nitrogen atom radicals from the ground state of nitrogen molecule N 2 .
【図13】 窒素分子N2の基底状態及び励起状態(窒
素分子ラジカル)から種々の窒素原子ラジカルを形成す
るために必要なエネルギーを示す図。FIG. 13 is a diagram showing energies required to form various nitrogen atom radicals from a ground state and an excited state (nitrogen molecule radical) of nitrogen molecule N 2 .
【図14】 本発明の実施形態2に係わるn型MOSト
ランジスタの製造工程を示す断面図。FIG. 14 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the n-type MOS transistor according to the second embodiment of the present invention.
【図15】 本発明の実施形態2に係わるn型MOSト
ランジスタの製造工程を示す断面図。FIG. 15 is a sectional view showing a manufacturing process of the n-type MOS transistor according to the second embodiment of the present invention.
【図16】 本発明の実施形態2で形成された金属酸化
物層/シリコン酸窒化膜積層膜及び従来の窒化方法で形
成された金属酸化物層/シリコン酸窒化膜積層膜のEO
T(酸化膜換算膜厚)とゲート・リーク電流との関係を
示す図。FIG. 16 is an EO of a metal oxide layer / silicon oxynitride film laminated film formed in Embodiment 2 of the present invention and a metal oxide layer / silicon oxynitride film laminated film formed by a conventional nitriding method.
The figure which shows the relationship between T (oxide film conversion film thickness) and gate leak current.
【図17】 窒化種の違いにより、金属酸化物層/シリ
コン酸窒化膜積層膜のEOT(酸化膜換算膜厚)が異な
る理由を説明するための図。FIG. 17 is a diagram for explaining the reason why the EOT (oxide film equivalent film thickness) of the metal oxide layer / silicon oxynitride film laminated film is different due to the difference in nitriding species.
101・・・p型シリコン基板 102・・・シリコン酸化膜 103・・・ゲート絶縁膜 104・・・ゲート電極 105・・・ソース領域 106・・・ドレイン領域 107・・・シリコン酸化膜 108・・・ソース電極 109・・・ゲート電極配線 110・・・ドレイン電極 111・・・シリコン酸化膜埋め込み溝 112・・・シリコン酸化膜 113・・・シリコン酸窒化膜 114・・・金属酸化物層 201・・・酸窒化装置筐体 202・・・ヒーター 203、206・・・ガス供給管 204、207・・・放電電極 205・・・排気口 208・・・光照射口 209・・・励起光 210・・・窒素原子ラジカル流 101 ... p-type silicon substrate 102 ... Silicon oxide film 103 ... Gate insulating film 104 ... Gate electrode 105 ... Source area 106 ... Drain region 107 ... Silicon oxide film 108 ... Source electrode 109 ... Gate electrode wiring 110 ... Drain electrode 111 ... Silicon oxide film embedded trench 112 ... Silicon oxide film 113 ... Silicon oxynitride film 114 ... Metal oxide layer 201 ... Oxynitriding device housing 202 ... Heater 203, 206 ... Gas supply pipe 204, 207 ... Discharge electrodes 205 ... Exhaust port 208 ... Light irradiation port 209 ... Excitation light 210 ... Nitrogen atom radical flow
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐竹 秀喜 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株 式会社東芝研究開発センター内 Fターム(参考) 5F058 BA20 BC11 BF73 BF74 BJ04 5F140 AA00 BA01 BD01 BD05 BD09 BD11 BD12 BD13 BD15 BE02 BE07 BE08 BE09 BE10 BF01 BF04 BF11 BF15 BG28 BG38 BJ01 BJ05 BK13 CB04 CC03 CC12 CE10 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page (72) Inventor Hideki Satake 1st Komukai Toshiba-cho, Sachi-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa Inside the Toshiba Research and Development Center F term (reference) 5F058 BA20 BC11 BF73 BF74 BJ04 5F140 AA00 BA01 BD01 BD05 BD09 BD11 BD12 BD13 BD15 BE02 BE07 BE08 BE09 BE10 BF01 BF04 BF11 BF15 BG28 BG38 BJ01 BJ05 BK13 CB04 CC03 CC12 CE10
Claims (12)
ジカルを含有する窒化源ガスをシリコン原子及び酸素原
子を含有する絶縁膜の表面に供給し、前記絶縁膜の表面
を窒化することを特徴とする酸窒化膜の製造方法。1. A method of supplying a nitriding source gas containing nitrogen atom radicals in a doublet state or a quartet state to the surface of an insulating film containing silicon atoms and oxygen atoms to nitride the surface of the insulating film. A method for manufacturing an oxynitride film, comprising:
ジカルを含有する窒化源ガスを、シリコン層上に形成さ
れたシリコン原子及び酸素原子を含有する絶縁膜層の表
面に供給し、前記絶縁膜の表面を窒化する工程と、 前記絶縁膜の窒化された表面上に金属酸化物膜或いは金
属酸化物とシリコン酸化物との固溶体膜を形成する工程
とを具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。2. A nitriding source gas containing a nitrogen atom radical in a doublet state or a quartet state is supplied to the surface of an insulating film layer containing a silicon atom and an oxygen atom formed on a silicon layer, And a step of nitriding a surface of the insulating film, and a step of forming a metal oxide film or a solid solution film of a metal oxide and silicon oxide on the nitrided surface of the insulating film. Manufacturing method of semiconductor device.
