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JPH06244173A - Formation of silicon oxide film - Google Patents

Formation of silicon oxide film

Info

Publication number
JPH06244173A
JPH06244173A JP8683693A JP8683693A JPH06244173A JP H06244173 A JPH06244173 A JP H06244173A JP 8683693 A JP8683693 A JP 8683693A JP 8683693 A JP8683693 A JP 8683693A JP H06244173 A JPH06244173 A JP H06244173A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
oxide film
silicon oxide
oxidation method
forming
dielectric breakdown
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.)
Pending
Application number
JP8683693A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Atsushi Suzuki
篤 鈴木
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 JP8683693A priority Critical patent/JPH06244173A/en
Priority to KR1019930029509A priority patent/KR100287266B1/en
Publication of JPH06244173A publication Critical patent/JPH06244173A/en
Priority to US08/804,957 priority patent/US5854505A/en
Pending legal-status Critical Current

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  • Formation Of Insulating Films (AREA)

Abstract

PURPOSE:To provide a method forming of a silicon oxide film having an excellent time-zero dielectric breakdown(TZDB) characteristic and time-dependent dielectric breakdown(TDDB) characteristic. CONSTITUTION:In the title method, a silicon oxide film 12 is heat-treated in an inert gas atmosphere containing a halogen element after forming the film 12 on a semiconductor substrate 10 by a wet-oxidizing method. It is desirable to use the pyrogenic oxidizing method as the wet-oxidizing method. In addition, it is also desirable to use chlorine as the halogen element.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は半導体基板上のシリコン
酸化膜(SiO2膜)の形成方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for forming a silicon oxide film (SiO 2 film) on a semiconductor substrate.

【0002】[0002]

【従来の技術】MOS半導体装置の製造においては、酸
化膜から成るゲート酸化膜を半導体基板上に形成する必
要がある。例えばシリコン酸化膜から成る酸化膜の形成
方法として、乾燥酸化法及び加湿酸化法を挙げることが
できる。乾燥酸化法は、加熱されたシリコン基板に十分
乾燥した酸素を供給することによってシリコン基板表面
にシリコン酸化膜を形成する方法である。また、加湿酸
化法は、水蒸気を含む高温のキャリアガスをシリコン基
板に供給することによってシリコン基板表面にシリコン
酸化膜を形成する方法である。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
粋な水素を燃焼させて水分を作る方法である。
2. Description of the Related Art In manufacturing a MOS semiconductor device, it is necessary to form a gate oxide film made of an oxide film on a semiconductor substrate. For example, as a method of forming an oxide film made of a silicon oxide film, a dry oxidation method and a humid oxidation method can be cited. The dry oxidation method is a method of forming a silicon oxide film on the surface of a silicon substrate by supplying sufficiently dried oxygen to a heated silicon substrate. Further, the humidification oxidation method is a method of forming a silicon oxide film on the surface of a silicon substrate by supplying a high temperature carrier gas containing water vapor to the silicon substrate. One of the humidification oxidation methods is a pyrogenic oxidation method. This method is a method of producing water by burning pure hydrogen in order to improve the reproducibility of the humidification oxidation method and eliminate the need to control the amount of water.

【0003】HCl、Cl2、CCl4、C2HCl3、C
2Cl2、C23Cl3等の塩素あるいはその他のハロ
ゲン元素を含有する化合物等を含んだ酸化雰囲気中で乾
燥酸化法によりシリコン酸化膜を形成する場合、以下の
利点が得られることが知られている。尚、このような方
法を、以下、塩酸酸化法と呼ぶ。 (A)シリコン酸化膜中のアルカリ金属不純物の中和あ
るいはゲッタリング (B)積層欠陥の減少 (C)短時間に評価される絶縁破壊の指標であるタイム
ゼロ絶縁破壊(Time-Zero Dielectric Breakdown、TZ
DB)特性の向上 (D)チャネル移動度の向上
HCl, Cl 2 , CCl 4 , C 2 HCl 3 , C
The following advantages can be obtained when the silicon oxide film is formed by the dry oxidation method in an oxidizing atmosphere containing a compound containing chlorine or other halogen element such as H 2 Cl 2 and C 2 H 3 Cl 3. It has been known. In addition, such a method is hereinafter referred to as a hydrochloric acid oxidation method. (A) Neutralization or gettering of alkali metal impurities in the silicon oxide film (B) Reduction of stacking faults (C) Time-Zero Dielectric Breakdown, which is an index of dielectric breakdown evaluated in a short time TZ
DB) Improved characteristics (D) Improved channel mobility

【0004】一方、形成されたシリコン酸化膜を窒素や
アルゴン等の不活性ガス中で、800〜1000゜Cで
30分程度熱処理すると、シリコン酸化膜とシリコン基
板の界面において、以下の点が改善されることが知られ
ている。 (E)固定電荷の低減 (F)界面準位密度の低減
On the other hand, when the formed silicon oxide film is heat treated in an inert gas such as nitrogen or argon at 800 to 1000 ° C. for about 30 minutes, the following points are improved at the interface between the silicon oxide film and the silicon substrate. It is known to be done. (E) Reduction of fixed charge (F) Reduction of interface state density

