[go: up one dir, main page]

JP4403321B2 - Method for forming oxide film and method for manufacturing p-type semiconductor element - Google Patents

Method for forming oxide film and method for manufacturing p-type semiconductor element Download PDF

Info

Publication number
JP4403321B2
JP4403321B2 JP01578199A JP1578199A JP4403321B2 JP 4403321 B2 JP4403321 B2 JP 4403321B2 JP 01578199 A JP01578199 A JP 01578199A JP 1578199 A JP1578199 A JP 1578199A JP 4403321 B2 JP4403321 B2 JP 4403321B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
oxide film
gas
nitrogen
silicon
forming
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP01578199A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2000216154A (en
Inventor
豊隆 片岡
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sony Corp filed Critical Sony Corp
Priority to JP01578199A priority Critical patent/JP4403321B2/en
Publication of JP2000216154A publication Critical patent/JP2000216154A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP4403321B2 publication Critical patent/JP4403321B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Formation Of Insulating Films (AREA)
  • Junction Field-Effect Transistors (AREA)
  • Thin Film Transistor (AREA)
  • Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸化膜の形成方法及びp形半導体素子の製造方法、更に詳しくは、表面が窒化された酸化膜の形成方法、及びかかる酸化膜の形成方法をゲート酸化膜の形成に適用したp形半導体素子の製造方法、より具体的には、デュアルゲート構造を有するCMOSFETにおけるpチャネル型MOSFETの製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
例えば、シリコン半導体基板を基にしたMOS型半導体装置の製造においては、シリコン酸化膜から成るゲート酸化膜をシリコン半導体基板の表面に形成する必要がある。また、薄膜トランジスタ(TFT)の製造においても、絶縁性基板の上に設けられたシリコン層の表面にシリコン酸化膜から成るゲート酸化膜を形成する必要がある。このようなシリコン酸化膜は、半導体装置の信頼性を担っているといっても過言ではない。従って、シリコン酸化膜には、常に、高い絶縁破壊耐圧及び長期信頼性が要求される。
【0003】
半導体装置の高集積化に伴い、MOS型半導体装置のゲート酸化膜も薄膜化されつつあり、ゲート長0.1μm世代の半導体装置におけるゲート酸化膜の厚さは3nm程度になると予想されている。シリコン酸化膜の形成方法は、大きくは、乾燥酸素を酸化種として用いる乾燥酸化法と、水蒸気を酸化種として用いる加湿酸化法の2つに分類される。乾燥酸化法は、加熱されたシリコン半導体基板に十分乾燥した酸素を供給することによってシリコン半導体基板の表面にシリコン酸化膜を形成する方法である。また、加湿酸化法は、水蒸気を含む高温の酸化性雰囲気中でシリコン半導体基板の表面にシリコン酸化膜を形成する方法である。一般には、加湿酸化法によって形成されたシリコン酸化膜の方が、乾燥酸化法によって形成されたシリコン酸化膜よりも、信頼性に優れている。
【0004】
加湿酸化法の一種にパイロジェニック酸化法がある。この方法は、加湿酸化法の再現性を高め且つ水量の管理を不要とするために、純粋な水素ガスを燃焼させて水蒸気を生成する方法である。このパイロジェニック法は、最も安定して水蒸気を生成することができるので、均一なシリコン酸化膜を形成することができる。また、水蒸気を生成させるための原料として気体を用いるので、不純物の制御も行い易いといった利点がある。
【0005】
近年、CMOSトランジスタにおいては、低消費電力化のために低電圧化が図られており、そのために、PMOS半導体素子とNMOS半導体素子に対して、十分に低く、しかも対称な閾値電圧が要求される。このような要求に対処するために、PMOS半導体素子においては、これまでのn形不純物を含むポリシリコン層から構成されたゲート電極に替わり、p形不純物を含むポリシリコン層から構成されたゲート電極が用いられるようになっている。尚、このような構造のCMOSFETは、デュアルゲート構造を有するCMOSFETと呼ばれている。ところが、通常用いられるp形不純物であるボロン原子(B)は、ゲート電極形成後の半導体装置製造工程における各種の熱処理によってゲート電極からゲート酸化膜を通過し、シリコン半導体基板にまで容易に到達し、PMOS半導体素子の閾値電圧を変動させる場合がある。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
薄いシリコン酸化膜を形成しようとした場合、乾燥酸化法と比較すると、加湿酸化法では酸化速度が早いため、例えば、酸化温度を低温とし、しかも酸化時間を短くしなければならない。しかしながら、酸化時間の短縮化は、シリコン酸化膜の膜厚の均一化を妨げるという問題がある。従って、加湿酸化法を採用して薄いシリコン酸化膜を形成する場合、別の方法で酸化速度の抑制を図らなければならない。
【0007】
酸化速度の抑制方法として、減圧下で水蒸気を生成させ、減圧下でシリコン酸化膜を形成する方法がある。このように、減圧下でシリコン酸化膜を形成すれば、酸化種の供給量が少ないので、酸化速度を抑制することができる。しかしながら、かかる減圧下で水蒸気を生成させる方法では、水蒸気を生成させるための水素ガスの燃焼装置の動作が安定しない。即ち、減圧下、安定して水素ガスを燃焼させることが困難であり、その結果、酸化速度を抑制した状態で安定して薄いシリコン酸化膜を形成することが難しいという問題がある。
【0008】
また、上述のボロン原子(B)のシリコン半導体基板への拡散に起因したPMOS半導体素子の閾値電圧の変動を抑制するために、窒素原子をゲート酸化膜中に導入する方法が試みられており、ボロン原子拡散抑制の効果も確認されている。窒素原子をゲート酸化膜中に導入する方法として、例えば、窒素ガス雰囲気で放電を行うことによって窒素プラズマを発生させる、所謂プラズマ窒化法が、文献 "Ultrathin nitrogen-profile engineered gate dielectric filmes", S.V. Hattangady, et al., 1996, IEDM から知られている。この文献に記載されたプラズマ窒化法においては、ゲート酸化膜の表面のみが窒化されるため、熱窒化法によるゲート酸化膜中への窒素原子の導入のように、シリコン半導体基板に窒素が侵入することによる電流駆動能力の低下等の半導体素子特性への悪影響がない。
【0009】
しかしながら、この文献に記載されたプラズマ窒化法においては、熱酸化法に基づきシリコン酸化膜の形成を行うため、シリコン酸化膜の形成と、シリコン酸化膜のプラズマ窒化とを別の装置で、しかも2工程の処理にて行う必要がある。即ち、半導体装置の製造工程が増加し、半導体装置の製造時間が延長するといった問題、あるいは又、酸化装置とプラズマ窒化装置の2種類の装置が必要となるといった問題がある。
【0010】
また、励起状態の窒素分子若しくは窒素分子イオンにより酸化膜の表面を窒化すると、酸化膜中に欠陥が生じる虞があり、かかる欠陥を何らかの手段をもって回復あるいは除去しなければならない場合がある。
【0011】
従って、本発明の目的は、薄い酸化膜を安定して加湿酸化法にて形成することができ、しかも、p形半導体素子を構成するゲート電極からのボロン原子の拡散を確実に抑制することを可能とし、しかも、高い信頼性を有する酸化膜の形成方法、及びかかる酸化膜の形成方法をゲート酸化膜の形成に適用したp形半導体素子の製造方法を提供することにある。更に本発明の目的は、1つの装置にて、酸化膜の表面のみを窒化することを可能とする酸化膜の形成方法、及びかかる酸化膜の形成方法をゲート酸化膜の形成に適用したp形半導体素子の製造方法、より具体的には、デュアルゲート構造を有するCMOSFETにおけるpチャネル型MOSFETの製造方法を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための本発明の酸化膜の形成方法は、
(イ)水素ガス及び酸素ガスに電磁波を照射することによって水蒸気を生成させ、該水蒸気を用いて半導体層の表面を酸化し、以て半導体層の表面に酸化膜を形成する工程と、
(ロ)窒素系ガスに電磁波を照射することによって生成した励起状態の窒素分子、窒素分子イオン、窒素原子若しくは窒素原子イオンにより該酸化膜の表面を窒化する工程と、
(ハ)表面が窒化された酸化膜を熱処理する工程、
から成ることを特徴とする。
【0013】
また、上記の目的を達成するための本発明のp形半導体素子の製造方法は、
(A)半導体層の表面にゲート酸化膜を形成する工程と、
(B)該ゲート酸化膜上にp形不純物を含むシリコン層から成るゲート電極を形成する工程、
を含むp形半導体素子の製造方法であって、
工程(A)は、
(イ)水素ガス及び酸素ガスに電磁波を照射することによって水蒸気を生成させ、該水蒸気を用いて半導体層の表面を酸化し、以て半導体層の表面に酸化膜を形成する工程と、
(ロ)窒素系ガスに電磁波を照射することによって生成した励起状態の窒素分子、窒素分子イオン、窒素原子若しくは窒素原子イオンにより該酸化膜の表面を窒化し、以てゲート酸化膜を形成する工程と、
(ハ)該ゲート酸化膜を熱処理する工程、
から成ることを特徴とする。
【0014】
尚、本発明の酸化膜の形成方法あるいはp形半導体素子の製造方法において、「窒素分子、窒素分子イオン、窒素原子若しくは窒素原子イオンにより酸化膜の表面を窒化する」とは、少なくとも、窒素分子、窒素分子イオン、窒素原子若しくは窒素原子イオンのいずれかによって酸化膜の表面を窒化することを意味する。即ち、より具体的には、窒素分子、窒素分子イオン、窒素原子及び窒素原子イオンのいずれか1種類、2種類の組合せ、3種類の組合せ、あるいは、4種類の組合せによって酸化膜の表面を窒化することを意味する。
【0015】
本発明のp形半導体素子の製造方法においては、p形不純物を含むシリコン層(例えばポリシリコン層やアモルファスシリコン層)から成るゲート電極の形成方法として、例えば、p形不純物(例えば、ボロン)を含むシリコン層をCVD法に基づき製膜した後にかかるシリコン層をパターニングする方法、不純物を含まないシリコン層をCVD法にて形成した後にp形不純物(例えばボロンやBF2)をイオン注入法にてシリコン層に注入し、次いでシリコン層をパターニングする方法、不純物を含まないシリコン層をCVD法にて形成した後にパターニングを行い、次いで、p形不純物(例えばボロンやBF2)をイオン注入法にてシリコン層に注入する方法を挙げることができる。尚、工程(B)において、p形不純物を含むシリコン層を形成した後、このシリコン層上にシリサイド層を形成し、次いで、シリサイド層及びシリコン層をパターニングすることによって、ポリサイド構造を有するゲート電極を形成してもよい。あるいは又、工程(B)において、p形不純物を含むシリコン層を形成した後、このシリコン層上にタングステン等の高融点金属材料層を形成する。尚、シリコン層と高融点金属材料層との反応を防止するための反応防止膜として、シリコン層上に高融点金属の窒化物(例えばWN)を形成し、その上に高融点金属材料層を形成することが好ましい。次いで、高融点金属材料層及びシリコン層をパターニングすることによって2層構造を有するゲート電極を形成してもよい。
【0016】
本発明の酸化膜の形成方法あるいはp形半導体素子の製造方法(以下、これらを総称して、単に本発明の方法と呼ぶ場合がある)においては、電磁波として、例えば周波数2.45GHzのマイクロ波を用いることができる。水素ガス及び酸素ガスに基づき生成した水蒸気を、窒素、アルゴン、ヘリウム、ネオン、クリプトン、キセノンといった不活性ガスにて希釈した状態で、あるいは又、これらの不活性ガスをキャリアガスとして用いて、半導体層の表面に酸化膜を形成してもよい。また、電磁波を照射すべき窒素系ガスとして、窒素ガス(N2ガス)の他にも、NO、N2O、NO2等、窒素原子と酸素原子の化合物であるガスを例示することができる。
【0017】
本発明の方法においては、工程(イ)及び工程(ロ)を同一の処理室内で行うことが、あるいは又、工程(イ)、工程(ロ)及び工程(ハ)を同一の処理室内で行うことが、装置構成の簡素化、あるいは酸化膜やゲート酸化膜の形成時間の短縮化の面から好ましい。
【0018】
本発明においては、熱処理の雰囲気を不活性ガス雰囲気とすることが望ましい。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。熱処理の温度は、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、熱処理の時間は、枚葉処理にて行う場合、1〜10分とすることが好ましく、バッチ式にて行う場合、5〜60分、好ましくは10〜40分、更に好ましくは20〜30分とすることが望ましい。尚、熱処理を施す際の雰囲気温度を、酸化膜の窒化が完了したときの温度よりも高くすることが望ましい。尚、工程(ロ)及び工程(ハ)を同一の処理室内で行う場合、工程(ロ)の完了後、処理室内の雰囲気を不活性ガス雰囲気に切り替え、熱処理を施すための雰囲気温度まで昇温することが好ましい。
【0019】
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してもよい。この場合にも、熱処理における不活性ガスとしては、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガスを例示することができる。また、ハロゲン元素として、塩素、臭素、フッ素を挙げることができるが、なかでも塩素であることが望ましい。不活性ガス中に含有されるハロゲン元素の形態としては、例えば、塩化水素(HCl)、CCl4、C2HCl3、Cl2、HBr、NF3を挙げることができる。不活性ガス中のハロゲン元素の含有率は、分子又は化合物の形態を基準として、0.001〜10容量%、好ましくは0.005〜10容量%、更に好ましくは0.02〜10容量%である。例えば塩化水素ガスを用いる場合、不活性ガス中の塩化水素ガス含有率は0.02〜10容量%であることが望ましい。
【0020】
通常、シリコン半導体基板の表面にシリコン酸化膜を形成する前に、NH4OH/H22水溶液で洗浄し更にHCl/H22水溶液で洗浄するという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 Gate Oxide Formation for Giga-Scale LSIs by using Closed Wet Cleaning System and Wet Oxidation with Ultra-Dry Unloading", J. Yugami, et al., International Electron Device Meeting Technical Digest 95, pp 855-858 参照)。このような場合、そのままの状態で酸化膜の形成を開始すると、形成されたシリコン酸化膜中に水分や有機物、あるいは又、例えばSi−OHが取り込まれ、形成されたシリコン酸化膜の特性低下あるいは欠陥部分の発生の原因となり得る。尚、欠陥部分とは、シリコンダングリングボンド(Si・)やSi−H結合といった欠陥が含まれるシリコン酸化膜の部分、あるいは又、Si−O−Si結合が応力によって圧縮され若しくはSi−O−Si結合の角度が厚い若しくはバルクのシリコン酸化膜中のSi−O−Si結合の角度と異なるといったSi−O−Si結合が含まれたシリコン酸化膜の部分を意味する。それ故、このような問題の発生を回避するために、本発明においては、酸化膜の形成の前に半導体層表面を洗浄する工程を含み、表面洗浄後の半導体層を大気に曝すことなく(即ち、例えば、半導体層表面の洗浄から酸化膜形成工程の開始までの雰囲気を不活性ガス雰囲気若しくは真空雰囲気とし)、酸化膜の形成を実行することが好ましい。これによって、例えば半導体層としてシリコン半導体基板を用いる場合、大部分が水素で終端され、極一部がフッ素で終端された表面を有するシリコン半導体基板の表面にシリコン酸化膜を形成することができ、形成されたシリコン酸化膜の特性低下あるいは欠陥部分の発生を防止することができる。
【0021】
酸化膜の形成においては、処理室内に水素ガス及び酸素ガスを導入するが、この際、水素ガスが処理室内に流入し、系外に流出することによって爆鳴気反応が生じることを防止するために、処理室内に水素ガスを導入する前に酸素ガスを導入することが望ましい。然るに、酸素ガスの処理室内への導入によって半導体層に酸化膜が形成される虞がある。このような酸化膜はドライ酸化膜であり、加湿酸化法にて形成される酸化膜よりも特性が劣っている。このようなドライ酸化膜の形成を確実に防止するためには、例えば、酸化膜の形成開始前に、処理室内に窒素ガス等の不活性ガスで希釈した水素ガスを先ず導入し、次いで、処理室内に酸素ガスを導入すればよい。但し、この場合には、爆鳴気反応の発生を確実に防止するために、水素ガスの濃度を、水素ガスが酸素ガスと反応して燃焼しないような濃度、具体的には、空気中での爆轟範囲以下(空気との容量%で表した場合、18.3容量%以下)、好ましくは空気中での燃焼範囲以下(空気との容量%で表した場合、4.0容量%以下)、あるいは又、酸素中での爆轟範囲以下(酸素との容量%で表した場合、15.0容量%以下)、好ましくは酸素中での燃焼範囲以下(酸素との容量%で表した場合、4.5容量%以下)となるような濃度とすることが望ましい。
【0022】
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等、酸化膜を形成すべき下地を意味する。半導体層に酸化膜を形成するとは、半導体基板等の上若しくは上方に形成された半導体層に酸化膜を形成する場合だけでなく、半導体基板の表面に酸化膜を形成する場合を含む。尚、シリコン単結晶ウエハは、CZ法、MCZ法、DLCZ法、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。また、半導体層はSi−Geから構成されていてもよい。
【0023】
本発明の酸化膜の形成方法は、例えばMOS型トランジスタのゲート酸化膜、層間絶縁膜や素子分離領域の形成、トップゲート型若しくはボトムゲート型薄膜トランジスタのゲート酸化膜の形成、フラッシュメモリのトンネル酸化膜の形成等、各種半導体装置における酸化膜の形成に適用することができる。
【0024】
マイクロ波放電によって生成した酸素プラズマにおいては、基底状態O2(X3Σg-)は電子の衝突によって励起状態O2(A3Σu+)又はO2(B3Σu-)に励起され、それぞれ、以下の式のように酸素原子に解離する。
【0025】
2(X3Σg-)+ e → O2(A3Σu+)+ e 式(1−1)
2(A3Σu+)+ e → O(3P)+O(3P)+ e 式(1−2)
2(X3Σg-)+ e → O2(B3Σu-)+ e 式(1−3)
2(B3Σu-)+ e → O(3P)+O(1D)+ e 式(1−4)
【0026】
従って、酸素プラズマ中には励起酸素分子と酸素原子が存在し、これらが反応種となる。ここに水素H2を導入すると、マイクロ波放電によって、以下のようなプラズマが生成する。
【0027】
2 + e → 2H 式(2)
【0028】
そして、酸素プラズマの内、例えば式(1−2)で生成した酸素プラズマと式(2)で生成した水素プラズマが反応して、水蒸気が生成する。そして、加熱された半導体層の表面は、かかる水蒸気によって酸化され、半導体層の表面に酸化膜が形成される。
【0029】
2H + O(3P) → H2O 式(3)
【0030】
本発明の方法においては、このような酸素プラズマと水素プラズマとの反応に基づき水蒸気を生成させるので、例えば減圧下にあっても水蒸気を容易に且つ確実に生成させることが可能となり、酸化速度が制御された状態で加湿酸化法にて薄い酸化膜を形成することができる。
【0031】
一方、窒素系ガスとして窒素(N2)ガスを用いる場合、窒素N2は、マイクロ波によるプラズマ中で、例えば、以下の式のように励起される。即ち、プラズマ中に存在する電子が励起され、これと窒素分子との非弾性衝突により励起された窒素分子や窒素分子イオン、窒素原子、窒素原子イオンが生成される。これらの励起された窒素分子や窒素分子イオン、窒素原子、窒素原子イオンが酸化膜の表面の半導体層を主に構成する原子と酸素原子との結合(例えば、半導体層を主に構成する原子がSiの場合、Si−O結合)を切断して、窒化酸化物(例えば、Si−O−N結合)が形成され、酸化膜の表面が窒化される。酸化膜の表面の組成は、半導体層を主に構成する原子がSiの場合、SiOXYで表される。
【0032】
2(X1Σg)+ e → N2(A3Σu+)+ e 式(4−1)
2(N1Σg)+ e → N2(C3Πu) + e 式(4−2)
2(C3Πu)+ e → N2(B3Πg) + hν 式(4−3)
2(B3Πg)+ e → N2(A3Σu+)+ hν 式(4−4)
【0033】
本発明の方法においては、水素ガス及び酸素ガス、並びに窒素系ガスに電磁波を照射することに基づき酸化膜若しくはゲート酸化膜の形成を行うので、本質的に1つの酸化膜形成装置内で酸化膜若しくはゲート酸化膜の形成を行うことが可能となり、酸化膜若しくはゲート酸化膜を形成するための装置構成を簡素化することができる。また、水素ガス及び酸素ガスに電磁波を照射することによって水蒸気を生成させるので、酸化速度が抑制・制御された状態で、即ち、例えば減圧下にあっても、水蒸気を容易に且つ確実に生成させることが可能となり、加湿酸化法にて薄い酸化膜を形成することができる。しかも、水蒸気を用いた酸化法によって酸化膜を形成するので、優れた経時絶縁破壊(TDDB)特性を有する酸化膜を得ることができる。
【0034】
また、酸化膜の表面のみを窒化するので、熱窒化法による窒素原子のゲート酸化膜中への導入のように、シリコン半導体基板に窒素が侵入することによる電流駆動能力の低下等の半導体素子特性への悪影響がない。更には、酸化膜を窒化するので、例えばゲート電極形成後の半導体装置製造工程における各種の熱処理によってボロン原子がゲート酸化膜を通過してシリコン半導体基板にまで到達し、PMOS半導体素子の閾値電圧が変動するといった現象を確実に回避することができる。
【0035】
しかも、酸化膜の表面を窒化した後、表面が窒化された酸化膜あるいはゲート酸化膜を熱処理するので、励起状態の窒素分子や窒素分子イオン、窒素原子、窒素原子イオンにより酸化膜の表面を窒化する際に生じた酸化膜の欠陥を回復あるいは除去することができる。尚、工程(イ)、工程(ロ)及び工程(ハ)を同一の処理室内で行えば、酸化膜若しくはゲート酸化膜を形成するための装置構成を一層簡素化することができる。
【0036】
【実施例】
以下、図面を参照して、実施例に基づき本発明を説明する。
【0037】
(実施例1)