て12.14eV以上のエネルギーを与えることによっ
て、前記二重項状態の窒素原子ラジカルを含有する窒化
源ガスを生成することを特徴とする請求項1記載の酸窒
化膜の製造方法。3. A nitriding source gas containing nitrogen atom radicals in the doublet state is generated by irradiating a gas of a molecule having a nitrogen atom with light to give energy of 12.14 eV or more. The method for producing an oxynitride film according to claim 1.
光を照射して5.92eV以上のエネルギーを与えるこ
とによって、前記二重項状態の窒素原子ラジカルを含有
する窒化源ガスを生成することを特徴とする請求項1記
載の酸窒化膜の製造方法。4. A nitriding source gas containing nitrogen atom radicals in the doublet state is produced by irradiating plasma of a gas of a molecule having nitrogen atoms with light to give energy of 5.92 eV or more. The method for producing an oxynitride film according to claim 1, wherein
て14.53eV以上のエネルギーを与えることによっ
て、前記二重項状態の窒素原子ラジカルを含有する窒化
源ガスを生成することを特徴とする請求項1記載の酸窒
化膜の製造方法。5. A nitriding source gas containing nitrogen atom radicals in the doublet state is generated by irradiating a gas of a molecule having a nitrogen atom with light to give energy of 14.53 eV or more. The method for producing an oxynitride film according to claim 1.
光を照射して8.31eV以上のエネルギーを与えるこ
とによって、前記二重項状態の窒素原子ラジカルを含有
する窒化源ガスを生成することを特徴とする請求項1記
載の酸窒化膜の製造方法。6. A method for producing a nitriding source gas containing nitrogen atom radicals in the doublet state by irradiating plasma of a gas of a molecule having nitrogen atoms with light to give energy of 8.31 eV or more. The method for producing an oxynitride film according to claim 1, wherein
のガスの分圧が133.3Pa以下であることを特徴と
する請求項3乃至請求項6のいずれかに記載の酸窒化膜
の製造方法。7. The oxynitride film according to any one of claims 3 to 6, wherein the nitriding source gas has a partial pressure of a gas of a molecule having nitrogen atoms is 133.3 Pa or less. Production method.
て9.76eV以上のエネルギーを与えることによっ
て、前記四重項状態の窒素原子ラジカルを含有する窒化
源ガスを生成することを特徴とする請求項1記載の酸窒
化膜の製造方法。8. A nitriding source gas containing nitrogen atom radicals in the quartet state is generated by irradiating a gas of a molecule having a nitrogen atom with light to give energy of 9.76 eV or more. The method for producing an oxynitride film according to claim 1.
光を照射して3.54eV以上のエネルギーを与えるこ
とによって、前記四重項状態の窒素原子ラジカルを含有
する窒化源ガスを生成することを特徴とする請求項1記
載の酸窒化膜の製造方法。9. A nitriding source gas containing nitrogen atom radicals in the quartet state is produced by irradiating plasma of a gas of molecules having nitrogen atoms with light to give energy of 3.54 eV or more. The method for producing an oxynitride film according to claim 1, wherein
子のガスの分圧が1333Pa以下であることを特徴と
する請求項8或いは請求項9記載の酸窒化膜の製造方
法。10. The method for producing an oxynitride film according to claim 8, wherein the nitriding source gas has a partial pressure of a gas of a molecule having a nitrogen atom of 1333 Pa or less.
N2、NCl3、NF3、NH3、NO、NO2、N2
Oのいずれかを含有することを特徴とする請求項3乃至
請求項10のいずれかに記載の酸窒化膜の製造方法。11. The gas of a molecule having a nitrogen atom is N 2 , NCl 3 , NF 3 , NH 3 , NO, NO 2 , N 2.
The method for producing an oxynitride film according to claim 3, wherein the oxynitride film contains any one of O.
2、ZrO2、HfO2、La2O3、Gd2O3、S
c2O3、Pr2O3、Nd2O3、Sm2O3、Eu
2O3、Dy2O3、Ho2O3、Yb2O3、YxO
yのいずれかを含有し、前記金属酸化物とシリコン酸化
物との固溶体膜はZrxSiyOz、HrxSi
yOz、LaxSiyOz、TixSiyOz、Lax
AlyOz、ZrxTiyOz、SnxTiyOz、S
rxZryOz、BaxZryOzのいずれかを含有す
ることを特徴とする請求項2記載の半導体装置の製造方
法。12. The metal oxide film is made of Ta 2 O 6 or TiO 2.
2 , ZrO 2 , HfO 2 , La 2 O 3 , Gd 2 O 3 , S
c 2 O 3, Pr 2 O 3, Nd 2 O 3, Sm 2 O 3, Eu
2 O 3 , Dy 2 O 3 , Ho 2 O 3 , Yb 2 O 3 , Y x O
The solid solution film containing any one of y and the metal oxide and the silicon oxide is Zr x Si y O z or Hr x Si.
y O z, La x Si y O z, Ti x Si y O z, La x
Al y O z , Zr x Ti y O z , Sn x Ti y O z , S
3. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 2, further comprising one of r x Zr y O z and Ba x Zr y O z .
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