【0005】シリコン酸化膜の長期信頼性の指標とし
て、経時絶縁破壊(Time Dependent Dielectric Breakd
own、TDDB)特性がある。この経時絶縁破壊は、電
流ストレス又は電圧ストレスを印加した瞬間には破壊し
ないが、ストレス印加後ある時間経過してからシリコン
酸化膜に絶縁破壊が生じる現象である。
As an index of long-term reliability of a silicon oxide film, Time Dependent Dielectric Breakd
own, TDDB) characteristics. This time-dependent dielectric breakdown is a phenomenon in which the dielectric breakdown does not occur at the moment when the current stress or the voltage stress is applied, but the dielectric breakdown occurs in the silicon oxide film after a certain time has elapsed after the stress application.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】加湿酸化法によって形
成されたシリコン酸化膜は、乾燥酸化法によって形成さ
れたシリコン酸化膜よりも経時絶縁破壊(TDDB)特
性が優れている。即ち、加湿酸化法によって形成された
シリコン酸化膜の方が長期信頼性が高いといえる。この
理由は、シリコン酸化膜中の−OHや−SiOHXが経
時絶縁破壊(TDDB)特性の向上に寄与しているため
であると考えられている。
The silicon oxide film formed by the humid oxidation method has a better dielectric breakdown (TDDB) characteristic than the silicon oxide film formed by the dry oxidation method. That is, it can be said that the silicon oxide film formed by the wet oxidation method has higher long-term reliability. The reason for this is considered to be that —OH and —SiOH x in the silicon oxide film contribute to the improvement of the time-dependent dielectric breakdown (TDDB) characteristic.

【0007】乾燥酸化法の一種である塩酸酸化法はタイ
ムゼロ絶縁破壊(TZDB)特性の向上には寄与するも
のの、経時絶縁破壊(TDDB)特性を向上させること
ができないという問題がある。また、塩酸酸化法は、装
置や酸化膜形成条件の管理が難しいという問題もある。
The hydrochloric acid oxidation method, which is one of the dry oxidation methods, contributes to the improvement of the time zero dielectric breakdown (TZDB) characteristic, but has a problem that the time-dependent dielectric breakdown (TDDB) characteristic cannot be improved. Further, the hydrochloric acid oxidation method has a problem that it is difficult to control the apparatus and the conditions for forming an oxide film.

【0008】加湿酸化法によって形成されたシリコン酸
化膜は、上述のとおり経時絶縁破壊(TDDB)特性が
優れている。そして、このようなシリコン酸化膜を窒素
やアルゴン等の不活性ガス中で熱処理した場合、上述の
(E)、(F)といった改善は認められるが、タイムゼ
ロ絶縁破壊(TZDB)特性が塩酸酸化法によって形成
されたシリコン酸化膜よりも低いという問題がある。
The silicon oxide film formed by the humid oxidation method has excellent TDDB characteristics as described above. When such a silicon oxide film is heat-treated in an inert gas such as nitrogen or argon, the above-mentioned improvements (E) and (F) are recognized, but the time zero dielectric breakdown (TZDB) characteristic is hydrochloric acid oxidation. There is a problem that it is lower than the silicon oxide film formed by the method.

【0009】絶縁膜を形成した後、例えば塩素を含有す
る反応性ガス雰囲気下で絶縁膜を加熱処理することを特
徴とする絶縁膜形成方法が、例えば特開平3−2196
32号公報に開示されている。この絶縁膜形成方法にお
いては、絶縁膜は赤外線ランプによる急速加熱によって
形成される。即ち、所謂乾燥酸化法により絶縁膜が形成
される。従って、この絶縁膜形成方法によって得られる
シリコン酸化膜の経時絶縁破壊(TDDB)特性は、加
湿酸化法にて得られるシリコン酸化膜の経時絶縁破壊
(TDDB)特性よりも劣っているという問題がある。
また、この絶縁膜形成方法は、絶縁膜形成中に未結合手
等に起因する膜欠陥を低減することを目的としており、
タイムゼロ絶縁破壊(TZDB)特性や経時絶縁破壊
(TDDB)特性の向上を目的としたものではない。更
に、加熱処理を1000゜C×20秒間の所謂RTA法
にて行い、絶縁膜と基板の界面近傍にSiClXから成
るドーピング層を形成する。
After the insulating film is formed, the insulating film is heat-treated in a reactive gas atmosphere containing chlorine, for example, and an insulating film forming method is disclosed in, for example, JP-A-3-2196.
No. 32 publication. In this insulating film forming method, the insulating film is formed by rapid heating with an infrared lamp. That is, the insulating film is formed by the so-called dry oxidation method. Therefore, there is a problem that the time-dependent dielectric breakdown (TDDB) characteristic of the silicon oxide film obtained by this insulating film forming method is inferior to the time-dependent dielectric breakdown (TDDB) characteristic of the silicon oxide film obtained by the humidification oxidation method. .
In addition, this insulating film forming method aims to reduce film defects caused by dangling bonds during the formation of the insulating film,
It is not intended to improve the time zero dielectric breakdown (TZDB) characteristic or the time-dependent dielectric breakdown (TDDB) characteristic. Further, heat treatment is performed by a so-called RTA method at 1000 ° C. for 20 seconds to form a doping layer made of SiCl x in the vicinity of the interface between the insulating film and the substrate.