本発明の方法の実施に適した枚葉方式の酸化膜形成装置の概念図を図1に示す。この酸化膜形成装置は、処理室10と、半導体層(実施例1においてはシリコン半導体基板20)を載置するステージ11と、処理室10の外部に配設された磁石13と、処理室10の頂部に取り付けられたマイクロ波導波管14と、処理室10の頂部に配設されたガス導入部16A,16B,16Cから構成されている。処理室10は、プラズマ発生領域10Aと、反応領域10Bから構成されている。また、シリコン半導体基板20を加熱するための加熱手段12であるランプがステージ11内に納められている。マイクロ波導波管14にはマグネトロン15が取り付けられ、マグネトロン15によって2.45GHzのマイクロ波が生成させられ、マイクロ波導波管14を介してかかるマイクロ波は処理室10のプラズマ発生領域10Aに導入される。更には、ガス導入部16A,16B,16Cのそれぞれから処理室10内に水素ガス、酸素ガス、窒素ガスが導入される。また、処理室10の側面に配設されたガス導入部17から処理室10内に不活性ガス(例えば窒素ガス)が導入される。処理室10内に導入された各種のガスは、処理室10の下部に設けられたガス排気部18から系外に排気される。
【0038】
実施例1においては、半導体層としてシリコン半導体基板を用い、窒素系ガスとして、窒素(N2)ガスを用いた。また、酸化工程、窒化工程及び熱処理工程を同一の処理室内で行った。以下、図1に示した酸化膜形成装置を用いた本発明の酸化膜の形成方法及びp形半導体素子(具体的には、デュアルゲート構造を有するCMOSFETにおけるpチャネル型MOSFET)の製造方法を、以下、シリコン半導体基板20等の模式的な一部断面図である図2を参照して説明する。
【0039】
[工程−100]
先ず、ボロンをドープした直径8インチのP型シリコンウエハ(CZ法にて作製)であるシリコン半導体基板20に、公知の方法でLOCOS構造を有する素子分離領域21を形成し、次いでウエルイオン注入、チャネルストップイオン注入、閾値調整イオン注入を行う。尚、素子分離領域はトレンチ構造を有していてもよいし、LOCOS構造とトレンチ構造の組み合わせであってもよい。その後、RCA洗浄によりシリコン半導体基板20の表面の微粒子や金属不純物を除去し、次いで、0.1%フッ化水素酸水溶液及び純水によるシリコン半導体基板20の表面洗浄を行い、シリコン半導体基板20の表面を露出させる(図2の(A)参照)。
【0040】
[工程−110]
次に、シリコン半導体基板20を、図1に示した酸化膜形成装置に図示しない扉から搬入し、ステージ11に載置した後、ガス導入部17から不活性ガス(例えば窒素ガス)を処理室10内に導入する。そして、加熱手段12によってシリコン半導体基板20を800゜Cに加熱する。その後、希釈用ガスとしての不活性ガス(例えば窒素ガス)をガス導入部17から処理室10内に導入しながら、ガス導入部16A及びガス導入部16Bから処理室10内に水素ガス及び酸素ガスを導入する。併せて、マグネトロン15にマイクロ波電力を供給し、マグネトロン15にて生成した2.45GHzのマイクロ波をマイクロ波導波管14を介して処理室10のプラズマ発生領域10Aに導入する。これによって、即ち、水素ガス及び酸素ガスに電磁波を照射することによって、上述の式(1−1)〜(1−4)の反応、及び式(2)、式(3)の反応が生じ、水蒸気が生成する。発生した水蒸気は処理室10の下方に位置する反応領域10Bに到達し、加熱手段12によって加熱された半導体層(具体的にはシリコン半導体基板20)の表面が酸化される。こうして、半導体層の表面に酸化膜(実施例1においてはシリコン酸化膜)を形成することができる。酸化膜の形成条件を、以下の表1に例示する。
【0041】
[表1]
マイクロ波電力 :10kW
マイクロ波周波数:2.45GHz
酸素ガス流量 :10SLM
水素ガス流量 :0.2SLM
基板温度 :800゜C
【0042】
[工程−120]
酸化膜の形成完了後、マグネトロン15へのマイクロ波電力の供給、処理室10への水素ガス及び酸素ガスの導入を中止し、ガス導入部17から不活性ガスを処理室10内へ導入しながら、シリコン半導体基板20を室温まで冷却する。次いで、ガス導入部17からの不活性ガスの処理室10内への導入を中止する。その後、ガス導入部16Cから処理室10に、窒素系ガスである窒素ガスを導入する。併せて、マグネトロン15にマイクロ波電力を供給し、マグネトロン15にて生成した2.45GHzのマイクロ波をマイクロ波導波管14を介して処理室10のプラズマ発生領域10Aに導入する。これによって、即ち、窒素ガスに電磁波を照射することによって上述の式(4−1)〜(4−4)の反応にて生成した励起状態の窒素分子や窒素分子イオン等が処理室10の下方に位置する反応領域10Bに到達し、酸化膜(具体的にはシリコン酸化膜)の表面が窒化される。こうして、表面が窒化された酸化膜22(実施例1においてはシリコン酸化膜であり、ゲート酸化膜に相当する)を半導体層の表面に形成することができる。この状態を図2の(B)に模式的に示す。ここで、図においては酸化膜の窒化された部分の図示を省略した。窒化の条件を、以下の表2に例示する。尚、シリコン半導体基板の温度を室温にする理由は、窒化処理において窒素原子がシリコン半導体基板内に拡散することを抑制するためである。
【0043】
[表2]
マイクロ波電力 :1kW
マイクロ波周波数:2.45GHz
窒素ガス流量 :0.4SLM
圧力 :0.16Pa
基板温度 :室温(25゜C)
【0044】
[工程−130]
窒化処理の完了後、マグネトロン15へのマイクロ波電力の供給を中止し、処理室10への窒素ガスの導入を継続しつつ、シリコン半導体基板20を850゜Cまで昇温する。そして、以下の表3に例示する条件にて熱処理を行った後、処理室10への窒素ガスの導入を継続しながら、シリコン半導体基板20を室温まで冷却する。
【0045】
[表3]
窒素ガス流量 :4SLM
基板温度 :850゜C
【0046】
[工程−140]
その後、酸化膜形成装置から半導体層を搬出し、次いで、公知のCVD装置に半導体層(具体的には、シリコン半導体基板20)を搬入する。そして、不純物を含んでいないシリコン層(実施例1においてはポリシリコン層)をCVD法にて全面に製膜する。次いで、公知のリソグラフィ技術及びイオン注入技術に基づき、pチャネル型MOSFETのためのゲート電極へボロンを、nチャネル型MOSFETのためのゲート電極へリンを、それぞれ導入した後、シリコン層をパターニングする。これによって、ゲート絶縁膜上に、pチャネル型MOSFETのためのp形不純物を含むシリコン層(具体的にはポリシリコン層)から成るゲート電極23を形成することができる(図2の(C)参照)。併せて、ゲート絶縁膜上に、nチャネル型MOSFETのためのn形不純物を含むシリコン層(具体的にはポリシリコン層)から成るゲート電極23を形成することができる。
【0047】
[工程−150]
その後、公知の技術を用いてLDD領域を形成し、次に、全面に絶縁膜を形成し、異方性ドライエッチング技術に基づき絶縁膜をエッチングして、ゲート電極23の側壁にサイドウオール24を形成する。次いで、ソース/ドレイン領域25を形成するために、公知のリソグラフィ技術及びイオン注入技術に基づき、pチャネル型MOSFETを形成すべきシリコン半導体基板の領域にボロンを、nチャネル型MOSFETを形成すべきシリコン半導体基板の領域にリンを、それぞれ導入した後、イオン注入された不純物の活性化熱処理を行う。その後、全面に絶縁層26をCVD法にて形成し、ソース/ドレイン領域25の上方の絶縁層26に開口部を設け、かかる開口部内を含む絶縁層26の上に配線材料層をスパッタ法にて形成し、配線材料層をパターニングすることによって配線27を形成し、図2の(D)に模式的な一部断面図を示すp形半導体素子(より具体的には、デュアルゲート構造を有するCMOSFETにおけるpチャネル型MOSFET)を得ることができる。
【0048】
尚、[工程−120]を完了後、酸化膜形成装置から半導体層を搬出し、次いで、図3に模式図を示す熱処理装置内に半導体層を搬入し、熱処理を行ってもよい。この縦型方式のバッチ式の熱処理装置は、垂直方向に保持された石英製の二重管構造の処理室30と、処理室30へ不活性ガスを導入するためのガス導入部32と、処理室30からガスを排気するガス排気部33と、SiCから成る円筒状の均熱管36を介して処理室30内を所定の雰囲気温度に保持するためのヒータ34と、基板搬入出部40と、処理室30と基板搬入出部40とを仕切るシャッター35と、シリコン半導体基板を処理室30内に搬入出するためのエレベータ機構41から構成されている。エレベータ機構41には、シリコン半導体基板を載置するための石英ボート42が取り付けられている。尚、不活性ガスは、配管31、ガス流路31及びガス導入部32を介して処理室30内に導入される。尚、ガス流路31は、二重管構造の処理室30の内壁及び外壁の間の空間に相当する。
【0049】
熱処理を行う場合には、複数のシリコン半導体基板20を基板搬入出部40に搬入して、石英ボート42に載置し、次いで、エレベータ機構41を作動させて石英ボート42を処理室30内に搬入した後、シャッター35を閉じる。そして、配管31、ガス流路31及びガス導入部32を介して処理室30内に不活性ガスを導入しながら、ヒータ34を作動させて処理室30内を所望の温度まで昇温し、熱処理を行う。熱処理の完了後、ヒータ34の作動を停止して処理室30内を室温まで降温し、シャッター35を開き、エレベータ機構41を作動させて石英ボート42を処理室30内に搬出し、更に、石英ボート42からシリコン半導体基板を搬出し、[工程−140]以降を実行すればよい。
【0050】
(実施例2)
実施例2は、実施例1の酸化膜の形成方法及びp形半導体素子(具体的には、デュアルゲート構造を有するCMOSFETにおけるpチャネル型MOSFET)の製造方法の変形である。実施例2が実施例1と相違する点は、酸化膜の形成の前に半導体層表面を洗浄した後、半導体層を大気に曝すことなく(即ち、例えば、半導体層表面の洗浄から酸化膜形成工程の開始までの雰囲気を不活性ガス雰囲気若しくは真空雰囲気とし)、酸化膜の形成を実行する点にある。
【0051】
即ち、実施例1において0.1%フッ化水素酸水溶液及び純水により半導体層の表面洗浄を行った後、半導体層を酸化膜形成装置に搬入した。一方、実施例2においては半導体層の表面洗浄から酸化膜形成装置への搬入までの雰囲気を、不活性ガス(例えば窒素ガス)雰囲気とする。そのためには、図4に模式図を示すように、表面洗浄装置、酸化膜形成装置、搬送路、ローダー及びアンローダーから構成されたクラスターツール装置を用い、表面洗浄装置から酸化膜形成装置までを搬送路で結び、かかる表面洗浄装置、搬送路及び酸化膜形成装置の処理室の雰囲気を不活性ガス雰囲気とする方法によって達成することができる。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。また、搬送路等内の雰囲気を真空雰囲気とする場合には、半導体層を搬入する際の酸化膜形成装置の処理室10の雰囲気を例えば1.3×10-1Pa(10-3Torr)程度の真空雰囲気としておき、半導体層の搬入完了後、処理室10の雰囲気を不活性ガス(例えば窒素ガス)雰囲気とすればよい。あるいは又、このような雰囲気は、例えば、半導体層の表面洗浄装置の雰囲気を不活性ガス雰囲気とし、且つ、不活性ガスが充填された搬送用ボックス内に半導体層(例えばシリコン半導体基板)を納めて酸化膜形成装置に搬入する方法によって達成することもできる。
【0052】
実施例2においては、0.1%フッ化水素酸水溶液及び純水により半導体層の表面洗浄を行う代わりに、表3に例示する条件にて、無水フッ化水素ガスを用いた気相洗浄法によって半導体層の表面洗浄を行った。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。場合によっては、表4に例示する条件にて、塩化水素ガスを用いた気相洗浄法によって半導体層の表面洗浄を行ってもよい。
【0053】
[表3]
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
【0054】
[表4]
塩化水素ガス/窒素ガス:1容量%
温度 :800゜C
【0055】
これらの方法を採用することによって、酸化膜の形成前に半導体層の表面を汚染等の無い状態に保つことができる結果、形成された酸化膜中に水分や有機物、あるいは又、例えばSi−OHが取り込まれ、形成された酸化膜の特性が低下しあるいは欠陥部分が発生することを、効果的に防ぐことができる。更には、クラスターツール装置を用いることによって、装置設置面積を減少することができる。
【0056】
以上、本発明を好ましい実施例に基づき説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。実施例にて説明した各種の条件や酸化膜形成装置の構造は例示であり、適宜変更することができる。
【0057】
実施例においては、専らシリコン半導体基板の表面にシリコン酸化膜を形成したが、本発明の酸化膜の形成方法に基づき、基板の上に製膜されたエピタキシャルシリコン層にシリコン酸化膜を形成することもできるし、基板の上に形成された絶縁層の上に製膜されたポリシリコン層あるいはアモルファスシリコン層等の表面にシリコン酸化膜を形成することもできる。あるいは又、SOI構造におけるシリコン層の表面にシリコン酸化膜を形成してもよいし、半導体素子や半導体素子の構成要素が形成された基板やこれらの上に製膜されたシリコン層の表面にシリコン酸化膜を形成してもよい。更には、半導体素子や半導体素子の構成要素が形成された基板やこれらの上に製膜された下地絶縁層の上に形成されたシリコン層の表面にシリコン酸化膜を形成してもよい。窒化処理を含む酸化膜の形成は、枚葉方式だけでなく、複数の半導体層を同時に処理するバッチ方式にて行うこともできる。また、処理室10を2台準備し、一方の処理室10で半導体層の表面に酸化膜を形成し、他方の処理室10で酸化膜の表面を窒化し、且つ、熱処理を行ってもよい。
【0058】
先に説明したように、酸化膜の形成においては、処理室10内に水素ガス及び酸素ガスを導入するが、この際、水素ガスが処理室10内に流入し、系外に流出することによって爆鳴気反応が生じることを防止するため、且つ、半導体層にドライ酸化膜が形成されることを防止するために、例えば、実施例1の[工程−120]において、ガス導入部17から処理室10内に例えば流量10SLMの希釈用ガスとしての不活性ガス(例えば窒素ガス)を導入しながら、ガス導入部16Aから処理室10内に流量0.2SLMの水素ガスを導入し、その後、例えばガス導入部16Bから処理室10内に例えば流量10SLMの酸素ガスを導入すればよい。次いで、マグネトロン15にマイクロ波電力を供給し、マグネトロン15にて生成した2.45GHzのマイクロ波をマイクロ波導波管14を介して処理室10のプラズマ発生領域10Aに導入する。このような操作によって、水蒸気生成前の処理室10内における水素ガス濃度は十分に低い値となり、爆鳴気反応が生じることを確実に防止することができ、しかも、ドライ酸化膜の形成を確実に防止することができる。
【0059】
【発明の効果】
本発明においては、本質的に1つの酸化膜形成装置内で酸化膜若しくはゲート酸化膜の形成を行うことが可能となり、酸化膜若しくはゲート酸化膜の形成のための装置が1つで済み、装置構成を簡素化することができる。また、酸化速度が抑制・制御された状態で水蒸気を容易に且つ確実に生成させることが可能となり、加湿酸化法にて薄い酸化膜を形成することができる。しかも、水蒸気を用いた酸化法によって酸化膜を形成するので、優れた経時絶縁破壊(TDDB)特性を有する酸化膜を得ることができる。加えて、酸化膜の表面のみを窒化するので、電流駆動能力の低下等の半導体素子特性への悪影響がない。更には、酸化膜を窒化するので、例えばゲート電極形成後の半導体装置製造工程における各種の熱処理によってp形不純物がゲート酸化膜を通過して半導体層まで到達する結果、PMOS半導体素子の閾値電圧が変動するといった現象を確実に回避することができる。しかも、窒化処理後に熱処理を行うので、窒化処理によって生じた酸化膜の欠陥を回復あるいは除去することができ、高い信頼性を有する酸化膜あるいはゲート酸化膜を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の方法の実施に適した酸化膜形成装置の概念図である。
【図2】実施例1の酸化膜の形成方法を説明するためのシリコン半導体基板等の模式的な一部断面図である。
【図3】熱処理装置の模式図である。
【図4】クラスターツール装置の模式図である。
【符号の説明】
10・・・処理室、10A・・・プラズマ発生領域、10B・・・反応領域、11・・・ステージ、12・・・加熱手段、13・・・磁石、14・・・マイクロ波導波管、15・・・マグネトロン、16A,16B,16C,17・・・ガス導入部、18・・・ガス排気部、20・・・シリコン半導体基板、21・・・素子分離領域、22・・・酸化膜(ゲート酸化膜)、23・・・ゲート電極、24・・・サイドウオール、25・・・ソース/ドレイン領域、26・・・絶縁層、27・・・配線
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for forming an oxide film and a method for manufacturing a p-type semiconductor device, and more specifically, a method for forming an oxide film having a nitrided surface, and a method for applying such a method for forming an oxide film to the formation of a gate oxide film. More specifically, the present invention relates to a method for manufacturing a p-channel MOSFET in a CMOSFET having a dual gate structure.
[0002]
[Prior art]
For example, in the manufacture of a MOS type semiconductor device based on a silicon semiconductor substrate, it is necessary to form a gate oxide film made of a silicon oxide film on the surface of the silicon semiconductor substrate. Also in manufacturing a thin film transistor (TFT), it is necessary to form a gate oxide film made of a silicon oxide film on the surface of a silicon layer provided on an insulating substrate. It is no exaggeration to say that such a silicon oxide film is responsible for the reliability of the semiconductor device. Accordingly, the silicon oxide film is always required to have high breakdown voltage and long-term reliability.
[0003]
Along with the high integration of semiconductor devices, the gate oxide film of MOS type semiconductor devices is also becoming thinner, and the thickness of the gate oxide film in a semiconductor device having a gate length of 0.1 μm generation is expected to be about 3 nm. Silicon oxide film formation methods can be broadly classified into two methods: a dry oxidation method using dry oxygen as an oxidizing species, and a humidified oxidation method using water vapor as an oxidizing species. The dry oxidation method is a method of forming a silicon oxide film on the surface of a silicon semiconductor substrate by supplying sufficiently dried oxygen to a heated silicon semiconductor substrate. The humidified oxidation method is a method of forming a silicon oxide film on the surface of a silicon semiconductor substrate in a high-temperature oxidizing atmosphere containing water vapor. In general, a silicon oxide film formed by a humidified oxidation method is more reliable than a silicon oxide film formed by a dry oxidation method.
[0004]
One type of humidification oxidation method is a pyrogenic oxidation method. This method is a method of generating water vapor by burning pure hydrogen gas in order to improve the reproducibility of the humidification oxidation method and eliminate the need for water amount management. Since this pyrogenic method can generate water vapor most stably, a uniform silicon oxide film can be formed. Further, since gas is used as a raw material for generating water vapor, there is an advantage that impurities can be easily controlled.
[0005]
In recent years, CMOS transistors have been reduced in voltage to reduce power consumption. For this reason, sufficiently low and symmetrical threshold voltages are required for PMOS and NMOS semiconductor devices. . In order to cope with such a demand, in the PMOS semiconductor device, instead of the conventional gate electrode composed of the polysilicon layer containing n-type impurities, the gate electrode composed of the polysilicon layer containing p-type impurities. Is being used. A CMOSFET having such a structure is called a CMOSFET having a dual gate structure. However, boron atoms (B), which are commonly used p-type impurities, easily pass through the gate oxide film from the gate electrode and reach the silicon semiconductor substrate by various heat treatments in the semiconductor device manufacturing process after forming the gate electrode. The threshold voltage of the PMOS semiconductor device may be varied.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
When a thin silicon oxide film is to be formed, the humidification oxidation method has a higher oxidation rate than the dry oxidation method. For example, the oxidation temperature must be lowered and the oxidation time must be shortened. However, the shortening of the oxidation time has a problem that the uniformity of the thickness of the silicon oxide film is hindered. Therefore, when the thin silicon oxide film is formed by employing the humidified oxidation method, the oxidation rate must be suppressed by another method.
[0007]
As a method for suppressing the oxidation rate, there is a method in which water vapor is generated under reduced pressure and a silicon oxide film is formed under reduced pressure. In this way, if the silicon oxide film is formed under reduced pressure, the amount of oxidizing species supplied is small, so that the oxidation rate can be suppressed. However, in the method of generating water vapor under such reduced pressure, the operation of the hydrogen gas combustion apparatus for generating water vapor is not stable. That is, it is difficult to stably burn hydrogen gas under reduced pressure, and as a result, it is difficult to stably form a thin silicon oxide film while suppressing the oxidation rate.
[0008]
In order to suppress fluctuations in the threshold voltage of the PMOS semiconductor element due to the diffusion of the boron atoms (B) into the silicon semiconductor substrate, a method of introducing nitrogen atoms into the gate oxide film has been attempted. The effect of suppressing boron atom diffusion has also been confirmed. As a method for introducing nitrogen atoms into the gate oxide film, for example, a so-called plasma nitridation method in which nitrogen plasma is generated by performing discharge in a nitrogen gas atmosphere is described in the literature "Ultrathin nitrogen-profile engineered gate dielectric filmes", SV Hattangady , et al., 1996, known from IEDM. In the plasma nitriding method described in this document, since only the surface of the gate oxide film is nitrided, nitrogen penetrates into the silicon semiconductor substrate as in the introduction of nitrogen atoms into the gate oxide film by thermal nitriding. Therefore, there is no adverse effect on the semiconductor element characteristics such as a decrease in current driving capability.
[0009]
However, in the plasma nitridation method described in this document, since the silicon oxide film is formed based on the thermal oxidation method, the formation of the silicon oxide film and the plasma nitridation of the silicon oxide film are performed with different apparatuses. It is necessary to carry out the process. That is, there are problems that the manufacturing process of the semiconductor device is increased and the manufacturing time of the semiconductor device is extended, or that two types of devices, an oxidizer and a plasma nitridation device, are required.
[0010]
Further, when the surface of the oxide film is nitrided by excited nitrogen molecules or nitrogen molecular ions, there is a possibility that defects are generated in the oxide film, and such defects may have to be recovered or removed by some means.
[0011]
Accordingly, an object of the present invention is to stably form a thin oxide film by a humidified oxidation method, and to reliably suppress the diffusion of boron atoms from the gate electrode constituting the p-type semiconductor element. An object of the present invention is to provide a method for forming an oxide film having high reliability and a method for manufacturing a p-type semiconductor element in which the method for forming an oxide film is applied to the formation of a gate oxide film. Furthermore, an object of the present invention is to form an oxide film that can nitride only the surface of the oxide film with one apparatus, and a p-type in which such an oxide film formation method is applied to the formation of a gate oxide film. An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor device, more specifically, a method for manufacturing a p-channel MOSFET in a CMOSFET having a dual gate structure.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the method for forming an oxide film of the present invention comprises:
(A) a step of generating water vapor by irradiating electromagnetic waves to hydrogen gas and oxygen gas, oxidizing the surface of the semiconductor layer using the water vapor, and forming an oxide film on the surface of the semiconductor layer;
(B) nitriding the surface of the oxide film with excited nitrogen molecules, nitrogen molecular ions, nitrogen atoms or nitrogen atom ions generated by irradiating a nitrogen-based gas with electromagnetic waves;
(C) a step of heat-treating the oxide film having a nitrided surface;
It is characterized by comprising.
[0013]
Moreover, the manufacturing method of the p-type semiconductor element of this invention for achieving said objective is as follows.
(A) forming a gate oxide film on the surface of the semiconductor layer;
(B) forming a gate electrode made of a silicon layer containing a p-type impurity on the gate oxide film;
A method of manufacturing a p-type semiconductor device comprising:
Step (A)
(A) a step of generating water vapor by irradiating electromagnetic waves to hydrogen gas and oxygen gas, oxidizing the surface of the semiconductor layer using the water vapor, and forming an oxide film on the surface of the semiconductor layer;
(B) A step of nitriding the surface of the oxide film with excited nitrogen molecules, nitrogen molecular ions, nitrogen atoms or nitrogen atom ions generated by irradiating a nitrogen-based gas with electromagnetic waves, thereby forming a gate oxide film When,
(C) a step of heat-treating the gate oxide film;
It is characterized by comprising.
[0014]
In the method for forming an oxide film or the method for manufacturing a p-type semiconductor element of the present invention, “nitriding the surface of the oxide film with nitrogen molecules, nitrogen molecular ions, nitrogen atoms or nitrogen atom ions” means at least nitrogen molecules. It means that the surface of the oxide film is nitrided with nitrogen molecular ions, nitrogen atoms or nitrogen atom ions. That is, more specifically, the surface of the oxide film is nitrided by any one, two, three, or four of nitrogen molecules, nitrogen molecular ions, nitrogen atoms and nitrogen atom ions. It means to do.
[0015]
In the method for manufacturing a p-type semiconductor element of the present invention, for example, a p-type impurity (for example, boron) is used as a method for forming a gate electrode made of a silicon layer containing a p-type impurity (for example, a polysilicon layer or an amorphous silicon layer). A method of patterning the silicon layer after forming the silicon layer containing the CVD method based on the CVD method, and a p-type impurity (for example, boron or BF) after forming the silicon layer not containing the impurity by the CVD method. 2 ) Is implanted into the silicon layer by ion implantation, followed by patterning the silicon layer, patterning after forming a silicon layer not containing impurities by CVD, and then p-type impurities (for example, boron or BF). 2 ) May be implanted into the silicon layer by ion implantation. In the step (B), after forming a silicon layer containing a p-type impurity, a silicide layer is formed on the silicon layer, and then the silicide layer and the silicon layer are patterned to form a gate electrode having a polycide structure. May be formed. Alternatively, in step (B), after forming a silicon layer containing p-type impurities, a refractory metal material layer such as tungsten is formed on the silicon layer. As a reaction preventing film for preventing the reaction between the silicon layer and the refractory metal material layer, a refractory metal nitride (for example, WN) is formed on the silicon layer, and the refractory metal material layer is formed thereon. It is preferable to form. Next, a gate electrode having a two-layer structure may be formed by patterning the refractory metal material layer and the silicon layer.
[0016]
In the method for forming an oxide film or the method for manufacturing a p-type semiconductor element of the present invention (hereinafter, these may be collectively referred to simply as the method of the present invention), for example, microwaves having a frequency of 2.45 GHz are used as electromagnetic waves. Can be used. In a state where water vapor generated based on hydrogen gas and oxygen gas is diluted with an inert gas such as nitrogen, argon, helium, neon, krypton, or xenon, or using these inert gases as carrier gases, a semiconductor An oxide film may be formed on the surface of the layer. In addition, nitrogen gas (N 2 Gas), NO, N 2 O, NO 2 Examples thereof include a gas that is a compound of a nitrogen atom and an oxygen atom.
[0017]
In the method of the present invention, the step (a) and the step (b) are performed in the same processing chamber, or the step (a), the step (b) and the step (c) are performed in the same processing chamber. This is preferable from the viewpoint of simplifying the device configuration or shortening the formation time of the oxide film and the gate oxide film.
[0018]
In the present invention, it is desirable that the heat treatment atmosphere be an inert gas atmosphere. Examples of the inert gas in the heat treatment include nitrogen gas, argon gas, and helium gas. The heat treatment temperature is 700 to 1200 ° C, preferably 700 to 1000 ° C, more preferably 700 to 950 ° C. In addition, the heat treatment time is preferably 1 to 10 minutes in the case of single wafer processing, 5 to 60 minutes, preferably 10 to 40 minutes, more preferably 20 to 30 in the batch mode. It is desirable to use minutes. Note that it is desirable that the atmospheric temperature during the heat treatment be higher than the temperature when the nitridation of the oxide film is completed. In addition, when the process (b) and the process (c) are performed in the same processing chamber, after the completion of the process (b), the atmosphere in the processing chamber is switched to an inert gas atmosphere, and the temperature is increased to an atmospheric temperature for performing the heat treatment. It is preferable to do.
[0019]