【0010】以上のとおり、従来の乾燥酸化法あるいは
加湿酸化法では、タイムゼロ絶縁破壊(TZDB)特性
及び経時絶縁破壊(TDDB)特性の両方の特性を満足
し得るシリコン酸化膜を形成することができない。
As described above, according to the conventional dry oxidation method or humidification oxidation method, it is possible to form a silicon oxide film capable of satisfying both the characteristics of time zero dielectric breakdown (TZDB) and time-dependent dielectric breakdown (TDDB). Can not.

【0011】従って、本発明の目的は、タイムゼロ絶縁
破壊(TZDB)特性及び経時絶縁破壊(TDDB)特
性の優れたシリコン酸化膜の形成方法を提供することに
ある。
Therefore, an object of the present invention is to provide a method of forming a silicon oxide film having excellent time zero dielectric breakdown (TZDB) characteristics and time-dependent dielectric breakdown (TDDB) characteristics.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明のシリコン酸化膜の形成方法は、半導体基板
上に加湿酸化法にてシリコン酸化膜を形成した後、ハロ
ゲン元素を含有する不活性ガス雰囲気中で該シリコン酸
化膜を熱処理することを特徴とする。
The method of forming a silicon oxide film of the present invention for achieving the above object comprises forming a silicon oxide film on a semiconductor substrate by a humidification oxidation method and then containing a halogen element. It is characterized in that the silicon oxide film is heat-treated in an inert gas atmosphere.

【0013】加湿酸化法は、パイロジェニック酸化法と
することが望ましい。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、HCl、CC
4、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。例えば塩酸ガスを用
いる場合、不活性ガス中の塩酸ガス含有率は0.02〜
10容量%であることが望ましい。
The humidification oxidation method is preferably a pyrogenic oxidation method. Further, examples of the halogen element include chlorine, bromine, and fluorine, and among them, chlorine is preferable. The form of the halogen element contained in the inert gas is, for example, HCl, CC
Examples include l 4 , C 2 HCl 3 , Cl 2 , HBr, and NF 3 . The content of the halogen element 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 using hydrochloric acid gas, the content rate of hydrochloric acid gas in the inert gas is 0.02 to
It is preferably 10% by volume.

【0014】また、熱処理は炉アニール処理であること
が望ましい。熱処理の温度は、800〜1200゜C、
好ましくは800〜1000゜C、更に好ましくは80
0〜900゜Cである。また、熱処理の時間は、5〜6
0分、好ましくは10〜40分、更に好ましくは20〜
30分である。不活性ガスとしては、窒素ガス、アルゴ
ンガスを例示することができる。半導体基板とは、シリ
コン基板等の基板そのものだけでなく、基板上にエピタ
キシャル層、多結晶層、あるいは非晶質層が形成された
もの、更には、基板やこれらの層に半導体素子が形成さ
れたもの等、シリコン酸化膜を形成すべき下地を意味す
る。
Further, the heat treatment is preferably a furnace annealing treatment. The temperature of heat treatment is 800 to 1200 ° C,
Preferably 800-1000 ° C, more preferably 80
0 to 900 ° C. The heat treatment time is 5 to 6
0 minutes, preferably 10 to 40 minutes, more preferably 20 to
30 minutes. Examples of the inert gas may include nitrogen gas and argon gas. The semiconductor substrate is not only a substrate itself such as a silicon substrate but also a substrate on which an epitaxial layer, a polycrystalline layer, or an amorphous layer is formed, and further, a substrate or a semiconductor element is formed on these layers. It means an underlayer on which a silicon oxide film is to be formed.

【0015】[0015]

【作用】本発明のシリコン酸化膜の形成方法において
は、シリコン酸化膜は加湿酸化法にて形成されるので、
得られたシリコン酸化膜は経時絶縁破壊(TDDB)特
性に優れる。また、ハロゲン元素を含有する不活性ガス
雰囲気中でシリコン酸化膜を熱処理するので、得られた
シリコン酸化膜はタイムゼロ絶縁破壊(TZDB)特性
に優れている。
In the method of forming a silicon oxide film according to the present invention, the silicon oxide film is formed by the humid oxidation method.
The obtained silicon oxide film has excellent TDDB characteristics over time. Further, since the silicon oxide film is heat-treated in an atmosphere of an inert gas containing a halogen element, the obtained silicon oxide film has excellent time zero breakdown (TZDB) characteristics.

【0016】[0016]

【実施例】以下、実施例に基づき、図1を参照して本発
明のシリコン酸化膜の形成方法を説明する。
EXAMPLES A method of forming a silicon oxide film according to the present invention will be described below with reference to FIGS.