The atmosphere for the heat treatment may be an inert gas atmosphere containing a halogen element. Also in this case, examples of the inert gas in the heat treatment include nitrogen gas, argon gas, and helium gas. Further, examples of the halogen element include chlorine, bromine, and fluorine. Among them, chlorine is desirable. Examples of the form of the halogen element contained in the inert gas include hydrogen chloride (HCl) and CCl. Four , C 2 HCl Three , Cl 2 , HBr, NF Three Can be mentioned. The halogen element content in the inert gas is 0.001 to 10% by volume, preferably 0.005 to 10% by volume, more preferably 0.02 to 10% by volume, based on the form of the molecule or compound. is there. For example, when hydrogen chloride gas is used, the hydrogen chloride gas content in the inert gas is preferably 0.02 to 10% by volume.
[0020]
Usually, before forming a silicon oxide film on the surface of a silicon semiconductor substrate, NH Four OH / H 2 O 2 Wash with aqueous solution and further HCl / H 2 O 2 The surface of the silicon semiconductor substrate is cleaned by RCA cleaning, which is performed by cleaning with an aqueous solution. After removing fine particles and metal impurities from the surface, the silicon semiconductor substrate is cleaned with an aqueous hydrofluoric acid solution and pure water. However, after that, when the silicon semiconductor substrate is exposed to the atmosphere, the surface of the silicon semiconductor substrate is contaminated, moisture or organic matter adheres to the surface of the silicon semiconductor substrate, or Si atoms on the surface of the silicon semiconductor substrate become hydroxyl groups ( OH) (for example, “Highly-reliable Gate Oxide Formation for Giga-Scale LSIs by using Closed Wet Cleaning System and Wet Oxidation with Ultra-Dry Unloading”, J. Yugami, et al., International Electron (See Device Meeting Technical Digest 95, pp 855-858). In such a case, when the formation of the oxide film is started as it is, moisture, organic matter, or, for example, Si—OH is taken into the formed silicon oxide film, and the characteristic of the formed silicon oxide film is reduced. It may cause a defective part. The defect portion is a portion of a silicon oxide film including defects such as silicon dangling bonds (Si.) And Si—H bonds, or Si—O—Si bonds are compressed by stress or Si—O—. It means a portion of a silicon oxide film containing Si—O—Si bonds in which the Si bond angle is thick or different from the Si—O—Si bond angle in the bulk silicon oxide film. Therefore, in order to avoid the occurrence of such a problem, the present invention includes a step of cleaning the surface of the semiconductor layer before the formation of the oxide film without exposing the semiconductor layer after the surface cleaning to the atmosphere ( That is, for example, the atmosphere from the cleaning of the surface of the semiconductor layer to the start of the oxide film forming process is preferably an inert gas atmosphere or a vacuum atmosphere), and the oxide film is preferably formed. Thus, for example, when a silicon semiconductor substrate is used as the semiconductor layer, a silicon oxide film can be formed on the surface of the silicon semiconductor substrate having a surface that is mostly terminated with hydrogen and a pole portion is terminated with fluorine. It is possible to prevent deterioration of characteristics of the formed silicon oxide film or generation of defective portions.
[0021]
In the formation of the oxide film, hydrogen gas and oxygen gas are introduced into the processing chamber. At this time, in order to prevent the squeal gas reaction from occurring due to the hydrogen gas flowing into the processing chamber and flowing out of the system. In addition, it is desirable to introduce oxygen gas before introducing hydrogen gas into the processing chamber. However, there is a possibility that an oxide film is formed in the semiconductor layer by introducing oxygen gas into the processing chamber. Such an oxide film is a dry oxide film and is inferior in characteristics to an oxide film formed by a humidified oxidation method. In order to reliably prevent the formation of such a dry oxide film, for example, hydrogen gas diluted with an inert gas such as nitrogen gas is first introduced into the processing chamber before starting the formation of the oxide film, and then the processing is performed. Oxygen gas may be introduced into the room. However, in this case, in order to surely prevent the occurrence of the squeal gas reaction, the concentration of hydrogen gas is set to a concentration at which hydrogen gas does not react with oxygen gas and burn, specifically, in the air. Detonation range (18.3% or less when expressed in volume% with air), preferably below the combustion range in air (4.0% or less when expressed with volume% with air) ) Or less than the detonation range in oxygen (when expressed in volume% with oxygen, 15.0 volume% or less), preferably less than the combustion range in oxygen (expressed in volume% with oxygen) In such a case, the concentration is preferably 4.5% by volume or less.
[0022]
As a 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 and a semiconductor element on these layers Means a base on which an oxide film is to be formed. Forming an oxide film on a semiconductor layer includes not only forming an oxide film on a semiconductor layer formed on or above a semiconductor substrate or the like, but also forming an oxide film on the surface of the semiconductor substrate. The silicon single crystal wafer may be a wafer produced by any method such as CZ method, MCZ method, DLCZ method, FZ method, etc., or may be pre-hydrogenated. The semiconductor layer may be made of Si—Ge.
[0023]
The oxide film forming method of the present invention includes, for example, gate oxide films of MOS transistors, formation of interlayer insulating films and element isolation regions, formation of gate oxide films of top gate type or bottom gate type thin film transistors, and tunnel oxide films of flash memories. The present invention can be applied to the formation of oxide films in various semiconductor devices.
[0024]
In the oxygen plasma generated by microwave discharge, the ground state O 2 (X Three Σg - ) Is the excited state O due to the collision of electrons. 2 (A Three Σu + ) Or O 2 (B Three Σu - ) And dissociate into oxygen atoms as shown in the following equations.
[0025]
O 2 (X Three Σg - ) + E → O 2 (A Three Σu + ) + E Formula (1-1)
O 2 (A Three Σu + ) + E → O ( Three P) + O ( Three P) + e Formula (1-2)
O 2 (X Three Σg - ) + E → O 2 (B Three Σu - ) + E Formula (1-3)
O 2 (B Three Σu - ) + E → O ( Three P) + O ( 1 D) + e Formula (1-4)
[0026]
Accordingly, excited oxygen molecules and oxygen atoms exist in the oxygen plasma, and these become reactive species. Hydrogen H here 2 Is introduced, the following plasma is generated by microwave discharge.
[0027]
H 2 + E → 2H Formula (2)
[0028]
In the oxygen plasma, for example, the oxygen plasma generated by the equation (1-2) and the hydrogen plasma generated by the equation (2) react to generate water vapor. Then, the surface of the heated semiconductor layer is oxidized by the water vapor, and an oxide film is formed on the surface of the semiconductor layer.
[0029]
2H + O ( Three P) → H 2 O Formula (3)
[0030]
In the method of the present invention, since water vapor is generated based on such a reaction between oxygen plasma and hydrogen plasma, for example, water vapor can be generated easily and reliably even under reduced pressure, and the oxidation rate is reduced. A thin oxide film can be formed by a humidified oxidation method in a controlled state.
[0031]
On the other hand, nitrogen (N 2 ) Nitrogen N when using gas 2 Is excited in a microwave plasma, for example, as in the following equation. That is, electrons existing in the plasma are excited, and nitrogen molecules, nitrogen molecular ions, nitrogen atoms, and nitrogen atom ions excited by inelastic collisions with the nitrogen molecules are generated. These excited nitrogen molecules, nitrogen molecular ions, nitrogen atoms, nitrogen atom ions are bonds between oxygen atoms and atoms that mainly constitute the semiconductor layer on the surface of the oxide film (for example, atoms that mainly constitute the semiconductor layer In the case of Si, the Si—O bond is cut to form a nitrided oxide (for example, Si—O—N bond), and the surface of the oxide film is nitrided. The composition of the surface of the oxide film is such that when the atoms mainly constituting the semiconductor layer are Si, SiO X N Y It is represented by
[0032]
N 2 (X 1 Σg) + e → N 2 (A Three Σu + ) + E Formula (4-1)
N 2 (N 1 Σg) + e → N 2 (C Three Πu) + e Formula (4-2)
N 2 (C Three Πu) + e → N 2 (B Three Πg) + hν formula (4-3)
N 2 (B Three Πg) + e → N 2 (A Three Σu + ) + Hν formula (4-4)
[0033]
In the method of the present invention, an oxide film or a gate oxide film is formed on the basis of irradiating electromagnetic waves to hydrogen gas, oxygen gas, and nitrogen-based gas. Therefore, an oxide film is essentially formed in one oxide film forming apparatus. Alternatively, the gate oxide film can be formed, and the device configuration for forming the oxide film or the gate oxide film can be simplified. Further, since water vapor is generated by irradiating hydrogen gas and oxygen gas with electromagnetic waves, water vapor is easily and reliably generated even in a state where the oxidation rate is suppressed and controlled, that is, for example, under reduced pressure. And a thin oxide film can be formed by a humidified oxidation method. In addition, since the oxide film is formed by an oxidation method using water vapor, an oxide film having excellent dielectric breakdown (TDDB) characteristics can be obtained.
[0034]
In addition, since only the surface of the oxide film is nitrided, semiconductor element characteristics such as a decrease in current drive capability due to nitrogen intrusion into the silicon semiconductor substrate, such as introduction of nitrogen atoms into the gate oxide film by thermal nitridation There is no adverse effect on. Furthermore, since the oxide film is nitrided, for example, boron atoms pass through the gate oxide film and reach the silicon semiconductor substrate by various heat treatments in the semiconductor device manufacturing process after forming the gate electrode, and the threshold voltage of the PMOS semiconductor element is increased. It is possible to reliably avoid the phenomenon of fluctuation.
[0035]
In addition, after nitriding the surface of the oxide film, the oxide film or gate oxide film having a nitrided surface is heat-treated, so that the surface of the oxide film is nitrided by excited nitrogen molecules, nitrogen molecular ions, nitrogen atoms, or nitrogen atom ions. It is possible to recover or remove the defects of the oxide film generated during the process. Note that if step (a), step (b), and step (c) are performed in the same processing chamber, the apparatus configuration for forming the oxide film or the gate oxide film can be further simplified.
[0036]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described based on examples with reference to the drawings.
[0037]
Example 1
FIG. 1 shows a conceptual diagram of a single wafer type oxide film forming apparatus suitable for carrying out the method of the present invention. The oxide film forming apparatus includes a processing chamber 10, a stage 11 on which a semiconductor layer (a silicon semiconductor substrate 20 in the first embodiment) is placed, a magnet 13 disposed outside the processing chamber 10, and the processing chamber 10. A microwave waveguide 14 attached to the top of the processing chamber 10 and gas introducing portions 16A, 16B, 16C disposed on the top of the processing chamber 10. The processing chamber 10 includes a plasma generation region 10A and a reaction region 10B. In addition, a lamp which is a heating means 12 for heating the silicon semiconductor substrate 20 is housed in the stage 11. A magnetron 15 is attached to the microwave waveguide 14, and a microwave of 2.45 GHz is generated by the magnetron 15, and the microwave is introduced into the plasma generation region 10 </ b> A of the processing chamber 10 through the microwave waveguide 14. The Furthermore, hydrogen gas, oxygen gas, and nitrogen gas are introduced into the processing chamber 10 from each of the gas introduction portions 16A, 16B, and 16C. Further, an inert gas (for example, nitrogen gas) is introduced into the processing chamber 10 from the gas introduction part 17 disposed on the side surface of the processing chamber 10. Various gases introduced into the processing chamber 10 are exhausted out of the system from a gas exhaust unit 18 provided in the lower portion of the processing chamber 10.
[0038]
In Example 1, a silicon semiconductor substrate is used as the semiconductor layer, and nitrogen (N 2 ) Gas was used. Further, the oxidation process, the nitriding process, and the heat treatment process were performed in the same processing chamber. Hereinafter, a method for forming an oxide film according to the present invention using the oxide film forming apparatus shown in FIG. 1 and a method for manufacturing a p-type semiconductor element (specifically, a p-channel MOSFET in a CMOSFET having a dual gate structure) will be described. Hereinafter, description will be given with reference to FIG. 2 which is a schematic partial sectional view of the silicon semiconductor substrate 20 and the like.
[0039]
[Step-100]
First, an element isolation region 21 having a LOCOS structure is formed by a known method on a silicon semiconductor substrate 20 which is a P-type silicon wafer (manufactured by the CZ method) having a diameter of 8 inches doped with boron, and then well ion implantation, Channel stop ion implantation and threshold adjustment ion implantation are performed. The element isolation region may have a trench structure, or a combination of a LOCOS structure and a trench structure. Thereafter, fine particles and metal impurities on the surface of the silicon semiconductor substrate 20 are removed by RCA cleaning, and then the surface of the silicon semiconductor substrate 20 is cleaned with a 0.1% hydrofluoric acid aqueous solution and pure water. The surface is exposed (see FIG. 2A).
[0040]
[Step-110]
Next, after the silicon semiconductor substrate 20 is carried into the oxide film forming apparatus shown in FIG. 1 from a door (not shown) and placed on the stage 11, an inert gas (for example, nitrogen gas) is supplied from the gas introduction unit 17 to the processing chamber. 10 is introduced. Then, the silicon semiconductor substrate 20 is heated to 800 ° C. by the heating means 12. Thereafter, hydrogen gas and oxygen gas are introduced into the processing chamber 10 from the gas introducing portion 16A and the gas introducing portion 16B while introducing an inert gas (for example, nitrogen gas) as a dilution gas from the gas introducing portion 17 into the processing chamber 10. Is introduced. At the same time, microwave power is supplied to the magnetron 15, and the 2.45 GHz microwave generated by the magnetron 15 is introduced into the plasma generation region 10 </ b> A of the processing chamber 10 through the microwave waveguide 14. Thus, that is, by irradiating the hydrogen gas and the oxygen gas with electromagnetic waves, the reactions of the above formulas (1-1) to (1-4) and the reactions of the formulas (2) and (3) occur. Water vapor is generated. The generated water vapor reaches the reaction region 10B located below the processing chamber 10, and the surface of the semiconductor layer (specifically, the silicon semiconductor substrate 20) heated by the heating means 12 is oxidized. Thus, an oxide film (a silicon oxide film in the first embodiment) can be formed on the surface of the semiconductor layer. The formation conditions of the oxide film are illustrated in Table 1 below.
[0041]
[Table 1]
Microwave power: 10 kW
Microwave frequency: 2.45 GHz
Oxygen gas flow rate: 10 SLM
Hydrogen gas flow rate: 0.2 SLM
Substrate temperature: 800 ° C
[0042]
[Step-120]
After the formation of the oxide film is completed, the supply of microwave power to the magnetron 15 and the introduction of hydrogen gas and oxygen gas into the processing chamber 10 are stopped, and an inert gas is introduced into the processing chamber 10 from the gas introduction unit 17. Then, the silicon semiconductor substrate 20 is cooled to room temperature. Next, the introduction of the inert gas from the gas introduction unit 17 into the processing chamber 10 is stopped. Thereafter, nitrogen gas, which is a nitrogen-based gas, is introduced from the gas introduction unit 16 </ b> C into the processing chamber 10. At the same time, microwave power is supplied to the magnetron 15, and the 2.45 GHz microwave generated by the magnetron 15 is introduced into the plasma generation region 10 </ b> A of the processing chamber 10 through the microwave waveguide 14. Thus, that is, excited nitrogen molecules and nitrogen molecular ions generated in the reactions of the above-described formulas (4-1) to (4-4) by irradiating electromagnetic waves to nitrogen gas are below the processing chamber 10. Reaches the reaction region 10B located in the region, and the surface of the oxide film (specifically, the silicon oxide film) is nitrided. In this way, the oxide film 22 having a nitrided surface (in the first embodiment, a silicon oxide film and corresponding to a gate oxide film) can be formed on the surface of the semiconductor layer. This state is schematically shown in FIG. Here, the illustration of the nitrided portion of the oxide film is omitted in the figure. The nitriding conditions are illustrated in Table 2 below. The reason why the temperature of the silicon semiconductor substrate is set to room temperature is to suppress diffusion of nitrogen atoms into the silicon semiconductor substrate during nitriding.
[0043]
[Table 2]
Microwave power: 1kW
Microwave frequency: 2.45 GHz
Nitrogen gas flow rate: 0.4 SLM
Pressure: 0.16 Pa
Substrate temperature: Room temperature (25 ° C)
[0044]
[Step-130]
After completion of the nitriding process, the supply of microwave power to the magnetron 15 is stopped, and the silicon semiconductor substrate 20 is heated to 850 ° C. while continuing to introduce nitrogen gas into the processing chamber 10. Then, after performing heat treatment under the conditions illustrated in Table 3 below, the silicon semiconductor substrate 20 is cooled to room temperature while continuing to introduce nitrogen gas into the processing chamber 10.
[0045]
[Table 3]
Nitrogen gas flow rate: 4SLM
Substrate temperature: 850 ° C
[0046]
[Step-140]
Thereafter, the semiconductor layer is unloaded from the oxide film forming apparatus, and then the semiconductor layer (specifically, the silicon semiconductor substrate 20) is loaded into a known CVD apparatus. Then, a silicon layer containing no impurities (polysilicon layer in the first embodiment) is formed on the entire surface by the CVD method. Next, based on a known lithography technique and ion implantation technique, boron is introduced into the gate electrode for the p-channel MOSFET and phosphorus is introduced into the gate electrode for the n-channel MOSFET, and then the silicon layer is patterned. As a result, a gate electrode 23 made of a silicon layer (specifically, a polysilicon layer) containing a p-type impurity for the p-channel MOSFET can be formed on the gate insulating film (FIG. 2C). reference). In addition, a gate electrode 23 made of a silicon layer (specifically, a polysilicon layer) containing an n-type impurity for an n-channel MOSFET can be formed on the gate insulating film.
[0047]
[Step-150]
Thereafter, an LDD region is formed using a known technique, an insulating film is then formed on the entire surface, and the insulating film is etched based on an anisotropic dry etching technique, and a sidewall 24 is formed on the side wall of the gate electrode 23. Form. Next, in order to form the source / drain region 25, boron is formed in the region of the silicon semiconductor substrate on which the p-channel MOSFET is to be formed, and silicon on which the n-channel MOSFET is to be formed, based on a known lithography technique and ion implantation technique After introducing phosphorus into each region of the semiconductor substrate, activation heat treatment is performed on the implanted impurities. Thereafter, an insulating layer 26 is formed on the entire surface by a CVD method, an opening is provided in the insulating layer 26 above the source / drain region 25, and a wiring material layer is formed on the insulating layer 26 including the opening by a sputtering method. The wiring 27 is formed by patterning the wiring material layer, and a p-type semiconductor element (more specifically, having a dual gate structure) shown in a schematic partial sectional view in FIG. A p-channel MOSFET in a CMOSFET) can be obtained.
[0048]
Note that after completing [Step-120], the semiconductor layer may be unloaded from the oxide film forming apparatus, and then the semiconductor layer may be loaded into a heat treatment apparatus schematically shown in FIG. This vertical batch-type heat treatment apparatus includes a quartz double tube structure processing chamber 30 held in a vertical direction, a gas introduction section 32 for introducing an inert gas into the processing chamber 30, a processing A gas exhaust unit 33 for exhausting gas from the chamber 30, a heater 34 for maintaining the inside of the processing chamber 30 at a predetermined atmospheric temperature via a cylindrical soaking tube 36 made of SiC, a substrate carry-in / out unit 40, The shutter 35 partitions the processing chamber 30 and the substrate loading / unloading section 40 and an elevator mechanism 41 for loading and unloading the silicon semiconductor substrate into and out of the processing chamber 30. A quartz boat 42 for mounting the silicon semiconductor substrate is attached to the elevator mechanism 41. The inert gas is introduced into the processing chamber 30 through the pipe 31, the gas flow path 31, and the gas introduction part 32. The gas flow path 31 corresponds to a space between the inner wall and the outer wall of the processing chamber 30 having a double tube structure.