【0017】(実施例1)シリコン基板から成る半導体
基板10の表面に、加湿酸化法の一種である従来のパイ
ロジェニック酸化法によって厚さ11nmのシリコン酸
化膜12を形成した(図1の(A)参照)。パイロジェ
ニック酸化法の条件を、例えば以下のとうりとすること
ができる。 基板温度 : 850゜C 尚、必要に応じて、シリコン酸化膜の形成前に、半導体
基板表面の清浄化(化学薬品や純水を用いた洗浄、還元
ガス雰囲気中での熱処理による自然酸化膜の除去)を行
う。
Example 1 A silicon oxide film 12 having a thickness of 11 nm was formed on the surface of a semiconductor substrate 10 made of a silicon substrate by a conventional pyrogenic oxidation method which is a kind of humidification oxidation method (see (A in FIG. 1). )reference). The conditions of the pyrogenic oxidation method can be, for example, as follows. Substrate temperature: 850 ° C If necessary, before forming the silicon oxide film, clean the surface of the semiconductor substrate (cleaning with chemicals or pure water, heat treatment in a reducing gas atmosphere to remove the natural oxide film). Removal).

【0018】次に、ハロゲン元素を含有する不活性ガス
雰囲気中でシリコン酸化膜を熱処理した(図1の(B)
参照)。具体的には、塩酸ガスを0.07容量%含有す
る窒素ガス雰囲気中で、850゜C×30分間の熱処理
条件にてシリコン酸化膜を熱処理した。熱処理にはファ
ーネス装置を用いた。これによって、シリコン酸化膜の
表面近傍にハロゲン元素を多く含む層が形成されると推
定される。
Next, the silicon oxide film was heat-treated in an inert gas atmosphere containing a halogen element ((B) of FIG. 1).
reference). Specifically, the silicon oxide film was heat-treated under a heat treatment condition of 850 ° C. × 30 minutes in a nitrogen gas atmosphere containing 0.07% by volume of hydrochloric acid gas. A furnace was used for the heat treatment. As a result, it is estimated that a layer containing a large amount of halogen element is formed near the surface of the silicon oxide film.

【0019】その後、公知のCVD技術、フォトリソグ
ラフィ技術及びドライエッチング技術を用いて、シリコ
ン酸化膜12の上にリンドープト・ポリシリコンから成
るゲート電極14を形成した(図1の(C)参照)。こ
うして、所謂MOSキャパシタを形成した。
After that, the gate electrode 14 made of phosphorus-doped polysilicon was formed on the silicon oxide film 12 by using the known CVD technique, photolithography technique and dry etching technique (see FIG. 1C). Thus, a so-called MOS capacitor was formed.

【0020】(比較例1)比較例1は、ハロゲン元素を
含有しない不活性ガス雰囲気中でシリコン酸化膜を熱処
理した点が実施例1と異なる。即ち、比較例1において
は、シリコン基板から成る半導体基板の表面に、加湿酸
化法の一種である従来のパイロジェニック酸化法によっ
て厚さ11nmのシリコン酸化膜を形成し、その後、窒
素ガス雰囲気中でシリコン酸化膜を熱処理した。パイロ
ジェニック酸化の条件及び熱処理条件は実施例1と同様
とした。
Comparative Example 1 Comparative Example 1 is different from Example 1 in that the silicon oxide film was heat-treated in an inert gas atmosphere containing no halogen element. That is, in Comparative Example 1, a silicon oxide film having a thickness of 11 nm was formed on the surface of a semiconductor substrate made of a silicon substrate by a conventional pyrogenic oxidation method which is a kind of humidification oxidation method, and then in a nitrogen gas atmosphere. The silicon oxide film was heat-treated. Pyrogenic oxidation conditions and heat treatment conditions were the same as in Example 1.

【0021】(比較例2)比較例2は、乾燥酸化法の一
種である塩酸酸化法でシリコン酸化膜を形成した点、及
びハロゲン元素を含有しない不活性ガス雰囲気中でシリ
コン酸化膜を熱処理した点が実施例1と異なる。即ち、
比較例2においては、シリコン基板から成る半導体基板
の表面に、乾燥酸化法の一種である従来の塩酸酸化法に
よって厚さ11nmのシリコン酸化膜を形成し、その
後、窒素ガス雰囲気中でシリコン酸化膜を熱処理した。
熱処理条件は実施例1と同様とした。塩酸酸化の条件
は、乾燥酸素に3.3%HClを添加し、酸化温度を8
50゜Cとした。
Comparative Example 2 In Comparative Example 2, a silicon oxide film was formed by a hydrochloric acid oxidation method, which is a kind of dry oxidation method, and the silicon oxide film was heat-treated in an inert gas atmosphere containing no halogen element. The point is different from Example 1. That is,
In Comparative Example 2, a silicon oxide film having a thickness of 11 nm was formed on the surface of a semiconductor substrate made of a silicon substrate by a conventional hydrochloric acid oxidation method which is a kind of dry oxidation method, and then the silicon oxide film was formed in a nitrogen gas atmosphere. Was heat treated.
The heat treatment conditions were the same as in Example 1. The condition of hydrochloric acid oxidation is to add 3.3% HCl to dry oxygen and set the oxidation temperature to 8
It was set to 50 ° C.