[0049]
When performing heat treatment, a plurality of silicon semiconductor substrates 20 are loaded into the substrate loading / unloading section 40 and placed on the quartz boat 42, and then the elevator mechanism 41 is operated to place the quartz boat 42 in the processing chamber 30. After carrying in, the shutter 35 is closed. Then, while introducing an inert gas into the processing chamber 30 through the pipe 31, the gas flow path 31 and the gas introduction part 32, the heater 34 is operated to raise the temperature in the processing chamber 30 to a desired temperature, and heat treatment is performed. I do. After the heat treatment is completed, the operation of the heater 34 is stopped, the temperature in the processing chamber 30 is lowered to room temperature, the shutter 35 is opened, the elevator mechanism 41 is operated, and the quartz boat 42 is carried out into the processing chamber 30. The silicon semiconductor substrate may be unloaded from the boat 42 and [Step-140] and subsequent steps may be executed.
[0050]
(Example 2)
Example 2 is a modification of the method for forming an oxide film and a method for manufacturing a p-type semiconductor element (specifically, a p-channel type MOSFET in a CMOSFET having a dual gate structure) in Example 1. The second embodiment is different from the first embodiment in that the surface of the semiconductor layer is cleaned before the formation of the oxide film, and then the semiconductor layer is not exposed to the atmosphere (that is, the oxide film is formed from the cleaning of the surface of the semiconductor layer, for example). The atmosphere until the start of the process is an inert gas atmosphere or a vacuum atmosphere), and the oxide film is formed.
[0051]
That is, after cleaning the surface of the semiconductor layer with 0.1% hydrofluoric acid aqueous solution and pure water in Example 1, the semiconductor layer was carried into the oxide film forming apparatus. On the other hand, in Example 2, the atmosphere from cleaning the surface of the semiconductor layer to carrying it into the oxide film forming apparatus is an inert gas (for example, nitrogen gas) atmosphere. For this purpose, as shown in the schematic diagram of FIG. 4, a cluster tool device composed of a surface cleaning device, an oxide film forming device, a conveyance path, a loader and an unloader is used, and from the surface cleaning device to the oxide film forming device. It can be achieved by a method in which the atmosphere in the processing chamber of the surface cleaning apparatus, the conveyance path, and the oxide film forming apparatus is made an inert gas atmosphere. The atmosphere in the surface cleaning apparatus and the atmosphere in the transport path before the start of the surface cleaning of the semiconductor layer or after the completion of the surface cleaning may be an inert gas atmosphere, for example, 1.3 × 10. -1 Pa (10 -3 A vacuum atmosphere of about Torr) may be used. When the atmosphere in the transfer path or the like is a vacuum atmosphere, the atmosphere in the processing chamber 10 of the oxide film forming apparatus when the semiconductor layer is carried in is, for example, 1.3 × 10. -1 Pa (10 -3 (Torr) degree vacuum atmosphere, and after the semiconductor layer is completely loaded, the atmosphere in the processing chamber 10 may be an inert gas (for example, nitrogen gas) atmosphere. Alternatively, for example, the atmosphere of the semiconductor layer surface cleaning apparatus is an inert gas atmosphere, and the semiconductor layer (for example, a silicon semiconductor substrate) is placed in a transport box filled with the inert gas. It can also be achieved by a method of carrying it into the oxide film forming apparatus.
[0052]
In Example 2, instead of performing surface cleaning of the semiconductor layer with a 0.1% hydrofluoric acid aqueous solution and pure water, a vapor phase cleaning method using anhydrous hydrogen fluoride gas under the conditions illustrated in Table 3 Then, the surface of the semiconductor layer was cleaned. Note that methanol is added to prevent the generation of particles. In some cases, the surface of the semiconductor layer may be cleaned by a vapor phase cleaning method using hydrogen chloride gas under the conditions exemplified in Table 4.
[0053]
[Table 3]
Anhydrous hydrogen fluoride gas: 300 SCCM
Methanol vapor: 80 SCCM
Nitrogen gas: 1000 SCCM
Pressure: 0.3 Pa
Temperature: 60 ° C
[0054]
[Table 4]
Hydrogen chloride gas / nitrogen gas: 1% by volume
Temperature: 800 ° C
[0055]
By adopting these methods, the surface of the semiconductor layer can be kept free from contamination before the oxide film is formed. As a result, moisture, organic matter, or, for example, Si—OH is contained in the formed oxide film. As a result, it is possible to effectively prevent deterioration of the characteristics of the formed oxide film or generation of a defective portion. Furthermore, by using a cluster tool device, the device installation area can be reduced.
[0056]
As mentioned above, although this invention was demonstrated based on the preferable Example, this invention is not limited to these Examples. The various conditions described in the embodiments and the structure of the oxide film forming apparatus are examples and can be changed as appropriate.
[0057]
In the embodiment, a silicon oxide film is formed exclusively on the surface of a silicon semiconductor substrate. However, based on the method for forming an oxide film of the present invention, a silicon oxide film is formed on an epitaxial silicon layer formed on the substrate. Alternatively, a silicon oxide film can be formed on the surface of a polysilicon layer or an amorphous silicon layer formed on an insulating layer formed on the substrate. Alternatively, a silicon oxide film may be formed on the surface of the silicon layer in the SOI structure, or silicon on the surface of the substrate on which the semiconductor element or the component of the semiconductor element is formed, or the silicon layer formed thereon. An oxide film may be formed. Furthermore, a silicon oxide film may be formed on the surface of a silicon element formed on a substrate on which a semiconductor element or a component of the semiconductor element is formed or a base insulating layer formed on the substrate. Formation of an oxide film including nitriding treatment can be performed not only by a single wafer method but also by a batch method in which a plurality of semiconductor layers are processed simultaneously. Alternatively, two processing chambers 10 may be prepared, an oxide film may be formed on the surface of the semiconductor layer in one processing chamber 10, the surface of the oxide film may be nitrided in the other processing chamber 10, and heat treatment may be performed. .
[0058]
As described above, in forming the oxide film, hydrogen gas and oxygen gas are introduced into the processing chamber 10. At this time, hydrogen gas flows into the processing chamber 10 and flows out of the system. In order to prevent the occurrence of a blast reaction and to prevent the formation of a dry oxide film in the semiconductor layer, for example, in [Step-120] of Example 1, the treatment is performed from the gas introduction unit 17. While introducing an inert gas (for example, nitrogen gas) as a dilution gas having a flow rate of 10 SLM into the chamber 10, for example, hydrogen gas having a flow rate of 0.2 SLM is introduced into the processing chamber 10 from the gas introduction unit 16 </ b> A. What is necessary is just to introduce | transduce oxygen gas of the flow volume of 10 SLM, for example in the process chamber 10 from the gas introduction part 16B. Next, microwave power is supplied to the magnetron 15, and the 2.45 GHz microwave generated by the magnetron 15 is introduced into the plasma generation region 10 </ b> A of the processing chamber 10 through the microwave waveguide 14. By such an operation, the hydrogen gas concentration in the processing chamber 10 before the generation of water vapor becomes a sufficiently low value, and it is possible to reliably prevent the squeal gas reaction from occurring, and to ensure the formation of the dry oxide film. Can be prevented.
[0059]
【The invention's effect】
In the present invention, an oxide film or a gate oxide film can be formed essentially in one oxide film forming apparatus, and only one apparatus for forming an oxide film or a gate oxide film is required. The configuration can be simplified. Further, it becomes possible to easily and reliably generate water vapor in a state where the oxidation rate is suppressed and controlled, and a thin oxide film can be formed by a humidified oxidation method. In addition, since the oxide film is formed by an oxidation method using water vapor, an oxide film having excellent dielectric breakdown (TDDB) characteristics can be obtained. In addition, since only the surface of the oxide film is nitrided, there is no adverse effect on semiconductor element characteristics such as a decrease in current driving capability. Furthermore, since the oxide film is nitrided, for example, the p-type impurity reaches the semiconductor layer through the gate oxide film by various heat treatments in the semiconductor device manufacturing process after forming the gate electrode. It is possible to reliably avoid the phenomenon of fluctuation. In addition, since heat treatment is performed after the nitriding treatment, defects in the oxide film generated by the nitriding treatment can be recovered or removed, and a highly reliable oxide film or gate oxide film can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual diagram of an oxide film forming apparatus suitable for carrying out the method of the present invention.
2 is a schematic partial cross-sectional view of a silicon semiconductor substrate and the like for explaining a method of forming an oxide film of Example 1. FIG.
FIG. 3 is a schematic view of a heat treatment apparatus.
FIG. 4 is a schematic diagram of a cluster tool device.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Processing chamber, 10A ... Plasma generation area, 10B ... Reaction area, 11 ... Stage, 12 ... Heating means, 13 ... Magnet, 14 ... Microwave waveguide, DESCRIPTION OF SYMBOLS 15 ... Magnetron, 16A, 16B, 16C, 17 ... Gas introduction part, 18 ... Gas exhaust part, 20 ... Silicon semiconductor substrate, 21 ... Element isolation region, 22 ... Oxide film (Gate oxide film), 23 ... gate electrode, 24 ... side wall, 25 ... source / drain region, 26 ... insulating layer, 27 ... wiring

Claims (8)

(イ)水素ガス及び酸素ガスに電磁波を照射することによって水蒸気を生成させ、該水蒸気を用いて半導体層の表面を酸化し、以て半導体層の表面に酸化膜を形成する工程と、
(ロ)窒素系ガスに電磁波を照射することによって生成した励起状態の窒素分子、窒素分子イオン、窒素原子若しくは窒素原子イオンにより該酸化膜の表面を窒化する工程と、
(ハ)表面が窒化された酸化膜を熱処理する工程、
から成り、
工程(イ)及び工程(ロ)を同一の処理室内で行うことを特徴とする酸化膜の形成方法。
(A) a step of generating water vapor by irradiating electromagnetic waves to hydrogen gas and oxygen gas, oxidizing the surface of the semiconductor layer using the water vapor, and forming an oxide film on the surface of the semiconductor layer;
(B) nitriding the surface of the oxide film with excited nitrogen molecules, nitrogen molecular ions, nitrogen atoms or nitrogen atom ions generated by irradiating a nitrogen-based gas with electromagnetic waves;
(C) a step of heat-treating the oxide film having a nitrided surface;
Ri consists of,
A method for forming an oxide film, wherein the step (a) and the step (b) are performed in the same processing chamber.
電磁波はマイクロ波であることを特徴とする請求項1に記載の酸化膜の形成方法。  2. The method for forming an oxide film according to claim 1, wherein the electromagnetic wave is a microwave. 工程(イ)、工程(ロ)及び工程(ハ)を同一の処理室内で行うことを特徴とする請求項1に記載の酸化膜の形成方法。  2. The method for forming an oxide film according to claim 1, wherein the step (a), the step (b), and the step (c) are performed in the same processing chamber. 熱処理は700乃至950゜Cの温度で行われることを特徴とする請求項1に記載の酸化膜の形成方法。  The method of forming an oxide film according to claim 1, wherein the heat treatment is performed at a temperature of 700 to 950 ° C. (A)半導体層の表面にゲート酸化膜を形成する工程と、
(B)該ゲート酸化膜上にp形不純物を含むシリコン層から成るゲート電極を形成する工程、
を含むp形半導体素子の製造方法であって、
工程(A)は、
(イ)水素ガス及び酸素ガスに電磁波を照射することによって水蒸気を生成させ、該水蒸気を用いて半導体層の表面を酸化し、以て半導体層の表面に酸化膜を形成する工程と、
(ロ)窒素系ガスに電磁波を照射することによって生成した励起状態の窒素分子、窒素分子イオン、窒素原子若しくは窒素原子イオンにより該酸化膜の表面を窒化し、以てゲート酸化膜を形成する工程と、
(ハ)該ゲート酸化膜を熱処理する工程、
から成り、
工程(イ)及び工程(ロ)を同一の処理室内で行うことを特徴とするp形半導体素子の製造方法。
(A) forming a gate oxide film on the surface of the semiconductor layer;
(B) forming a gate electrode made of a silicon layer containing a p-type impurity on the gate oxide film;
A method of manufacturing a p-type semiconductor device comprising:
Step (A)
(A) a step of generating water vapor by irradiating electromagnetic waves to hydrogen gas and oxygen gas, oxidizing the surface of the semiconductor layer using the water vapor, and forming an oxide film on the surface of the semiconductor layer;
(B) A step of nitriding the surface of the oxide film with excited nitrogen molecules, nitrogen molecular ions, nitrogen atoms or nitrogen atom ions generated by irradiating a nitrogen-based gas with electromagnetic waves, thereby forming a gate oxide film When,
(C) a step of heat-treating the gate oxide film;
Ri consists of,
A method of manufacturing a p-type semiconductor element, wherein the step (a) and the step (b) are performed in the same processing chamber.
電磁波はマイクロ波であることを特徴とする請求項に記載のp形半導体素子の製造方法。The method of manufacturing a p-type semiconductor element according to claim 5 , wherein the electromagnetic wave is a microwave. 工程(イ)、工程(ロ)及び工程(ハ)を同一の処理室内で行うことを特徴とする請求項に記載のp形半導体素子の製造方法。6. The method of manufacturing a p-type semiconductor element according to claim 5 , wherein the step (a), the step (b), and the step (c) are performed in the same processing chamber. 熱処理は700乃至950゜Cの温度で行われることを特徴とする請求項に記載のp形半導体素子の製造方法。The method of manufacturing a p-type semiconductor device according to claim 5 , wherein the heat treatment is performed at a temperature of 700 to 950 ° C.
JP01578199A 1999-01-25 1999-01-25 Method for forming oxide film and method for manufacturing p-type semiconductor element Expired - Fee Related JP4403321B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP01578199A JP4403321B2 (en) 1999-01-25 1999-01-25 Method for forming oxide film and method for manufacturing p-type semiconductor element