【0022】実施例1、比較例1及び比較例2により形
成したMOSキャパシタのタイムゼロ絶縁破壊(TZD
B)特性を図2に、経時絶縁破壊(TDDB)特性を図
4に示す。
Time zero dielectric breakdown (TZD) of the MOS capacitors formed in Example 1, Comparative Example 1 and Comparative Example 2
B) characteristics are shown in FIG. 2, and time-dependent dielectric breakdown (TDDB) characteristics are shown in FIG.

【0023】タイムゼロ絶縁破壊(TZDB)特性を以
下の方法で評価した。1枚の半導体基板10に131個
のMOSキャパシタを作製した。また、シリコン酸化膜
12の上に形成したゲート電極の面積を5mm2とし
た。評価には2枚の半導体基板を使用した。図3に模式
的に図示する回路を作り、ゲート電極に印加する電圧V
を増加させ、回路を流れる電流Iを測定した。電流Iが
判定電流IJ(=0.1μA)となったときの電圧VJ
測定し、VJを印加電界に換算する。印加電界が8MV
/cmを越えるMOSキャパシタの個数を数え(即ち、
所謂Cモード合格品の数を数え)、百分率に換算した値
を図2に示す。
The time zero breakdown (TZDB) characteristics were evaluated by the following method. 131 MOS capacitors were manufactured on one semiconductor substrate 10. The area of the gate electrode formed on the silicon oxide film 12 was set to 5 mm 2 . Two semiconductor substrates were used for evaluation. The voltage V applied to the gate electrode is created by making the circuit schematically shown in FIG.
Was increased and the current I flowing through the circuit was measured. The voltage V J when the current I becomes the judgment current I J (= 0.1 μA) is measured, and V J is converted into an applied electric field. Applied electric field is 8 MV
Count the number of MOS capacitors exceeding / cm (that is,
The so-called C-mode acceptable products are counted), and the values converted into percentages are shown in FIG.

【0024】図2から明らかなように、実施例1及び比
較例2においては、全てのMOSキャパシタがCモード
合格品であったが、比較例1におけるMOSキャパシタ
のCモード合格品は約90%であった。
As is clear from FIG. 2, in Example 1 and Comparative Example 2, all the MOS capacitors were C-mode acceptable products, but about 90% of the MOS capacitors in Comparative Example 1 were C-mode acceptable products. Met.

【0025】経時絶縁破壊(TDDB)特性を以下の方
法で評価した。1枚の半導体基板10に60個のMOS
キャパシタを作製した。また、シリコン酸化膜12の上
に形成したゲート電極の面積を0.1mm2とした。評
価には2枚の半導体基板を使用した。図5に模式的に図
示する回路を作り、ゲート電極に定電流(J=0.2A
/cm2)ストレスを印加する定電流ストレス法により
所謂クーロンブレイクダウン(QBD)を測定した。ここ
で、QBDは、J(A/cm2)と、絶縁破壊に至るまで
の時間tBDの積で表される。累積不良率50%における
BDの値を図4の(A)に示す。また、累積不良率Pと
BDの関係のワイブル確率分布表示を図4の(B)に示
す。
The time-dependent dielectric breakdown (TDDB) characteristics were evaluated by the following method. 60 MOSs on one semiconductor substrate 10
A capacitor was produced. The area of the gate electrode formed on the silicon oxide film 12 was 0.1 mm 2 . Two semiconductor substrates were used for evaluation. A circuit schematically shown in FIG. 5 was made, and a constant current (J = 0.2 A) was applied to the gate electrode.
/ Cm 2 ) The so-called Coulomb breakdown (Q BD ) was measured by a constant current stress method applying a stress. Here, Q BD is represented by the product of J (A / cm 2 ) and the time t BD until dielectric breakdown. The value of Q BD at a cumulative defective rate of 50% is shown in FIG. Further, FIG. 4B shows a Weibull probability distribution display of the relationship between the cumulative defective rate P and Q BD .

【0026】図4から明らかなように、実施例1により
形成されたシリコン絶縁膜の経時絶縁破壊(TDDB)
特性は、比較例1及び比較例2により形成されたシリコ
ン絶縁膜の経時絶縁破壊(TDDB)特性よりも優れて
いる。
As is apparent from FIG. 4, the time-dependent dielectric breakdown (TDDB) of the silicon insulating film formed in Example 1
The characteristics are superior to the time-dependent dielectric breakdown (TDDB) characteristics of the silicon insulating films formed in Comparative Example 1 and Comparative Example 2.

【0027】(実施例2)実施例2においては、前記ハ
ロゲン元素が塩素であり、しかも塩素は塩酸の形態であ
る場合、不活性ガス中に含有される塩酸の濃度とQBD
関係を調べた。
Example 2 In Example 2, when the halogen element was chlorine and chlorine was in the form of hydrochloric acid, the relationship between the concentration of hydrochloric acid contained in the inert gas and Q BD was examined. It was

【0028】シリコン基板から成る半導体基板の表面
に、実施例1と同様の条件で、加湿酸化法の一種である
従来のパイロジェニック酸化法によって厚さ10nmの
シリコン酸化膜を形成した。次に、含有される塩酸ガス
の濃度を種々変えた窒素ガス雰囲気中で、850゜C×
30分間の熱処理条件にてシリコン酸化膜を熱処理し
た。熱処理にはファーネス装置を用いた。その後、実施
例1と同様に、かかる半導体基板にMOSキャパシタを
形成した。
A silicon oxide film having a thickness of 10 nm was formed on the surface of a semiconductor substrate made of a silicon substrate under the same conditions as in Example 1 by a conventional pyrogenic oxidation method, which is a kind of wet oxidation method. Next, in a nitrogen gas atmosphere in which the concentration of contained hydrochloric acid gas was variously changed, 850 ° C x
The silicon oxide film was heat-treated under the heat treatment condition of 30 minutes. A furnace was used for the heat treatment. Then, as in Example 1, a MOS capacitor was formed on the semiconductor substrate.

【0029】こうして作製されたMOSキャパシタのQ
BDを、実施例1と同様の方法で測定した。累積不良率5
0%におけるQBDの値と、不活性ガス中に含まれる塩酸
ガス濃度(容量%)の関係を、図6に示す。尚、図6
中、黒丸は、塩酸ガス濃度0容量%、即ち、窒素ガスの
みの雰囲気中で850゜C×30分間の熱処理条件にて
シリコン酸化膜を熱処理した点を除き、実施例2と同様
の方法で作製されたMOSキャパシタの試験結果(QBD
=31C/cm2)である。
Q of the MOS capacitor thus manufactured
BD was measured by the same method as in Example 1. Cumulative defective rate 5
FIG. 6 shows the relationship between the value of Q BD at 0% and the concentration of hydrochloric acid gas (volume%) contained in the inert gas. Incidentally, FIG.
In the figure, the black circles are the same as in Example 2 except that the silicon oxide film was heat-treated under a heat treatment condition of 850 ° C. × 30 minutes in an atmosphere containing only hydrochloric acid gas concentration of 0% by volume, that is, nitrogen gas. Test result of fabricated MOS capacitor (Q BD
= 31 C / cm 2 ).

【0030】図6から明らかなように、窒素ガスに含有
される塩酸ガスの濃度が0.02〜10容量%のとき、
塩酸ガス濃度が0容量%の場合と比較して、QBDは1〜
2C/cm2程度増加する。ここで、1C/cm2という
BDの値は、不揮発性メモリーの書き込み・消去回数に
換算すると、実に106回分に相当する。尚、不揮発性
メモリーの1回の書き込み・消去に必要な単位面積当た
りの電荷を1.0×10-6C/cm2として計算した。
以上のように、窒素ガスに含有される塩酸ガスの濃度が
0.02〜10容量%のとき、経時絶縁破壊(TDD
B)は、飛躍的に向上することが判る。
As is apparent from FIG. 6, when the concentration of hydrochloric acid gas contained in nitrogen gas is 0.02 to 10% by volume,
Compared with the case where the hydrochloric acid gas concentration is 0% by volume, Q BD is 1 to
Increase by about 2 C / cm 2 . Here, the value of Q BD of 1 C / cm 2 corresponds to 10 6 times when converted into the number of times of writing and erasing of the nonvolatile memory. The charge per unit area required for one-time writing / erasing of the nonvolatile memory was calculated as 1.0 × 10 −6 C / cm 2 .
As described above, when the concentration of the hydrochloric acid gas contained in the nitrogen gas is 0.02 to 10% by volume, the time-dependent dielectric breakdown (TDD)
It can be seen that B) is dramatically improved.

【0031】(実施例3)実施例3においては、熱処理
の温度とQBDの関係を調べた。
Example 3 In Example 3, the relationship between the heat treatment temperature and Q BD was investigated.

【0032】シリコン基板から成る半導体基板の表面
に、実施例1と同様の条件で、加湿酸化法の一種である
従来のパイロジェニック酸化法によって厚さ10nmの
シリコン酸化膜を形成した。次に、0.1容量%の塩酸
ガスを含有する窒素ガス雰囲気中で、熱処理の温度を7
50゜Cから950゜Cまで種々変え、処理時間を30
分一定とした熱処理条件にて、シリコン酸化膜を熱処理
した。熱処理にはファーネス装置を用いた。その後、実
施例1と同様に、かかる半導体基板にMOSキャパシタ
を形成した。
A silicon oxide film having a thickness of 10 nm was formed on the surface of a semiconductor substrate made of a silicon substrate under the same conditions as in Example 1 by a conventional pyrogenic oxidation method, which is a kind of humidification oxidation method. Next, in a nitrogen gas atmosphere containing 0.1% by volume of hydrochloric acid gas, the heat treatment temperature is set to 7
The processing time can be changed from 50 ° C to 950 ° C.
The silicon oxide film was heat-treated under the heat-treatment conditions that kept the temperature constant. A furnace was used for the heat treatment. Then, as in Example 1, a MOS capacitor was formed on the semiconductor substrate.

【0033】こうして作製されたMOSキャパシタのQ
BDを、実施例1と同様の方法で測定した。熱処理温度が
800゜Cから900゜Cの範囲にあるとき、累積不良
率50%におけるQBDの値は最大となった。また、この
BDの値は、塩酸ガス濃度0容量%、即ち、窒素ガスの
みの雰囲気中で同じ処理温度にて30分間の熱処理を行
った点を除き実施例3と同様の方法で作製されたMOS
キャパシタの累積不良率50%におけるQBDの値より
も、約1C/cm2以上高い値であった。
Q of the MOS capacitor thus manufactured
BD was measured by the same method as in Example 1. When the heat treatment temperature was in the range of 800 ° C to 900 ° C, the value of Q BD at the cumulative defective rate of 50% became the maximum. The value of Q BD was prepared in the same manner as in Example 3 except that the hydrochloric acid gas concentration was 0% by volume, that is, the heat treatment was performed for 30 minutes at the same treatment temperature in an atmosphere of only nitrogen gas. MOS
The value was about 1 C / cm 2 or more higher than the value of Q BD when the cumulative defective rate of the capacitor was 50%.

【0034】熱処理温度が900゜Cを越えると、シリ
コン酸化膜は粘性流動を起こし、局所的に薄膜化し、Q
BDが低下する傾向にある。また、熱処理温度が800゜
C未満では、パイロジェニック酸化法にて形成されたシ
リコン酸化膜中に電子トラップが多数含まれ、かかるシ
リコン酸化膜が形成された半導体基板からMOS半導体
装置を作製した場合、リーク電流等の特性が劣化する。
従って、熱処理温度を800乃至900゜Cで行うこと
が最も望ましい。
When the heat treatment temperature exceeds 900 ° C., the silicon oxide film causes viscous flow to locally thin the film, and Q
BD tends to decrease. Further, when the heat treatment temperature is lower than 800 ° C., a large number of electron traps are included in the silicon oxide film formed by the pyrogenic oxidation method, and a MOS semiconductor device is manufactured from the semiconductor substrate on which the silicon oxide film is formed. Characteristics such as leakage current deteriorate.
Therefore, it is most desirable to perform the heat treatment at 800 to 900 ° C.

【0035】以上、本発明を好適な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。加湿酸化法として、酸素、窒素、アルゴン等のキ
ャリアガスに水蒸気を混ぜあるいは乾燥酸素を水バブラ
に通す従来の加湿酸化法を採用することができる。ま
た、パイロジェニック酸化法の条件や熱処理の条件、シ
リコン酸化膜の厚さ、不活性ガスの種類、ハロゲン元素
の種類や形態は例示であり、適宜変更することができ
る。
Although the present invention has been described based on the preferred embodiments, the present invention is not limited to these embodiments. As the wet oxidation method, a conventional wet oxidation method in which water vapor is mixed with a carrier gas such as oxygen, nitrogen, or argon or dry oxygen is passed through a water bubbler can be adopted. Further, the conditions of the pyrogenic oxidation method and the heat treatment, the thickness of the silicon oxide film, the type of the inert gas, the type and the form of the halogen element are examples, and can be appropriately changed.

【0036】シリコン酸化膜は、単層から構成されてい
ても、複数層から構成されていてもよい。シリコン酸化
膜が複数層から構成されている場合、いずれかの層が本
発明のシリコン酸化膜の形成方法によって形成されてい
ればよい。また、残りの層は、塩酸酸化法を含む乾燥酸
化法、加圧酸化法、分圧酸化法、希釈酸化法、低温酸化
法、RTP(急速熱処理)による酸化法などの従来の酸
化法から形成することができる。
The silicon oxide film may be composed of a single layer or plural layers. When the silicon oxide film is composed of a plurality of layers, any of the layers may be formed by the method for forming a silicon oxide film of the present invention. The remaining layers are formed by conventional oxidation methods such as a dry oxidation method including a hydrochloric acid oxidation method, a pressure oxidation method, a partial pressure oxidation method, a dilution oxidation method, a low temperature oxidation method, and an oxidation method by RTP (rapid thermal processing). can do.

【0037】[0037]

【発明の効果】本発明のシリコン酸化膜の形成方法によ
って形成されるシリコン酸化膜は、従来の加湿酸化法あ
るいは乾燥酸化法の一種である塩酸酸化法と比較して、
優れたタイムゼロ絶縁破壊(TZDB)特性及び経時絶
縁破壊(TDDB)特性を有している。また、シリコン
酸化膜の形成を従来の加湿酸化法にて行えばよく、酸化
条件の管理を塩酸酸化法よりも容易に行うことができ
る。
The silicon oxide film formed by the method for forming a silicon oxide film according to the present invention has a greater effect than the conventional wet oxidation method or dry oxidation method, that is, the hydrochloric acid oxidation method.
It has excellent time-zero dielectric breakdown (TZDB) characteristics and time-dependent dielectric breakdown (TDDB) characteristics. Further, the formation of the silicon oxide film may be carried out by the conventional wet oxidation method, and the management of the oxidation conditions can be performed more easily than the hydrochloric acid oxidation method.

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

【図1】本発明のシリコン酸化膜の形成方法を説明する
ための、半導体基板等の模式的な一部断面図である。
FIG. 1 is a schematic partial cross-sectional view of a semiconductor substrate or the like for explaining a method for forming a silicon oxide film of the present invention.

【図2】実施例及び各比較例の方法で形成されたシリコ
ン酸化膜のタイムゼロ絶縁破壊(TZDB)特性の評価
結果を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing evaluation results of time zero dielectric breakdown (TZDB) characteristics of silicon oxide films formed by the methods of Examples and Comparative Examples.

【図3】タイムゼロ絶縁破壊(TZDB)特性の評価の
ために使用した回路の模式図である。
FIG. 3 is a schematic diagram of a circuit used for evaluation of Time Zero Breakdown (TZDB) characteristics.

【図4】実施例及び各比較例の方法で形成されたシリコ
ン酸化膜の経時絶縁破壊(TDDB)特性の評価結果を
示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing evaluation results of time-dependent dielectric breakdown (TDDB) characteristics of silicon oxide films formed by the methods of Examples and Comparative Examples.

【図5】経時絶縁破壊(TDDB)特性の評価のために
使用した回路の模式図である。
FIG. 5 is a schematic diagram of a circuit used for evaluation of time-dependent dielectric breakdown (TDDB) characteristics.

【図6】QBDの値と不活性ガス中に含まれた塩酸ガス濃
度の関係を示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the value of Q BD and the concentration of hydrochloric acid gas contained in an inert gas.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 半導体基板 12 シリコン酸化膜 14 ゲート電極 10 semiconductor substrate 12 silicon oxide film 14 gate electrode

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】半導体基板上に加湿酸化法にてシリコン酸
化膜を形成した後、ハロゲン元素を含有する不活性ガス
雰囲気中で該シリコン酸化膜を熱処理することを特徴と
するシリコン酸化膜の形成方法。
1. A method for forming a silicon oxide film, comprising forming a silicon oxide film on a semiconductor substrate by a wet oxidation method, and then heat-treating the silicon oxide film in an atmosphere of an inert gas containing a halogen element. Method.
【請求項2】前記加湿酸化法はパイロジェニック酸化法
であることを特徴とする請求項1に記載のシリコン酸化
膜の形成方法。
2. The method for forming a silicon oxide film according to claim 1, wherein the humidification oxidation method is a pyrogenic oxidation method.
【請求項3】前記ハロゲン元素は塩素であることを特徴
とする請求項1又は請求項2に記載のシリコン酸化膜の
形成方法。
3. The method for forming a silicon oxide film according to claim 1, wherein the halogen element is chlorine.
【請求項4】前記熱処理は炉アニール処理であることを
特徴とする請求項1、請求項2又は請求項3に記載のシ
リコン酸化膜の形成方法。
4. The method for forming a silicon oxide film according to claim 1, wherein the heat treatment is a furnace annealing treatment.
【請求項5】前記塩素は塩酸の形態であり、不活性ガス
中に含有される塩酸の濃度は0.02乃至10容量%で
あることを特徴とする請求項3又は請求項4に記載のシ
リコン酸化膜の形成方法。
5. The chlorine according to claim 3 or 4, wherein the chlorine is in the form of hydrochloric acid, and the concentration of hydrochloric acid contained in the inert gas is 0.02 to 10% by volume. Method of forming silicon oxide film.
【請求項6】前記熱処理は800乃至900゜Cの温度
で行われることを特徴とする請求項1乃至請求項5のい
ずれか1項に記載のシリコン酸化膜の形成方法。
6. The method for forming a silicon oxide film according to claim 1, wherein the heat treatment is performed at a temperature of 800 to 900 ° C.
JP8683693A 1992-12-25 1993-03-23 Formation of silicon oxide film Pending JPH06244173A (en)

Priority Applications (3)

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JP8683693A JPH06244173A (en) 1992-12-25 1993-03-23 Formation of silicon oxide film
KR1019930029509A KR100287266B1 (en) 1992-12-25 1993-12-24 Silicon oxide film formation method and gate oxide film of MOS transistor
US08/804,957 US5854505A (en) 1992-12-25 1997-02-24 Process for forming silicon oxide film and gate oxide film for MOS transistors

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP4-357895 1992-12-25
JP35789592 1992-12-25
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20230096133A (en) * 2019-11-20 2023-06-29 업사이드 푸즈 인코포레이티드 Apparatuses and Systems for Preparing a Meat Product

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