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP01578199A JP4403321B2 (en) 1999-01-25 1999-01-25 Method for forming oxide film and method for manufacturing p-type semiconductor element

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2000216154A JP2000216154A (en) 2000-08-04
JP4403321B2 true JP4403321B2 (en) 2010-01-27

Family

ID=11898372

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP01578199A Expired - Fee Related JP4403321B2 (en) 1999-01-25 1999-01-25 Method for forming oxide film and method for manufacturing p-type semiconductor element

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP4403321B2 (en)

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7116829B1 (en) 1996-11-06 2006-10-03 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Image coding and decoding methods, image coding and decoding apparatuses, and recording media for image coding and decoding programs
JP2002222941A (en) * 2001-01-24 2002-08-09 Sony Corp MIS type semiconductor device and method of manufacturing the same
CN100380595C (en) * 2002-06-12 2008-04-09 应用材料公司 Method for improving nitrogen distribution in plasma nitrided gate dielectric layers
TWI235433B (en) * 2002-07-17 2005-07-01 Tokyo Electron Ltd Oxide film forming method, oxide film forming apparatus and electronic device material
JP5336031B2 (en) * 2002-09-30 2013-11-06 ナノシス・インク. Large area nano-capable macroelectronic substrate and its use
JP2007201507A (en) * 2007-05-01 2007-08-09 Tokyo Electron Ltd Substrate processing device and method of the same
JP2013084918A (en) 2011-09-27 2013-05-09 Hitachi Kokusai Electric Inc Substrate processing apparatus, manufacturing method of semiconductor device, and program
KR101316456B1 (en) 2012-05-18 2013-10-08 주식회사 포스코 Apparatus for oxidized layer of magnesium-based metal material
KR101316251B1 (en) 2012-05-18 2013-10-08 주식회사 포스코 Manifacturing for oxidized layer of magnesium-based metal material

Also Published As

Publication number Publication date
JP2000216154A (en) 2000-08-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7759598B2 (en) Substrate treating method and production method for semiconductor device
JP4001498B2 (en) Insulating film forming method and insulating film forming system
US6953727B2 (en) Manufacture method of semiconductor device with gate insulating films of different thickness
JP2000349081A (en) Oxide film formation method
JPWO2008081724A1 (en) Method for forming insulating film and method for manufacturing semiconductor device
JP2000332245A (en) MANUFACTURE OF SEMICONDUCTOR DEVICE AND MANUFACTURE OF p-TYPE SEMICONDUCTOR ELEMENT
JP2000332009A (en) Method of forming insulating film and manufacture of p-type semiconductor element
JP4403321B2 (en) Method for forming oxide film and method for manufacturing p-type semiconductor element
JPH11162970A (en) Method of formation of oxide film
JPH11204517A (en) Forming method of silicon oxide film and silicon oxide film forming equipment
JP3588994B2 (en) Method of forming oxide film and method of manufacturing p-type semiconductor device
JP2000216156A (en) Formation of silicon nitride oxide film and manufacture of p type semiconductor element
JPH11186255A (en) Method of forming silicon oxide film
JP2000332005A (en) Plasma nitriding apparatus, formation of insulating film, and manufacture of p-type semiconductor element
JP3619795B2 (en) Manufacturing method of semiconductor device
JP2001127280A (en) Method for manufacturing semiconductor device and p- channel type semiconductor device
JP3757566B2 (en) Silicon oxide film forming method and oxide film forming apparatus
JPH11186248A (en) Silicon oxide film forming method and equipment
JP2000340670A (en) Insulating film and formation thereof
JP3800788B2 (en) Method for forming silicon oxide film
JP2000068266A (en) Method for forming oxide film
JPH11135492A (en) Method and device for forming silicon oxide film
JPH11297689A (en) Heat treatment of silicon insulating film and manufacture of semiconductor device
JP2000243752A (en) Method of forming silicon nitride oxide film and manufacture for p-type semiconductor element
JP3952542B2 (en) Method for forming silicon oxide film

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20051215

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20080124

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20080129

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20080304

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20091006

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20091019

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121113

Year of fee payment: 3

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121113

Year of fee payment: 3

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees