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JPH11145131A - Manufacture of semiconductor device, semiconductor manufacturing apparatus, and semiconductor device - Google Patents

Manufacture of semiconductor device, semiconductor manufacturing apparatus, and semiconductor device

Info

Publication number
JPH11145131A
JPH11145131A JP10068916A JP6891698A JPH11145131A JP H11145131 A JPH11145131 A JP H11145131A JP 10068916 A JP10068916 A JP 10068916A JP 6891698 A JP6891698 A JP 6891698A JP H11145131 A JPH11145131 A JP H11145131A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
oxide film
semiconductor
oxygen
oxidation
manufacturing
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
JP10068916A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Makoto Nagamine
真 長嶺
Hitoshi Ito
仁 伊藤
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.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba 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 Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
Priority to JP10068916A priority Critical patent/JPH11145131A/en
Publication of JPH11145131A publication Critical patent/JPH11145131A/en
Pending legal-status Critical Current

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  • Formation Of Insulating Films (AREA)
  • Semiconductor Memories (AREA)
  • Non-Volatile Memory (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To form a silicon oxide film having a high breakdown endurability at a low temperature, by supplying to a silicon layer an oxidizing source gas composed mainly of oxygen atom radicals whose excited state is in a singlet state, and oxidizing the surface of the silicon layer. SOLUTION: A trench formed in the surface of a p-type silicon substrate 101 is buried by filling its inside with a silicon oxide film 102, and an element isolating region is formed. On the surface, n-type impurity diffused layers of high impurity concentrations as a source region 105 and a drain region 106 are formed. Besides, a floating gate electrode 1041 composed of a polysilicon film containing arsenic is formed interposing a tunnel oxide film 1031 , and on it a control electrode 1042 is formed interposing an intergate-electrode insulating film 1032 . It becomes possible to form a tunnel oxide film at a low temperature, by exposing a silicon substrate to an atmosphere (550 deg.C or higher) where the concentration of active species having high oxidizing forces and optimum for oxidation is made higher selectively, in a tunnel-oxide-film forming process.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置及びその
製造方法、特にシリコン酸化膜の形成方法に特徴がある
半導体製造装置及び半導体の製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device and a method of manufacturing the same, and more particularly to a semiconductor manufacturing apparatus and a semiconductor manufacturing method characterized by a method of forming a silicon oxide film.

【0002】[0002]

【従来の技術】低コスト、高信頼性かつ高速書き込み特
性を特徴とするNAND型EEPROMが、磁気メモリ
の代替品として注目されている。NAND型EEPRO
Mにおいては、電荷を蓄積するための電極(フローティ
ングゲート電極)と、フローティングゲート電極に電荷
を出し入れするための電界を形成するための電極(コン
トロールゲート電極)の2つの電極を有している。
2. Description of the Related Art NAND-type EEPROMs, which are characterized by low cost, high reliability, and high-speed writing characteristics, have attracted attention as an alternative to magnetic memories. NAND type EEPRO
M has two electrodes, an electrode for storing electric charges (floating gate electrode) and an electrode for forming an electric field for putting electric charges in and out of the floating gate electrode (control gate electrode).

【0003】この種の半導体メモリにおいては、コント
ロールゲート電極に高い電圧を印加して、基板からゲー
ト酸化膜を介してフローティングゲート電極に電子を出
し入れすることで、電気的な書き込みおよび消去を行な
っている。
In this type of semiconductor memory, a high voltage is applied to a control gate electrode, and electrons are transferred into and out of a floating gate electrode through a gate oxide film from a substrate, thereby performing electrical writing and erasing. I have.

【0004】基板とフローティングゲート電極の間の電
子の出し入れは、Fowler-Nordheimトンネル機構を利用
して行われるため、基板とフローティングゲート電極の
間のゲート酸化膜はトンネル酸化膜と呼ばれている。
[0004] Since the inflow and outflow of electrons between the substrate and the floating gate electrode are performed using the Fowler-Nordheim tunnel mechanism, the gate oxide film between the substrate and the floating gate electrode is called a tunnel oxide film.

【0005】トンネル酸化膜において重要なことは、絶
縁破壊に至るまでの通過電子総量(Qbd)を、通常の
MOSトランジスタのそれよりも大きくしなければなら
ないことである。その理由はトンネル酸化膜に高電界を
印加して電子を出し入れしてメモリを使用するため、Q
bdが小さいと信頼性が低下したり、寿命が短くなるか
らである。それと同時に、トンネル酸化膜に高電界を印
加することで低電界でのリーク電流が増加してしまう、
いわゆる、ストレス誘起リーク電流を低減しなくてはな
らない。
What is important in the tunnel oxide film is that the total amount of electrons (Qbd) that pass until the dielectric breakdown occurs must be larger than that of a normal MOS transistor. The reason is that a high electric field is applied to the tunnel oxide film to take in and out electrons to use the memory.
This is because if bd is small, the reliability is reduced and the life is shortened. At the same time, applying a high electric field to the tunnel oxide film increases the leakage current at a low electric field.
The so-called stress-induced leakage current must be reduced.

【0006】従来より用いられてきた代表的なトンネル
酸化膜の形成方法としては、乾燥酸素雰囲気中にシリコ
ン基板を晒して加熱する、熱酸化法がある。熱酸化法に
よって形成される熱酸化膜の膜質は、酸化膜形成温度
(酸化温度)、非酸化性ガス雰囲気での熱処理(アニー
ル)温度、アニール時間、昇降温速度のような酸化プロ
セス条件によって変化することが知られており、それら
プロセス条件の工夫によって酸化膜の絶縁破壊耐性を向
上させる試みが続けられている。しかし、将来必要とさ
れる絶縁破壊耐性を満たす熱酸化膜は得られていない。
As a typical method of forming a tunnel oxide film, which has been conventionally used, there is a thermal oxidation method in which a silicon substrate is exposed to a dry oxygen atmosphere and heated. The quality of the thermal oxide film formed by the thermal oxidation method varies depending on the oxidation process conditions such as the oxide film formation temperature (oxidation temperature), heat treatment (annealing) temperature in a non-oxidizing gas atmosphere, annealing time, and temperature rise / fall rate. Therefore, attempts to improve the dielectric breakdown resistance of the oxide film by devising the process conditions have been continued. However, a thermal oxide film satisfying the dielectric breakdown resistance required in the future has not been obtained.

【0007】一方、半導体装置の製造コスト削減および
半導体製造装置の簡略化の観点から、酸化温度の低温化
が求められている。従来の熱酸化法では、必要な酸化速
度を得るため、基板温度を高温(例えば1000℃)ま
で高速で昇降温する方法が開発されている。しかし、そ
のような高温に耐える装置はコストが高く、また昇降温
が高速なために基板にかかる熱ストレスが大きいという
問題がある。
On the other hand, from the viewpoint of reducing the manufacturing cost of the semiconductor device and simplifying the semiconductor manufacturing device, it is required to lower the oxidation temperature. In the conventional thermal oxidation method, a method of rapidly raising and lowering the substrate temperature to a high temperature (for example, 1000 ° C.) has been developed in order to obtain a required oxidation rate. However, there is a problem that an apparatus that can withstand such a high temperature has a high cost, and a high temperature rise / fall speed causes a large thermal stress on the substrate.

【0008】以上に述べた、トンネル酸化膜の絶縁破壊
耐性向上および酸化温度の低温化という要求を満たす酸
化膜の形成方法の候補としては、酸素ラジカルやオゾン
といった酸素活性種雰囲気による酸化方法がある。
As a candidate for the method of forming an oxide film which satisfies the requirements of improving the dielectric breakdown resistance of the tunnel oxide film and lowering the oxidation temperature as described above, there is an oxidation method in an atmosphere of an oxygen active species such as oxygen radicals and ozone. .

【0009】酸素ラジカルによる酸化方法は、これま
で、酸化温度の低温化の観点から開発が進められてき
た。例えば、木村、蕨迫、応用物理第56巻64〜69
ページ(1987年)によると、580℃の酸素ラジカ
ル雰囲気中の酸化により、熱酸化膜と同等の絶縁耐圧を
有する酸化膜が得られている。
The oxidation method using oxygen radicals has been developed so far from the viewpoint of lowering the oxidation temperature. For example, Kimura, Warabisako, Applied Physics Vol. 56, 64-69
According to page (1987), an oxide film having a dielectric strength equivalent to that of a thermal oxide film is obtained by oxidation in an oxygen radical atmosphere at 580 ° C.

【0010】また、充分な酸化膜形成速度と、熱酸化膜
と同等の特性のシリコン基板−酸化膜界面とを低温で得
るため、酸素ラジカル雰囲気でシリコン基板表面に薄膜
の酸化膜を形成し、その上に化学的気相堆積(CVD)
法によって酸化膜を形成する方法が、G. Lucovsky、 Y.
Ma、T. Yasuda、C. Silvestre、J. R. Hauser、 Jpn. J.App
l. Phys.第31巻4387〜4395ヘ゜ーシ゛(1992年)に報告されて
いる。
Further, in order to obtain a sufficient oxide film formation rate and a low temperature interface between the silicon substrate and the oxide film having the same characteristics as the thermal oxide film, a thin oxide film is formed on the silicon substrate surface in an oxygen radical atmosphere. Chemical vapor deposition (CVD) on it
G. Lucovsky, Y.
Ma, T. Yasuda, C. Silvestre, JR Hauser, Jpn. J. App
l. Phys. Vol. 31, pp. 4387-4395 (1992).

【0011】しかしながら、熱酸化膜を上回る絶縁破壊
耐性の酸素ラジカル酸化膜はいまだ報告されていない。
この原因としては、これまで酸化に用いられてきた酸素
ラジカル雰囲気が、様々な励起状態の活性種の混合物で
あったことが考えられる。
However, an oxygen radical oxide film having a higher dielectric breakdown resistance than a thermal oxide film has not yet been reported.
It is considered that this is because the oxygen radical atmosphere that has been used for oxidation is a mixture of active species in various excited states.

【0012】酸素ラジカル発生手段としては、これま
で、減圧酸素ガス雰囲気でのマイクロ波放電、平行平板
プラズマ放電、電子サイクロトロン共鳴プラズマ放電な
どが用いられてきた。これら放電の代替手段として、酸
化性ガスに励起光を照射する方法も、提案されている。
As the oxygen radical generating means, a microwave discharge, a parallel plate plasma discharge, an electron cyclotron resonance plasma discharge and the like in a reduced-pressure oxygen gas atmosphere have been used. As an alternative to these discharges, a method of irradiating an oxidizing gas with excitation light has been proposed.

【0013】しかしながら、これらいずれの方法も、酸
化工程に最適な活性種が選択的に形成されるわけではな
く、種々の活性種(例えば、様々な電子励起状態の酸素
原子・酸素分子、酸素原子の正・負イオン、酸素分子の
正・負イオン)が雰囲気中に同時に形成される。
However, in any of these methods, active species optimal for the oxidation step are not selectively formed, but various active species (for example, oxygen atoms / oxygen molecules in various electronically excited states, oxygen atoms) Positive and negative ions and positive and negative ions of oxygen molecules) are simultaneously formed in the atmosphere.

【0014】酸化工程に不適切な活性種は、例えば酸化
に最適な活性種と反応したり、酸化膜表面に吸着する。
このような不適切な活性種による反応や吸着は、酸化に
最適な活性種の酸化膜への供給の阻害、酸化膜の絶縁破
壊耐性の劣化、酸化速度の低下などの原因となる。
Active species unsuitable for the oxidation step react with, for example, active species optimal for oxidation or adsorb on the oxide film surface.
Such an inappropriate reaction or adsorption by the active species causes inhibition of supply of the active species optimal for oxidation to the oxide film, deterioration of the dielectric breakdown resistance of the oxide film, reduction of the oxidation rate, and the like.

【0015】オゾンによる酸化方法については、酸化温
度の低温化とともに、酸化膜の絶縁破壊耐性の向上も報
告されている(例えば、高崎、第42回半導体専門講習
会予稿集(1995年))。
As for the method of oxidizing with ozone, it has been reported that as the oxidation temperature is lowered, the dielectric breakdown resistance of the oxide film is improved (for example, Takasaki, Proceedings of the 42nd Seminar on Semiconductor Specialization (1995)).

【0016】オゾン酸化による絶縁耐性向上の原因とし
ては、オゾン分子が酸化膜の酸化雰囲気側表面に到達す
ると、活性な酸素ラジカルが酸化膜内に供給され、この
活性な酸素ラジカルが酸化膜内で電荷捕獲(トラップサ
イト)の原因となる格子欠陥などと反応し、これにより
電荷捕獲がSiO網目構造に取り込まれ解消するから
だと考えられている。
As a cause of the improvement in insulation resistance due to ozone oxidation, when ozone molecules reach the surface of the oxide film on the oxidizing atmosphere side, active oxygen radicals are supplied into the oxide film, and the active oxygen radicals are generated in the oxide film. It is considered that this reacts with a lattice defect or the like that causes charge trapping (trap sites), whereby the charge trapping is taken into the SiO 2 network structure and eliminated.

【0017】しかしながら、オゾン分子が酸化膜表面で
酸化膜に供給する、酸化膜表面の微視的な構造の相違に
よって、様々な電子励起状態の酸素原子あるいは酸素イ
オンになると思われる。
However, it is considered that various kinds of oxygen atoms or oxygen ions in an electronically excited state are generated due to a difference in the microscopic structure of the oxide film surface where the ozone molecules supply the oxide film on the oxide film surface.

【0018】従来のオゾン酸化では、酸化に最適な活性
種と最適でない活性種とが共に基板表面に供給されてお
り、上記の酸素ラジカル酸化と同様の理由により好まし
くない。
In conventional ozone oxidation, active species that are optimal for oxidation and non-optimal active species are both supplied to the substrate surface, which is not preferable for the same reason as the above-described oxygen radical oxidation.

【0019】低コスト、高信頼性及び高速動作特性を有
する半導体装置を実現するためには、半導体装置を構成
する絶縁層及び配線層の信頼性を向上させるとともに、
絶縁層、配線層及び半導体相互間の界面における平坦性
を向上させることが必要不可欠である。
In order to realize a semiconductor device having low cost, high reliability, and high-speed operation characteristics, it is necessary to improve the reliability of an insulating layer and a wiring layer constituting the semiconductor device,
It is essential to improve the flatness at the interface between the insulating layer, the wiring layer, and the semiconductor.

【0020】素子分離や静電容量の大きいキャパシタの
形成のため、例えば反応性イオンエッチング(RIE)
法を用いて選択的に半導体基板表面に穴や溝を形成する
と、この穴や溝の側壁や底面をはじめとする基板表面
は、イオンやプラズマなどのエッチング種によって損傷
を受けてRIEダメージが生じる。従来は、この基板表
面に対して約50nm以上の膜厚の酸化膜が形成される
まで乾燥酸素雰囲気中で熱酸化を行った後、この熱酸化
膜を剥離することにより基板表面のRIEダメージ層の
除去を行い、その後形成されるゲート酸化膜や埋め込み
絶縁層の信頼性向上を図ってきた。
For element isolation and formation of a capacitor having a large capacitance, for example, reactive ion etching (RIE)
When a hole or a groove is selectively formed in the surface of a semiconductor substrate by using the method, the substrate surface including the side wall and the bottom surface of the hole and the groove is damaged by etching species such as ions and plasma, and RIE damage occurs. . Conventionally, after performing thermal oxidation in a dry oxygen atmosphere until an oxide film having a thickness of about 50 nm or more is formed on the substrate surface, the thermal oxide film is peeled off to thereby form an RIE damage layer on the substrate surface. To improve the reliability of the gate oxide film and the buried insulating layer formed thereafter.

【0021】しかし、このダメージ層除去のための基板
の酸化(バッファ酸化)に熱酸化を用いると、基板−熱
酸化膜界面は充分には平坦化されないので、熱酸化膜剥
離後の基板表面に大きなラフネスが残る。このようなラ
フネスが残った基板表面を酸化して極薄ゲート酸化膜を
形成したり、或いは大きな表面ラフネスが残る穴や溝に
絶縁層を埋め込んで素子分離やトレンチキャパシタを形
成した場合、基板と絶縁層との界面ラフネスによって絶
縁破壊が生じやすくなり、またゲート酸化膜ではドレイ
ン電流応答速度の低下を招く。また、RIEダメージ層
の深さは10nm程度或いはそれ以下にすぎないのに、
穴や溝の側壁に対して50nm以上のバッファ酸化を行
うことは、素子面積の無用な増加を招き、半導体素子の
微細化の妨げとなる。
However, if thermal oxidation is used to oxidize (buffer oxidize) the substrate for removing the damaged layer, the interface between the substrate and the thermal oxide film is not sufficiently flattened. Large roughness remains. When oxidizing the substrate surface where such roughness remains to form an ultra-thin gate oxide film, or embedding an insulating layer in a hole or groove where large surface roughness remains to form an element isolation or trench capacitor, Insulation breakdown easily occurs due to the interface roughness with the insulating layer, and the drain current response speed of the gate oxide film is reduced. Also, although the depth of the RIE damage layer is only about 10 nm or less,
Performing buffer oxidation of 50 nm or more on the side wall of the hole or groove causes an unnecessary increase in the element area, which hinders miniaturization of the semiconductor element.

【0022】また、半導体とその上方の配線層との電気
的接続を取る工程では、従来、これらの間の絶縁層に選
択的に穴(コンタクトホール)を開けてこの穴の底面に
半導体を露出させ、この露出面を平坦化処理することな
くシリサイド化工程或いは穴への配線の埋め込み工程を
行ってきた。
In the step of establishing electrical connection between a semiconductor and a wiring layer thereabove, conventionally, a hole (contact hole) is selectively formed in an insulating layer therebetween, and the semiconductor is exposed at the bottom of the hole. Then, a silicidation step or a step of embedding a wiring in a hole has been performed without flattening the exposed surface.

【0023】しかし、穴底の半導体露出面のラフネスが
大きければ、シリサイド層或いは埋め込み配線層の均一
成長が妨げられ、配線層と半導体との電気的接続不良や
配線層の信頼性低下の原因となる。また、半導体表面に
不純物注入層が形成されている場合、電荷がこの不純物
注入層を突き抜けて流れる現象も誘発される。従来のバ
ッファ熱酸化は酸化温度として1000℃程度が必要で
あり、コンタクトホール周辺に熱変形が生じるため、コ
ンタクトホール底面のバッファ酸化は困難であった。
However, if the roughness of the exposed surface of the semiconductor at the bottom of the hole is large, uniform growth of the silicide layer or the buried wiring layer is hindered, resulting in poor electrical connection between the wiring layer and the semiconductor and reduction in the reliability of the wiring layer. Become. Further, when an impurity injection layer is formed on the surface of the semiconductor, a phenomenon that charges flow through the impurity injection layer is also induced. Conventional buffer thermal oxidation requires an oxidation temperature of about 1000 ° C., and thermal deformation occurs around the contact hole, so that buffer oxidation at the bottom of the contact hole is difficult.

【0024】一方、基板表面の原子レベルでの超平坦化
方法としては、超高真空雰囲気中において自然酸化膜付
き基板を約1000℃以上で加熱する方法(フラッシン
グ、例えば、M. Niwa、 T. Kouzaki、 K. Okada、 M. U
dagawa、 and R. Sinclair、Japanese Journal of Appl
ied Physics誌第33巻388ページ(1994年))
や、分子線エピタキシャル成長法(例えば、A. Ourmaz
d、 D. W. Taylor、 J.A. Rentschler、 and J. Bevk、
Physical Review Letter 誌第59巻213ページ(1
987年))が報告されている。しかし、これらの方法
は処理温度や処理時間或いは装置コストの点で現実的で
なく、また装置内壁の金属によって絶縁層の金属汚染を
招き絶縁破壊の原因となる。
On the other hand, as a method of ultra-planarizing the substrate surface at the atomic level, a method of heating a substrate with a natural oxide film at about 1000 ° C. or more in an ultra-high vacuum atmosphere (flushing, for example, M. Niwa, T., et al. Kouzaki, K. Okada, M.U
dagawa, and R. Sinclair, Japanese Journal of Appl
ied Physics, Vol. 33, p. 388 (1994))
And molecular beam epitaxy (for example, A. Ourmaz
d, DW Taylor, JA Rentschler, and J. Bevk,
Physical Review Letter, Vol. 59, 213 pages (1
987)). However, these methods are not practical in terms of processing temperature, processing time, or equipment cost, and cause metal contamination of the insulating layer due to metal on the inner wall of the equipment, which causes dielectric breakdown.

【0025】[0025]

【発明が解決しようとする課題】上述のように、酸素ラ
ジカルやオゾンを用いた従来の酸化膜の形成方法は、酸
化に最適な活性種用いていないために、酸化に最適な活
性種を用いる場合に対して酸化膜の絶縁破壊耐性が低下
し、酸化膜形成速度も低下する。
As described above, the conventional method for forming an oxide film using oxygen radicals or ozone uses an active species that is optimal for oxidation because an active species that is optimal for oxidation is not used. In this case, the dielectric breakdown resistance of the oxide film is reduced, and the speed of forming the oxide film is also reduced.

【0026】以上述べたように、半導体基板のバッファ
酸化に乾燥酸素雰囲気による熱酸化を用いた場合は、バ
ッファ酸化膜剥離後の基板表面の平坦性が不十分なため
に、基板表面に形成されるゲート酸化膜や埋め込み絶縁
層の信頼性が低下する。また、コンタクトホール底面の
半導体基板の露出面は平坦化処理されていないため、配
線層の信頼性が低下する。このように、従来は半導体表
面が十分に平坦化されていないことに起因して、半導体
装置の信頼性や特性が劣化する。
As described above, when thermal oxidation in a dry oxygen atmosphere is used for buffer oxidation of a semiconductor substrate, the semiconductor substrate is not formed on the substrate surface due to insufficient flatness after the buffer oxide film is removed. Reliability of the gate oxide film and the buried insulating layer is reduced. Further, the exposed surface of the semiconductor substrate on the bottom surface of the contact hole is not planarized, so that the reliability of the wiring layer is reduced. As described above, conventionally, the reliability and characteristics of the semiconductor device are deteriorated due to the fact that the semiconductor surface is not sufficiently flattened.

【0027】本発明の目的は、高絶縁破壊耐性のシリコ
ン酸化膜を形成できる半導体装置の製造方法及び半導体
製造装置を提供することにある。
An object of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor device and a semiconductor manufacturing apparatus capable of forming a silicon oxide film having high dielectric breakdown resistance.

【0028】本発明の他の目的は、半導体の表面を平坦
化することにより、半導体と半導体表面に形成される絶
縁層や導電層との界面を平坦化し、半導体装置の信頼性
や特性を向上させることが可能な半導体装置の製造方法
及び半導体製造装置を提供することである。
Another object of the present invention is to improve the reliability and characteristics of a semiconductor device by flattening the surface of a semiconductor, thereby flattening the interface between the semiconductor and an insulating layer or a conductive layer formed on the semiconductor surface. It is an object of the present invention to provide a semiconductor device manufacturing method and a semiconductor manufacturing apparatus which can be made to operate.

【0029】[0029]

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の課題を
解決するために次のような手段を講じた。
According to the present invention, the following means have been taken in order to solve the above-mentioned problems.

【0030】上記目的を達成するために、本発明の第1
局面に係る半導体装置の製造方法は、励起状態が一重項
状態の酸素原子ラジカルを主成分とする酸化源ガスをシ
リコン層に供給し、その表面を酸化してシリコン酸化膜
を形成する。
In order to achieve the above object, the first aspect of the present invention is described.
In a method for manufacturing a semiconductor device according to an aspect, an oxidizing gas mainly containing oxygen atom radicals in a singlet excited state is supplied to a silicon layer, and the surface thereof is oxidized to form a silicon oxide film.

【0031】本発明において、シリコン層は基板上に形
成されたもの以外に、シリコン基板も意味している。
In the present invention, the silicon layer means a silicon substrate other than the one formed on the substrate.

【0032】本発明者らによる研究の結果、励起した一
重項状態の酸素原子ラジカル(O(D))は、基底状
態である三重項状態の酸素原子ラジカル(O(P))
よりも絶縁破壊耐性に優れていることが明らかになっ
た。さらに、酸素ガスやオゾンガスに特定の波長の光を
照射すると、O(P)よりもO(D)を選択的に多
く生成できることも明らかになった。
As a result of the study by the present inventors, the excited singlet state oxygen atom radical (O ( 1 D)) is converted into the ground state triplet state oxygen atom radical (O ( 3 P)).
It is clear that the dielectric breakdown resistance is better than that. Further, it has been revealed that when oxygen gas or ozone gas is irradiated with light having a specific wavelength, O ( 1 D) can be selectively generated more than O ( 3 P).

【0033】ここで、一重項状態の酸素原子ラジカルを
主成分とする酸化源ガスを生成するには、以下の方法を
用いると良い。
Here, the following method may be used to generate an oxidizing source gas containing a singlet state oxygen atom radical as a main component.

【0034】(1)酸素源ガスに波長175nm以下の
光を照射して、前記一重項状態の酸素原子ラジカルを生
成する。
(1) The oxygen source gas is irradiated with light having a wavelength of 175 nm or less to generate the oxygen atom radical in the singlet state.

【0035】(2)酸素原子を有する分子を含むガスの
プラズマ雰囲気に波長175nm以下の光を照射して、
前記一重項状態の酸素原子ラジカルを生成する。
(2) Irradiating a plasma atmosphere of a gas containing molecules having oxygen atoms with light having a wavelength of 175 nm or less,
The oxygen atom radical in the singlet state is generated.

【0036】(3)前記プラズマ雰囲気は、プラズマ発
生領域と酸化領域とに分かれている。
(3) The plasma atmosphere is divided into a plasma generation region and an oxidation region.

【0037】(4)酸素原子を有する分子を含むガス雰
囲気に、前記一重項状態の酸素原子ラジカルの生成効率
が三重項状態の酸素原子ラジカルのそれよりも高くなる
波長の光を照射して、前記一重項状態の酸素原子ラジカ
ルを生成する。
(4) Irradiating the gas atmosphere containing molecules having oxygen atoms with light having a wavelength at which the generation efficiency of the singlet state oxygen atom radicals is higher than that of the triplet state oxygen atom radicals, The oxygen atom radical in the singlet state is generated.

【0038】(5)前記一重項状態の酸素原子ラジカル
を含む酸化源ガスは、前記一重項状態の酸素原子ラジカ
ルを三重項状態の酸素原子ラジカルに失活させる反応の
速度定数が温度298Kにおいて4×1011cm3 mo
-1-1未満となるガス分子を含む。
(5) The oxidizing source gas containing the singlet state oxygen atom radical has a rate constant of a reaction of deactivating the singlet state oxygen atom radical into a triplet state oxygen atom radical at a temperature of 298 K. × 10 11 cm 3 mo
Including gas molecules that are less than l -1 s -1 .

【0039】(6)一酸化二窒素ガスを含む雰囲気に波
長341nm以下の光を照射して、前記一重項状態の酸
素原子ラジカルを生成する。
(6) The atmosphere containing dinitrogen monoxide gas is irradiated with light having a wavelength of 341 nm or less to generate the oxygen atom radical in the singlet state.

【0040】(7)前記酸化源ガス中の酸素分子の分圧
を10Torr以下、酸化温度を550℃以下の条件で
前記酸化を行なう。
(7) The oxidation is performed under the conditions that the partial pressure of oxygen molecules in the oxidation source gas is 10 Torr or less and the oxidation temperature is 550 ° C. or less.

【0041】本発明の第1局面によれば、酸化ガス源と
して、一重項状態の酸素ラジカルを主成分とするものを
シリコン層に供給しているので、酸化が効率よく進行
し、従来より低温でのシリコン酸化膜の形成が可能とな
るとともに、シリコン酸化膜中の格子欠陥などのトラッ
プサイトが解消されて緻密な膜質となり、シリコン層と
シリコン酸化膜との界面が平坦化され、シリコン酸化膜
の電気的信頼性を向上することができる。
According to the first aspect of the present invention, since an oxidizing gas source containing a singlet-state oxygen radical as a main component is supplied to the silicon layer, the oxidation proceeds efficiently and the oxidizing gas proceeds at a lower temperature than the conventional one. In addition to the formation of a silicon oxide film at the same time, trap sites such as lattice defects in the silicon oxide film are eliminated, resulting in dense film quality, the interface between the silicon layer and the silicon oxide film is flattened, and the silicon oxide film is formed. Can improve the electrical reliability.

【0042】図32では、従来技術である酸素ラジカル
酸化(O)びオゾン酸化(O)による酸化膜成長速
度が、乾燥酸素酸化速度と比較されている。従来の酸素
ラジカル酸化およびオゾン酸化雰囲気に含まれている活
性種の酸化力の高さは、これらの雰囲気での酸化膜成長
速度が、同じ圧力および温度での乾燥酸素酸化による熱
酸化より高いことに示されている。
In FIG. 32, the growth rate of the oxide film by the conventional oxygen radical oxidation (O * ) and ozone oxidation (O 3 ) is compared with the dry oxygen oxidation rate. The high oxidizing power of the active species contained in conventional oxygen radical oxidation and ozone oxidation atmospheres means that the oxide film growth rate in these atmospheres is higher than thermal oxidation by dry oxygen oxidation at the same pressure and temperature. Is shown in

【0043】これら酸化力の高い活性種を含む、従来の
酸素活性種雰囲気(O、O)によって形成された酸
化膜では、熱酸化膜に比べると電子トラップ生成が抑制
されることが、定電流注入における電子トラップ形成に
よるゲート電圧シフトΔVが小さいこと(図33)に
反映されており、またその結果として酸化膜の絶縁破壊
耐性が向上することが、絶縁破壊に至るまでにゲート絶
縁膜を通過した電子の総量Qbdが大きいこと(図3
4)に反映されている。
In an oxide film formed by a conventional oxygen active species atmosphere (O * , O 3 ) containing these active species having a high oxidizing power, generation of electron traps is suppressed as compared with a thermal oxide film. The fact that the gate voltage shift ΔV g due to the formation of an electron trap in the injection of a constant current is small (FIG. 33) is reflected in the improvement in the dielectric breakdown resistance of the oxide film. The total amount of electrons Qbd passing through the film is large (see FIG. 3).
This is reflected in 4).

【0044】図35に、各酸化方法(酸化種)によりシ
リコン基板上に形成したシリコン酸化膜の基板側界面に
おける電子移動度を示す。従来の酸素活性種雰囲気(O
、O)によって形成されたシリコン酸化膜での電子
移動度が熱酸化膜のそれよりも高いのは、酸素活性種に
よって、シリコン基板とシリコン酸化膜の界面が熱酸化
膜より平坦化されたためと考えられる。
FIG. 35 shows the electron mobility at the substrate side interface of the silicon oxide film formed on the silicon substrate by each oxidation method (oxidation species). Conventional oxygen activated species atmosphere (O
* , O 3 ) The electron mobility in the silicon oxide film formed by O 3 is higher than that in the thermal oxide film because the oxygen active species flattens the interface between the silicon substrate and the silicon oxide film. It is considered that

【0045】また、熱酸化膜に対して絶縁破壊特性の改
善が見られたOシリコン酸化膜およびOシリコン酸
化膜の密度を測定したところ、それぞれ2.10g/c
3より大きい値であった。これらのシリコン酸化膜の
密度の向上は膜質の緻密化を反映したものと考えられ
る。
Further, the densities of the O * silicon oxide film and the O 3 silicon oxide film in which the dielectric breakdown characteristics were improved with respect to the thermal oxide film were measured.
The value was larger than m 3 . It is considered that the improvement in the density of the silicon oxide film reflects the densification of the film quality.

【0046】一方、活性種濃度の低い雰囲気で形成した
シリコン酸化膜の密度を測定したところ、密度が熱酸化
膜と同等の2.10g/cm3 以下で、かつ絶縁破壊特
性が熱酸化膜より改善されたという結果が得られた。
On the other hand, when the density of a silicon oxide film formed in an atmosphere having a low concentration of active species was measured, the density was 2.10 g / cm 3 or less, which is equivalent to that of a thermal oxide film, and the dielectric breakdown characteristic was lower than that of the thermal oxide film. The result was improved.

【0047】この場合、密度は、酸化膜が主として熱酸
化によって形成されたことを反映しており、電気特性の
改善は、酸素活性種によって酸化膜中のトラップサイト
の一部が改善されたことによると推察される。
In this case, the density reflects that the oxide film was formed mainly by thermal oxidation, and the electrical characteristics were improved by the fact that some of the trap sites in the oxide film were improved by the oxygen active species. It is inferred that

【0048】以上述べたように、従来技術である酸素ラ
ジカル酸化およびオゾン酸化を用いると、基板に供給さ
れる主な酸化種である酸素原子ラジカルO(P)の作
用によって、乾燥酸素酸化に対する酸化速度の向上、酸
化膜の電気特性向上、基板−酸化膜界面の平坦化、およ
び酸化膜質の緻密化の効果が見られる。
As described above, when the oxygen radical oxidation and the ozone oxidation, which are the conventional techniques, are used, the action of the oxygen atom radical O ( 3 P), which is the main oxidizing species supplied to the substrate, causes the dry oxygen oxidation. The effects of improving the oxidation rate, improving the electrical characteristics of the oxide film, flattening the interface between the substrate and the oxide film, and densifying the oxide film quality can be seen.

【0049】したがって、O(P)の励起状態であ
り、O(P)より酸化に好ましい活性種であるO(
D)を酸化に用いることにより、従来技術である酸素ラ
ジカル酸化およびオゾン酸化に対してさらなる酸化速度
の向上、酸化膜の電気特性向上、基板−酸化膜界面の平
坦化、および酸化膜質の緻密化が達成される。
[0049] Thus, an excited state of O (3 P), O ( 1 a O (3 P) Preferred active species oxidation than
By using D) for oxidation, the oxidation rate is further improved with respect to oxygen radical oxidation and ozone oxidation, which are conventional techniques, the electrical characteristics of the oxide film are improved, the interface between the substrate and the oxide film is flattened, and the quality of the oxide film is densified. Is achieved.

【0050】図37には、酸化種の違いによるシリコン
基板とシリコン酸化膜との界面の平坦性の違いが示され
ている。酸素ラジカルO(P)を多量に含む雰囲気で
の従来の酸化に比べ、酸化に最適なラジカルO(D)
が主な活性種である雰囲気による本発明の酸化では、原
子レベルで平坦な基板−酸化膜界面が実現された。
FIG. 37 shows the difference in flatness of the interface between the silicon substrate and the silicon oxide film due to the difference in the oxidizing species. Radical O ( 1 D), which is optimal for oxidation, compared to conventional oxidation in an atmosphere containing a large amount of oxygen radical O ( 3 P)
In the oxidation of the present invention in an atmosphere in which is mainly active species, an atomically flat substrate-oxide film interface was realized.

【0051】図35(a)には、O(D)を主な活性
種とする雰囲気による酸化方法(本発明)の効果が示さ
れている。
FIG. 35 (a) shows the effect of the oxidation method (the present invention) in an atmosphere in which O ( 1 D) is the main active species.

【0052】O(D)は価電子のスピンが↑↓なの
で、基板−酸化膜界面で容易にSi−Si結合に入り込
み、酸化がシリコン基板の1原子層ずつ(layer-by-lay
er)進行し、下地シリコン基板と原子レベルで混合がな
く平坦な界面が形成されるとともに、酸化膜内のSiO
網目構造が強固となり、緻密な膜質となる。
Since O ( 1 D) has a valence electron spin of ↑ ↓, it easily enters the Si—Si bond at the interface between the substrate and the oxide film, and oxidation proceeds one layer at a time on the silicon substrate (layer-by-lay).
er) proceeding, forming a flat interface without mixing at the atomic level with the underlying silicon substrate, and forming SiO in the oxide film.
The two- mesh structure becomes strong, and a dense film quality is obtained.

【0053】これに対し、従来方法では、図35(b)
に示すように、雰囲気中に含まれている不適切な酸化種
O(P)が基板−酸化膜界面のSi−Si結合に入り
込めないので、界面の平坦性が悪化するとともに、酸化
膜中に未結合の価電子を持つSi原子やO原子が取り残
され、酸化膜の絶縁破壊が起こり易くなる。
On the other hand, in the conventional method, FIG.
As shown in ( 1 ), since the inappropriate oxidizing species O (3P) contained in the atmosphere cannot enter the Si-Si bond at the interface between the substrate and the oxide film, the flatness of the interface is deteriorated, and the oxide film is deteriorated. Si atoms and O atoms having unbonded valence electrons are left inside, and dielectric breakdown of the oxide film easily occurs.

【0054】また、最適な活性種は酸化膜の形成速度が
速いので、最適な活性種の濃度を高めることにより、従
来よりも低温での酸化膜の形成も可能となる。
Since the optimum active species has a high oxide film formation rate, it is possible to form an oxide film at a lower temperature than before by increasing the concentration of the optimum active species.

【0055】本発明の第1局面によれば、酸化ガス源と
して、一重項状態の酸素ラジカルを主成分とするものを
シリコン層に供給することにより、高絶縁破壊耐性のシ
リコン酸化膜を低温で形成できるようになる。
According to the first aspect of the present invention, a silicon oxide film having a high dielectric breakdown resistance can be formed at a low temperature by supplying an oxygen gas source mainly containing singlet oxygen radicals to the silicon layer. Can be formed.

【0056】本発明の第2局面に係る半導体装置の製造
方法は、酸素活性種を含む雰囲気で半導体の表面を酸化
して酸化膜を形成する工程と、前記酸化膜を除去して前
記半導体の表面を露出させる工程とを備えた。ここで、
膜厚は6.4nmを越えることが好ましい。
A method of manufacturing a semiconductor device according to a second aspect of the present invention includes the steps of: oxidizing a surface of a semiconductor in an atmosphere containing oxygen active species to form an oxide film; and removing the oxide film to form the semiconductor film. Exposing the surface. here,
Preferably, the film thickness exceeds 6.4 nm.

【0057】酸素活性種(酸素ラジカルに対応)として
は、正イオン(O、O )のラジカル、負イオン
(O、O )のラジカル、中性の原子又は分子
(O、O)のラジカル等があげられる。また、酸素活
性種を生成するための原料ガスとしては、Oガスの
他、O(オゾン)ガス、さらに酸素を含む化合物のガ
ス等を用いることができる。
The oxygen active species (corresponding to oxygen radicals) include positive ion (O + , O 2 + ) radicals, negative ion (O , O 2 ) radicals, neutral atoms or molecules (O, O 2 ). O 2 ) radicals and the like. As a source gas for generating oxygen active species, O 3 (ozone) gas, a gas of a compound containing oxygen, or the like can be used in addition to O 2 gas.

【0058】半導体としては、半導体基板そのものの
他、半導体基板上に絶縁膜等を介して形成された半導体
膜等を用いることができる。また、半導体の材料として
は、代表的にはシリコンをあげることができるが、他の
半導体材料を用いることも可能である。
As the semiconductor, besides the semiconductor substrate itself, a semiconductor film or the like formed on the semiconductor substrate via an insulating film or the like can be used. As a semiconductor material, silicon can be typically given, but other semiconductor materials can also be used.

【0059】前記のように、酸素活性種を含む雰囲気で
半導体の表面を酸化(以下、酸素ラジカル酸化という)
して酸化膜(以下、バッファ酸化膜という)を形成する
ことにより、半導体とバッファ酸化膜との界面を極めて
平坦化することができ、バッファ酸化膜を除去した後の
半導体の表面も平坦化される。したがって、バッファ酸
化膜を除去した後に露出した半導体の表面に所望の膜を
形成した場合、両者の界面も極めて平坦化され、信頼性
や電気的特性等に優れた半導体装置を作製することがで
きる。
As described above, the surface of the semiconductor is oxidized in an atmosphere containing oxygen active species (hereinafter referred to as oxygen radical oxidation).
By forming an oxide film (hereinafter, referred to as a buffer oxide film), the interface between the semiconductor and the buffer oxide film can be extremely flattened, and the surface of the semiconductor after the removal of the buffer oxide film is also flattened. You. Therefore, when a desired film is formed on the surface of the semiconductor exposed after removing the buffer oxide film, the interface between the two is also extremely flattened, and a semiconductor device having excellent reliability, electrical characteristics, and the like can be manufactured. .

【0060】酸素ラジカル酸化によって形成されたバッ
ファ酸化膜を除去して半導体の表面を露出させた後、こ
の露出した半導体の表面に所望の膜を形成する工程とし
ては、以下のものをあげることができる。
After the buffer oxide film formed by the oxygen radical oxidation is removed to expose the surface of the semiconductor, a process for forming a desired film on the exposed surface of the semiconductor includes the following. it can.

【0061】(1)前記露出した半導体の表面を酸化ま
たは窒化して絶縁膜を形成する工程を更に具備する。代
表的には、半導体基板の表面に酸素ラジカル酸化による
バッファ酸化膜を形成した後これを除去し、その後平坦
化された半導体基板表面にゲート酸化膜を形成する工程
があげられる。ゲート酸化膜形成前の半導体の表面が平
坦化されているため、極めて平坦な半導体/ゲート酸化
膜界面が得られる。特に極薄のゲート酸化膜では、酸化
前の半導体表面のラフネスが半導体/ゲート酸化膜界面
の平坦性に大きく反映されるが、本発明を適用すること
により極めて平坦な半導体/ゲート酸化膜界面が得られ
る。
(1) The method further comprises the step of oxidizing or nitriding the exposed surface of the semiconductor to form an insulating film. A typical example is a step of forming a buffer oxide film by oxygen radical oxidation on the surface of a semiconductor substrate, removing the buffer oxide film, and then forming a gate oxide film on the planarized semiconductor substrate surface. Since the surface of the semiconductor before the gate oxide film is formed is flattened, an extremely flat semiconductor / gate oxide film interface is obtained. In particular, in the case of an extremely thin gate oxide film, the roughness of the semiconductor surface before oxidation is largely reflected on the flatness of the semiconductor / gate oxide film interface. However, by applying the present invention, an extremely flat semiconductor / gate oxide film interface can be obtained. can get.

【0062】ここで、本発明を用いて平坦化された半導
体層表面は、窒化される下地としても有効である。特に
極薄のゲート窒化膜では、ゲート酸化膜と同様に、酸化
前の半導体表面のラフネスがゲート窒化膜/半導体界面
の平坦性に大きく反映される。本発明を用いて酸化前の
半導体表面を平坦化し、この表面を窒化することによ
り、極めて平坦なゲート酸化膜/半導体界面が形成さ
れ、窒化膜の電気特性が改善される。
Here, the surface of the semiconductor layer planarized using the present invention is also effective as a base to be nitrided. Particularly in the case of an extremely thin gate nitride film, the roughness of the semiconductor surface before oxidation is greatly reflected on the flatness of the gate nitride film / semiconductor interface, similarly to the gate oxide film. By planarizing the surface of the semiconductor before oxidation and nitriding the surface by using the present invention, an extremely flat gate oxide film / semiconductor interface is formed, and the electrical characteristics of the nitride film are improved.

【0063】半導体層の窒化用ガスには、例えば・アン
モニア(NH)、三フッ化窒素(NF)、一酸化一
窒素(NO)、一酸化二窒素(NO)、二酸化一窒素
(NO)、窒素(N)を用いる。これらのガスは、
このまま用いてもよいし、必要に応じて、アルゴンなど
の不活性ガスで希釈したり、複数の原料ガスを組み合わ
せてもよい。これらのガスをそのまま、加熱された基板
近傍雰囲気に導入してもよいし、プラズマ放電や光照射
や金属・金属酸化物触媒などによって窒素活性種を形成
し、基坂表面の窒化に用いてもよい。
The nitriding gas for the semiconductor layer includes, for example, ammonia (NH 3 ), nitrogen trifluoride (NF 3 ), nitric oxide (NO), nitrous oxide (NO 2 ), nitrous oxide (NO 2 ) N 2 O) and nitrogen (N 2 ) are used. These gases are
It may be used as it is, or may be diluted with an inert gas such as argon or a combination of a plurality of source gases as needed. These gases may be directly introduced into the atmosphere near the heated substrate, or may be used to form nitrogen active species by plasma discharge, light irradiation, metal / metal oxide catalyst, etc., and to be used for nitriding the base surface. Good.

【0064】(2)前記露出した半導体の表面に絶縁膜
を堆積する工程を更に具備する。代表的には、半導体基
板に素子分離を形成するための溝をRIE等で形成した
後、酸素ラジカル酸化によるバッファ酸化膜の形成及び
その除去を行い、その後に内面が平坦化された溝に素子
分離絶縁膜を埋め込む工程があげられる。RIE等によ
って溝の内面には凹凸が形成されるが、酸素ラジカル酸
化によるバッファ酸化膜の形成及びその除去により溝内
面は極めて平坦化される。したがって、溝の内面に凹凸
が形成されている場合に比べて素子分離絶縁膜の絶縁破
壊耐性を向上させることができる。
(2) The method further comprises a step of depositing an insulating film on the exposed surface of the semiconductor. Typically, after a groove for forming element isolation is formed in a semiconductor substrate by RIE or the like, a buffer oxide film is formed and removed by oxygen radical oxidation, and then an element is formed in a groove whose inner surface is planarized. A step of embedding an isolation insulating film is given. Irregularities are formed on the inner surface of the groove by RIE or the like, but the inner surface of the groove is extremely flattened by forming and removing a buffer oxide film by oxygen radical oxidation. Therefore, the dielectric breakdown resistance of the element isolation insulating film can be improved as compared with the case where the unevenness is formed on the inner surface of the groove.

【0065】(3)前記露出した半導体の表面に導電膜
を堆積する工程を更に具備する。代表的には、ソース・
ドレイン領域(不純物拡散層)へのコンタクトホールを
形成した後、酸素ラジカル酸化によるバッファ酸化膜の
形成及びその除去を行ってコンタクトホール底部の半導
体表面を平坦化し、その後コンタクトホールに配線層と
なる金属膜等を堆積する工程があげられる。コンタクト
ホール底面が平坦化されているため、配線層が均一に堆
積され、配線層と半導体基板との接触抵抗が低減される
とともに、電荷の不純物拡散層への突き抜けが防止さ
れ、不純物拡散層を浅くすることが可能となる。
(3) The method further comprises a step of depositing a conductive film on the exposed surface of the semiconductor. Typically, the source
After forming a contact hole to the drain region (impurity diffusion layer), a buffer oxide film is formed and removed by oxygen radical oxidation to planarize the semiconductor surface at the bottom of the contact hole, and then a metal serving as a wiring layer is formed in the contact hole. A step of depositing a film or the like. Since the bottom surface of the contact hole is flattened, the wiring layer is uniformly deposited, the contact resistance between the wiring layer and the semiconductor substrate is reduced, the charge is prevented from penetrating into the impurity diffusion layer, and the impurity diffusion layer is formed. It becomes possible to make it shallow.

【0066】(4)前記露出した半導体の表面に該半導
体と所望の金属とを主成分とする層を形成する工程を更
に具備する。代表的には、ソース・ドレイン領域へのコ
ンタクトホールを形成した後、酸素ラジカル酸化による
バッファ酸化膜の形成及びその除去を行ってコンタクト
ホール底部の半導体表面を平坦化し、その後コンタクト
ホール底部の半導体表面をシリサイド化して金属シリサ
イド層を形成する工程があげられる。この場合にもコン
タクトホール底面が平坦化されているため、上記(3)
と同様の効果を得ることができる。
(4) The method further comprises the step of forming a layer mainly composed of the semiconductor and a desired metal on the exposed surface of the semiconductor. Typically, after forming a contact hole to the source / drain region, a buffer oxide film is formed and removed by oxygen radical oxidation to planarize the semiconductor surface at the bottom of the contact hole, and then the semiconductor surface at the bottom of the contact hole is formed. To form a metal silicide layer by silicidation. Also in this case, since the contact hole bottom surface is flattened, the above (3)
The same effect as described above can be obtained.

【0067】(5)前記酸素活性種を含む半導体で半導
体の表面を酸化して第1の酸化膜を形成する工程と、こ
の第1の酸化膜を除去して前記半導体の表面を露出させ
る工程とともに、半導体の表面を酸化して第2の酸化膜
を形成する工程と、この第2の酸化膜を除去して前記半
導体の表面を露出させる工程とを1回以上行う。
(5) A step of oxidizing the surface of the semiconductor with the semiconductor containing the oxygen active species to form a first oxide film, and a step of removing the first oxide film to expose the surface of the semiconductor. In addition, a step of forming a second oxide film by oxidizing the surface of the semiconductor and a step of removing the second oxide film to expose the surface of the semiconductor are performed at least once.

【0068】(6)前記酸化膜を除去して前記半導体の
表面を露出させる工程は気相雰囲気で酸化膜を除去する
工程を更に備えた。ここにおいて、前記気相雰囲気はF
原子、Cl原子、Br原子、I原子の中の1種以上を有
する分子あるいは活性種を含む気相雰囲気を用いる。
(6) The step of removing the oxide film and exposing the surface of the semiconductor further includes a step of removing the oxide film in a gas phase atmosphere. Here, the gas phase atmosphere is F
A gaseous atmosphere containing molecules or active species having one or more of atoms, Cl atoms, Br atoms, and I atoms is used.

【0069】なお、酸素活性種(酸素ラジカル)を含む
雰囲気としては、励起状態が一重項状態の酸素ラジカル
を主成分としたものを用いることが効果的である。励起
状態が一重項状態の酸素ラジカル、すなわちO(D)
やO(S)はs=0であり、価電子のスピンの向きが
対(↑↓)をなしている。したがって、Si−Si結合
(価電子:↑↓)にO原子が入り込みやすいので(例え
ば、(P)はs=1であり、2個の価電子のスピンが
いずれも上向き(↑↑)或いは下向き(↓↓)であり、
Si−Si結合(価電子:↑↓)にO原子が入り込みに
くい。)、反応性が高く酸化膜形成速度が高いととも
に、半導体/バッファ酸化膜界面の平坦化作用も高くな
る。
As an atmosphere containing oxygen active species (oxygen radicals), it is effective to use an atmosphere containing oxygen radicals whose excited state is a singlet state as a main component. Oxygen radical whose excited state is a singlet state, that is, O ( 1 D)
And O ( 1 S) have s = 0, and the spin directions of the valence electrons form a pair (↑ ↓). Therefore, since an O atom easily enters a Si—Si bond (valence electron:) ↓) (for example, ( 3 P) is s = 1, and both spins of two valence electrons are upward (↑↑) or Downward (↓↓)
O atoms do not easily enter Si-Si bonds (valence electrons: ↑ ↓). ), The reactivity is high and the oxide film formation rate is high, and the flattening action of the semiconductor / buffer oxide film interface is also enhanced.

【0070】また、バッファ酸化膜(シリコン酸化膜)
を除去して半導体の表面を露出させる際に、バッファ酸
化膜の除去速度が速すぎると、酸化膜剥離後の半導体表
面のラフネスが悪化し、バッファ酸化膜/半導体界面の
平坦性が損なわれるおそれがある。したがって、除去速
度を抑制して良好な平坦性を保つため、以下のようにし
てバッファ酸化膜を除去することが好ましい。
A buffer oxide film (silicon oxide film)
If the removal rate of the buffer oxide film is too fast when removing the oxide to expose the surface of the semiconductor, the roughness of the semiconductor surface after the oxide film is stripped may be deteriorated, and the flatness of the buffer oxide film / semiconductor interface may be impaired. There is. Therefore, in order to suppress the removal rate and maintain good flatness, it is preferable to remove the buffer oxide film as follows.

【0071】(1)濃度1%以下のフッ化水素酸水溶液
を用いてバッファ酸化膜をエッチングする。
(1) The buffer oxide film is etched using an aqueous solution of hydrofluoric acid having a concentration of 1% or less.

【0072】(2)水素イオン濃度が10-4mol/l
以下(pH≧4)のフッ化アンモニウム水溶液を用いて
バッファ酸化膜をエッチングする。
(2) The hydrogen ion concentration is 10 −4 mol / l
The buffer oxide film is etched using an ammonium fluoride aqueous solution having the following (pH ≧ 4).

【0073】(3)フッ化水素分子を含むガス雰囲気中
に半導体の露出表面を晒してバッファ酸化膜をエッチン
グする。
(3) The exposed surface of the semiconductor is exposed to a gas atmosphere containing hydrogen fluoride molecules to etch the buffer oxide film.

【0074】本発明の第2局面によれば、酸素活性種を
含む雰囲気で半導体の表面を酸化してバッファ酸化膜を
形成することにより、半導体とバッファ酸化膜との界面
を極めて平坦化することができ、バッファ酸化膜を除去
した後の半導体の表面も平坦化される。したがって、バ
ッファ酸化膜を除去した後に露出した半導体の表面に絶
縁層や導電層を形成した場合、両者の界面も極めて平坦
化され、信頼性や特性に優れた半導体装置を作製するこ
とができる。
According to the second aspect of the present invention, the interface between the semiconductor and the buffer oxide film is made extremely flat by oxidizing the surface of the semiconductor in an atmosphere containing oxygen active species to form a buffer oxide film. The surface of the semiconductor after removing the buffer oxide film is also flattened. Therefore, when an insulating layer or a conductive layer is formed on the surface of the semiconductor exposed after removing the buffer oxide film, the interface between the two is extremely flattened, and a semiconductor device having excellent reliability and characteristics can be manufactured.

【0075】本発明の第3局面に係る半導体装置の製造
方法は、550℃を越える温度において酸素活性種を含
む雰囲気で半導体層の表面を酸化して酸化膜を形成する
工程を備え、その装置は550℃を越える温度において
酸素活性種を含む雰囲気で半導体層の表面を酸化して酸
化膜を形成する。本発明の第3局面の好ましい実施態様
は以下の通りである。
A method of manufacturing a semiconductor device according to a third aspect of the present invention includes a step of oxidizing a surface of a semiconductor layer in an atmosphere containing oxygen active species at a temperature exceeding 550 ° C. to form an oxide film. Oxidizes the surface of the semiconductor layer in an atmosphere containing oxygen active species at a temperature exceeding 550 ° C. to form an oxide film. A preferred embodiment of the third aspect of the present invention is as follows.

【0076】(1)前酸素活性種を含む雰囲気は酸素原
子を有する分子を含むガスのプラズマ雰囲気を用いる。
(1) The atmosphere containing the pre-oxygen active species is a plasma atmosphere of a gas containing molecules having oxygen atoms.

【0077】(2)前記酸素活性種を含む雰囲気はオゾ
ン分子を備えた。
(2) The atmosphere containing the oxygen active species has ozone molecules.

【0078】(3)前記酸素活性種は酸素原子を有する
分子を含むガスに対する光照射によって生成する。
(3) The oxygen active species are generated by irradiating a gas containing a molecule having an oxygen atom with light.

【0079】(4)前記酸素活性種は酸素原子を有する
分子を含むガスに金属あるいは金属酸化物を晒して生成
する。
(4) The oxygen active species is generated by exposing a metal or metal oxide to a gas containing a molecule having an oxygen atom.

【0080】本発明の第3局面によれば、酸素活性種を
含む雰囲気で最適な温度による半導体基板の酸化を行う
ことができるので、本発明の第2局面と同様の効果が得
られる。
According to the third aspect of the present invention, since the semiconductor substrate can be oxidized at an optimum temperature in an atmosphere containing oxygen active species, the same effect as in the second aspect of the present invention can be obtained.

【0081】本発明の第4局面に係る半導体製造装置
は、酸素活性種を含む雰囲気で半導体の表面を酸化して
酸化膜を形成する工程と、この酸化膜を除去して前記半
導体の表面を露出させる工程とを少なくとも外気に晒さ
ないで連続的に行い、半導体の製造方法は前記酸素活性
種を含む雰囲気で半導体の表面を酸化して第1の酸化膜
を形成する工程とこの第1の酸化膜を除去して前記半導
体の表面を露出させる工程とともに、半導体の表面を酸
化して第2の酸化膜を形成する工程と、この第2の酸化
膜を除去して前記半導体の表面を露出させる工程とを1
回以上、少なくとも外気に晒きないで連続的に行う。第
4局面の好ましい実施態様は以下の通りである。
A semiconductor manufacturing apparatus according to a fourth aspect of the present invention comprises a step of oxidizing a surface of a semiconductor in an atmosphere containing oxygen active species to form an oxide film, and removing the oxide film to remove the surface of the semiconductor. The step of exposing is performed continuously without at least exposing to outside air, and the method of manufacturing a semiconductor includes the steps of: oxidizing a surface of the semiconductor in an atmosphere containing the oxygen active species to form a first oxide film; Removing the oxide film to expose the surface of the semiconductor, oxidizing the surface of the semiconductor to form a second oxide film, and removing the second oxide film to expose the surface of the semiconductor And 1
It is performed continuously at least twice without exposing it to outside air. A preferred embodiment of the fourth aspect is as follows.

【0082】(1)少なくとも外気に晒さない状態を維
持しながら前記露出した半導体の表面を酸化または窒化
して絶縁膜を形成する工程を更に具備する。
(1) The method further comprises a step of oxidizing or nitriding the exposed surface of the semiconductor to form an insulating film while maintaining at least a state not exposed to the outside air.

【0083】(2)少なくとも外気に晒さない状態を維
持しながら前記露出した半導体の表面に絶縁膜を堆積す
る工程を更に具備する。
(2) The method further comprises a step of depositing an insulating film on the exposed surface of the semiconductor while maintaining at least a state of not being exposed to the outside air.

【0084】(3)少なくとも外気に晒さない状態を維
持しながら前記露出した半導体の表面に導電膜を堆積す
る工程を更に具備する。
(3) The method further comprises a step of depositing a conductive film on the exposed surface of the semiconductor while maintaining at least a state of not being exposed to the outside air.

【0085】(4)少なくとも外気に晒さない状態を維
持しながら前記露出した半導体の表面に該半導体と所望
の金属とを主成分とする層を形成する工程を具備する。
(4) A step of forming a layer mainly composed of the semiconductor and a desired metal on the exposed surface of the semiconductor while maintaining at least a state of not being exposed to the outside air.

【0086】(5)前記酸化膜を除去して前記半導体の
表面を露出させる工程は気相雰囲気で酸化膜を除去する
工程を有する。ここで、前記気相雰囲気はF原子、Cl
原子、Br原子、I原子の中の1種以上を有する分子あ
るいは活性種を含む気相雰囲気を用いる。
(5) The step of removing the oxide film and exposing the surface of the semiconductor includes the step of removing the oxide film in a gas phase atmosphere. Here, the gas phase atmosphere is F atom, Cl
A gaseous atmosphere containing a molecule or an active species having one or more of atoms, Br atoms, and I atoms is used.

【0087】本発明の第4局面では、一連の工程を外気
に晒さないで行うことができるので、半導体表面の汚染
による絶縁膜の絶縁破壊耐性劣化や配線層と半導体表面
とのコンタクト不良など、電気的特性の劣化防止によ
る、半導体装置の性能や歩留まりの向上とともに、半導
体装置製造のスループット向上および省力化に対して極
めて有効である。
In the fourth aspect of the present invention, since a series of steps can be performed without exposing to the outside air, deterioration of the insulation breakdown resistance of the insulating film due to contamination of the semiconductor surface, poor contact between the wiring layer and the semiconductor surface, etc. This is extremely effective for improving the performance and the yield of the semiconductor device by preventing the deterioration of the electrical characteristics, and for improving the throughput and the labor saving of the semiconductor device manufacturing.

【0088】第1及び第4局面における好ましい実施態
様として、前記酸素活性種を含む雰囲気で半導体の表面
を酸化して酸化膜を形成する工程は、550℃を越える
温度で行う。
In a preferred embodiment according to the first and fourth aspects, the step of oxidizing the surface of the semiconductor in an atmosphere containing oxygen active species to form an oxide film is performed at a temperature exceeding 550 ° C.

【0089】第1〜第4局面における好ましい実施態様
として、前記酸素活性種は励起状態が一重項状態の酸素
原子ラジカルを主成分とする。
In a preferred embodiment of the first to fourth aspects, the oxygen active species contains an oxygen atom radical whose excited state is a singlet state as a main component.

【0090】[0090]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施の形態(以下、実施形態という)を説明する。
Embodiments of the present invention (hereinafter, referred to as embodiments) will be described below with reference to the drawings.

【0091】(第1の実施形態)図1は、本発明の第1
の実施形態に係わるEEPROMのメモリセルの素子構
造を示す断面図である。
(First Embodiment) FIG. 1 shows a first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing an element structure of a memory cell of an EEPROM according to the embodiment.

【0092】図1において、p型シリコン基板101の
表面にはトレンチ溝が形成されている。本実施形態で
は、このトレンチ溝の内部をシリコン酸化膜102によ
り埋め込むことによって、素子分離領域を形成してい
る。なお、素子分離は、LOCOS等の他の素子分離で
行なっても良い。
In FIG. 1, a trench is formed on the surface of a p-type silicon substrate 101. In the present embodiment, an element isolation region is formed by filling the inside of the trench with a silicon oxide film 102. Note that the element isolation may be performed by another element isolation such as LOCOS.

【0093】シリコン酸化膜102により規定された素
子領域のシリコン基板101の表面には、ソース領域1
05およびドレイン領域106としての高不純物濃度の
n型不純物拡散層が形成されている。
The source region 1 is formed on the surface of the silicon substrate 101 in the element region defined by the silicon oxide film 102.
A high impurity concentration n-type impurity diffusion layer is formed as the drain region 05 and the drain region 106.

【0094】また、p型シリコン基板101上には、本
発明を適用したトンネル酸化膜103を介して、砒素
を含有したポリシリコン膜からなるフローティングゲー
ト電極104が形成されている。このフローティング
ゲート電極104上にはゲート電極間絶縁膜103
を介してコントロールゲート電極104が形成されて
いる。
[0094] Further, on the p-type silicon substrate 101 through the tunnel oxide film 103 1 according to the present invention, the floating gate electrode 104 1 made of a polysilicon film containing arsenic is formed. The floating gate electrode 104 first gate insulating film 103 2 is formed on
The control gate electrode 104 2 through is formed.

【0095】基板全面にはシリコン酸化膜107が堆積
されており、このシリコン酸化膜107に開孔されたコ
ンタクトホールを介して、同一のAl膜等の導電膜をパ
ターニングして形成されたソース電極108、ゲート電
極配線109、ドレイン電極110が、それぞれ、ソー
ス領域105、コントロールゲート電極104、ドレ
イン領域106に設けられている。
A silicon oxide film 107 is deposited on the entire surface of the substrate, and a source electrode formed by patterning the same conductive film such as an Al film through a contact hole formed in the silicon oxide film 107. 108, a gate electrode wiring 109, and a drain electrode 110 are provided in the source region 105, the control gate electrode 104 2 , and the drain region 106, respectively.

【0096】図2及び図3は、図1のメモリセルの製造
方法を示す工程断面図である。
FIGS. 2 and 3 are process sectional views showing a method of manufacturing the memory cell of FIG.

【0097】まず、図2(a)に示すように、p型シリ
コン基板101の表面にトレンチ溝120を形成した
後、例えば、液相CVD法等のCVD法を用いて、シリ
コン酸化膜102によりトレンチ溝120の内部を埋め
込み、素子分離を行なう。
First, as shown in FIG. 2A, after a trench 120 is formed on the surface of a p-type silicon substrate 101, a silicon oxide film 102 is formed by a CVD method such as a liquid phase CVD method. The inside of the trench 120 is buried to perform element isolation.

【0098】次に図2(b)に示すように、p型シリコ
ン基板101を、例えば、550℃の酸化に好ましい酸
素活性種O(D)雰囲気中に、例えば、120分間晒
し、膜厚5nmのトンネル酸化膜103を形成する。
[0098] Next, as shown in FIG. 2 (b), the p-type silicon substrate 101, for example, in the preferred oxygen-activated species O (1 D) an atmosphere for the oxidation of 550 ° C., for example, exposure for 120 minutes, the film thickness forming a tunnel oxide film 103 1 of 5 nm.

【0099】酸化に好ましい活性種O(D)による酸
化は、例えば、図4に示す酸化装置を用いて行なう。な
お、この酸化装置は、O(D)を用いなくても酸化を
行なえるものであり、本実施形態の酸化方法には不要な
構成も備えている。また、図4において、添字を除いて
同じ数字の参照番号は同じ構成要素を示している。
The oxidation with the active species O ( 1 D), which is preferable for the oxidation, is performed using, for example, an oxidation apparatus shown in FIG. Note that this oxidizing apparatus can oxidize without using O ( 1 D), and has an unnecessary configuration for the oxidizing method of the present embodiment. In FIG. 4, the same reference numerals except for the subscript indicate the same components.

【0100】本実施形態では、酸化ガス源としてN
ガスを用いるが、図4の酸化装置は、Oガス、NOガ
ス、HO蒸気、H蒸気を用いることもできる構
成になっている。
In this embodiment, N 2 O is used as the oxidizing gas source.
Although a gas is used, the oxidizing apparatus in FIG. 4 has a configuration in which O 2 gas, NO gas, H 2 O vapor, and H 2 O 2 vapor can be used.

【0101】HO蒸気やH蒸気は、例えば、そ
れらの液体を石英製の容器214に入れ、ヒーター21
5によって加熱して発生させる。発生した蒸気の凝集を
防止するため、容器214の出口から石英管201まで
の配管系を、ヒーター213によって加熱する。
For example, H 2 O vapor or H 2 O 2 vapor is supplied to a heater 214 by putting the liquid in a quartz container 214.
5 generated by heating. The piping system from the outlet of the container 214 to the quartz tube 201 is heated by the heater 213 in order to prevent the generated steam from aggregating.

【0102】活性種O(D)は、例えば、一酸化二窒
素(NO)ガスを、マスフローコントローラ21
、バルブ211、配管209を通して、シリコン
基板101を設置した石英管201内に導入し、この酸
素ガスを光源203から出射する波長197nmの光に
よって励起することにより生成する。このようにして生
成されたO(D)はダウンフローによりシリコン基板
101に供給される。
The active species O ( 1 D) is, for example, a gas such as dinitrogen monoxide (N 2 O) gas
Through 2 2, valve 211 2, pipe 209, and introduced into the quartz tube 201 is placed a silicon substrate 101, is generated by excitation by light of wavelength 197nm for emitting the oxygen gas from the source 203. O ( 1 D) generated in this manner is supplied to the silicon substrate 101 by downflow.

【0103】ここで、石英管201内の圧力は、排気系
により制御され、例えば、0.1Torrであり、ま
た、一酸化二窒素流量はマスフローコントローラ212
によって制御され、例えば、20sccmである。
Here, the pressure in the quartz tube 201 is controlled by an exhaust system, for example, 0.1 Torr, and the flow rate of nitrous oxide is controlled by the mass flow controller 212.
2 , for example, 20 sccm.

【0104】好ましくは、精製工程として、一酸化二窒
素ガスをガス精製器210に通し、一酸化二窒素ガスに
微量に混入している、例えば、水分や二酸化炭素等の不
純物を取り除く。
Preferably, as a purification step, nitrous oxide gas is passed through a gas purifier 210 to remove impurities, such as moisture and carbon dioxide, which are slightly mixed in the nitrous oxide gas.

【0105】O(D)の原料ガスとして、一酸化二窒
素ガスの代わりに酸素ガス(O)を用いても良い。酸
化温度を例えば550℃、酸化雰囲気圧力をたとえば
0.1Torr、酸化時間を例えば120分とし、シリ
コン基板表面に例えば厚さ5nmのシリコン酸化膜を形
成する。
As the source gas for O ( 1 D), oxygen gas (O 2 ) may be used instead of dinitrogen monoxide gas. An oxidation temperature is set to, for example, 550 ° C., an oxidation atmosphere pressure is set to, for example, 0.1 Torr, an oxidation time is set to, for example, 120 minutes, and a silicon oxide film having a thickness of, for example, 5 nm is formed on the surface of the silicon substrate.

【0106】シリコン基板101は、例えば、ヒーター
207により加熱される。O(D)による酸化処理温
度は、例えば、550℃である。
The silicon substrate 101 is heated by the heater 207, for example. The temperature of the oxidation treatment with O ( 1 D) is, for example, 550 ° C.

【0107】このような酸化装置を用いることにより、
プラズマ発生領域と酸化領域とを分離することができ
る。プラズマ発生領域と酸化領域とを分離する必要性が
あるのは、次の理由からである。
By using such an oxidizing apparatus,
The plasma generation region and the oxidation region can be separated. The need to separate the plasma generation region from the oxidation region is required for the following reasons.

【0108】従来の酸素プラズマ雰囲気について考えて
みると、プラズマ発生領域には高周波エネルギーが印加
されているので、微量のO(D)が存在しうる。
Considering a conventional oxygen plasma atmosphere, a small amount of O ( 1 D) may exist because high-frequency energy is applied to the plasma generation region.

【0109】しかし、酸化領域をプラズマ発生領域内と
すると、高エネルギー領域で存在する様々なイオン種や
活性種が酸化膜に衝突し、酸化膜が損傷を受け、酸化膜
の絶縁破壊特性が極度に悪化するので好ましくない。
However, when the oxidized region is within the plasma generation region, various ion species and active species existing in the high energy region collide with the oxide film, and the oxide film is damaged, and the dielectric breakdown characteristics of the oxide film become extremely high. It is not preferable because it becomes worse.

【0110】酸化領域をプラズマ発生領域から分離すれ
ば、高エネルギー状態状態でのみ存在するイオン種や活
性種は酸化領域に到達するまでに失活し、形成される酸
化膜の損傷も防止されるが、プラズマ発生領域で発生し
たO(D)も酸化領域到達までに失活してしまう。
When the oxidized region is separated from the plasma generation region, ionic species and active species existing only in the high energy state are deactivated before reaching the oxidized region, and damage to the formed oxide film is also prevented. However, O ( 1 D) generated in the plasma generation region is also deactivated before reaching the oxidation region.

【0111】酸化領域にO(D)を供給するために
は、酸化膜損傷の原因となるイオンなどの活性種が失活
した、プラズマのダウンフロー雰囲気に対して、その中
に含まれるガス分子をO(D)に励起する光を照射す
ることが好ましい。
In order to supply O ( 1 D) to the oxidized region, a gas contained in the down-flow atmosphere of the plasma in which active species such as ions causing damage to the oxide film are deactivated is used. It is preferable to irradiate light for exciting molecules to O ( 1 D).

【0112】次に、図3(c)に示すように、フローテ
ィングゲート電極104としての砒素をドープしたポ
リシリコン膜を低圧CVD法を用いて650℃において
基板全面に堆積し、続いてゲート電極間絶縁膜103
としての絶縁膜、コントロールゲート電極104とし
ての導電膜を順次堆積した後、これらの導電膜、絶縁
膜、ポリシリコン膜、トンネル酸化膜103を反応性
イオンエッチング法を用いて連続的にエッチングして、
所定形状のゲート電極部を形成する。
[0112] Next, as shown in FIG. 3 (c), a polysilicon film doped with arsenic as the floating gate electrode 104 1 is deposited on the entire surface of the substrate at 650 ° C. using a low pressure CVD method, followed by the gate electrode Insulating film 103 2
Insulating film as, after sequentially depositing a conductive film serving as a control gate electrode 104 2, these conductive films, insulating film, a polysilicon film, continuously etched tunnel oxide film 103 1 by reactive ion etching method do it,
A gate electrode portion having a predetermined shape is formed.

【0113】次に、図3(d)に示すように、加速電圧
40keV、ドーズ量2×1015cm-2の条件で、ゲー
ト電極部をマスクとして基板表面に砒素イオンを注入し
て、ソース領域105およびドレイン領域106を自己
整合的に形成する。この後、図3(d)に示すように、
低圧CVD法を用いて、シリコン酸化膜107を基板全
面に形成する。
Next, as shown in FIG. 3D, arsenic ions were implanted into the substrate surface using the gate electrode as a mask under the conditions of an acceleration voltage of 40 keV and a dose of 2 × 10 15 cm −2. The region 105 and the drain region 106 are formed in a self-aligned manner. Thereafter, as shown in FIG.
A silicon oxide film 107 is formed on the entire surface of the substrate by using a low-pressure CVD method.

【0114】次に、図3(e)に示すように、ソース領
域105、ドレイン領域106およびコントロールゲー
ト電極104に接続を取るためのコンタクトホールを
シリコン酸化膜107に開孔する。
[0114] Next, as shown in FIG. 3 (e), a contact hole for making connection source region 105, drain region 106 and the control gate electrode 104 2 on the silicon oxide film 107.

【0115】最後に、図3(e)に示すように、基板全
面にAl膜を形成した後、このAl膜をパターニングし
て、ソース電極108、ゲート電極配線109、ドレイ
ン電極110を形成する。
Finally, as shown in FIG. 3E, after forming an Al film on the entire surface of the substrate, this Al film is patterned to form a source electrode 108, a gate electrode wiring 109, and a drain electrode 110.

【0116】本実施形態の方法に従って製造したメモリ
セルのトンネル酸化膜を、断面を透過型電子顕微鏡(T
EM)により観測し、従来方法により形成したそれと比
較した。
The cross section of the tunnel oxide film of the memory cell manufactured according to the method of the present embodiment is shown by a transmission electron microscope (T
EM) and compared with those formed by conventional methods.

【0117】その結果、図5に示すように、本実施形態
の方法(O(D)酸化)を用いた場合のSi基板−ト
ンネル酸化膜(ゲート酸化膜)界面(図5(a))は、
従来方法(O(P)酸化、乾燥酸素酸化)を用いた場
合のSi基板−トンネル酸化膜界面(図5(b)、図5
(c))よりも平坦であった。また、Qbdも、従来方
法(O(P酸化))により得られたトンネル酸化膜よ
り大きい値であった。
[0117] As a result, as shown in FIG. 5, the method of the present embodiment (O (1 D) oxide) Si substrate in the case of using the - tunnel oxide film (gate oxide film) interface (FIG. 5 (a)) Is
Conventional methods Si substrate in the case of using (O (3 P) oxide, dry oxygen oxidation) a - tunnel oxide film interface (FIG. 5 (b), the 5
It was flatter than (c)). Further, Qbd was also a conventional method tunnel oxide film is greater than value obtained by (O (3 P oxide)).

【0118】これらの結果は、酸化力が高く酸化に好ま
しい活性種O(D)が主である雰囲気を酸化に用いた
ことによる、界面平坦化および酸化膜の膜質の緻密化が
反映されたものと考えられる。
These results reflect the flattening of the interface and the densification of the oxide film due to the use of an atmosphere in which the active species O ( 1 D) having a high oxidizing power and preferable for the oxidation is mainly used for the oxidation. It is considered something.

【0119】酸化過程を微視的に考えると、酸化種が酸
化膜の酸化雰囲気側表面に吸着し、酸化膜内部を拡散
し、シリコン基板−酸化膜界面においてSi−Si結合
の間に酸素原子が挿入されて酸化膜が成長するものと考
えることができる。
When the oxidation process is considered microscopically, the oxidizing species is adsorbed on the surface of the oxide film on the oxidizing atmosphere side, diffuses inside the oxide film, and oxygen atoms are formed between the Si—Si bonds at the silicon substrate-oxide film interface. Is inserted to grow an oxide film.

【0120】酸化に好ましい活性種としては、価電子の
上向きスピン(↑)と下向きスピン(↓)とが対になっ
ているために、酸化膜内の拡散やSi−Si結合(結合
を構成する価電子のスピン:↑↓)への挿入がされ易
い、活性種全体としての電子スピン量子数s=0の酸素
原子が好ましい。
As active species preferable for oxidation, the upward spin (↑) and the downward spin (↓) of valence electrons are paired, and therefore, diffusion in an oxide film or Si—Si bond (constituting a bond) Oxygen atoms having an electron spin quantum number s = 0 of the active species as a whole that are easily inserted into valence electron spins: ↑ ↓) are preferable.

【0121】ここで、酸素原子に束縛されている2p軌
道の4個の価電子はそれぞれ、上向きスピン(↑:スピ
ン量子数1/2)または下向きスピン(↓:スピン量子
数−1/2)を持ち、各価電子のスピン量子数の総和が
sに反映されると考えている。
Here, the four valence electrons of the 2p orbital bound to the oxygen atom are respectively upward spin (↑: spin quantum number)) or downward spin (↓: spin quantum number -−1). It is considered that the sum of the spin quantum numbers of each valence electron is reflected in s.

【0122】種々の電子配置の酸素原子をエネルギーの
低い順に並べると、O(P:トリプレット−P、s=
1)、O(D:シングレット−D、s=0)、O(
S:シングレット−S、s=0)、…となる。
When oxygen atoms having various electron configurations are arranged in ascending order of energy, O ( 3 P: triplet-P, s =
1), O (1 D: singlet -D, s = 0), O (1
S: singlet-S, s = 0),.

【0123】S、P、Dは、酸素原子全体としての価電
子の方位量子数1=0、1、2に対応する。従来の酸素
活性種発生技術では、これらを選別せずに発生させて使
用していたため、この中でエネルギーが最も低いO(
P)の濃度が最も高く、酸化により有効なO(D)お
よびO(S)の効果が充分には利用されていない。
S, P, and D correspond to the azimuthal quantum numbers 1 = 0, 1, and 2 of the valence electrons as the entire oxygen atom. In the conventional oxygen active species generation technology, these are generated and used without being sorted, and thus O ( 3) having the lowest energy among them is used.
The concentration of P) is the highest, and the effects of O ( 1 D) and O ( 1 S) that are more effective due to oxidation are not fully utilized.

【0124】O(P)はs=1であり、2個の価電子
のスピンがいずれも上向き(↑↑)あるいは下向き(↓
↓)である。したがって、Si−Si結合(価電子:↑
↓)に入り込みにくく、酸化に不適当である。
O ( 3 P) has s = 1, and the spins of the two valence electrons are both upward (↑↑) or downward (↓).
↓). Therefore, the Si—Si bond (valence electron: ↑
↓) Difficult to penetrate and unsuitable for oxidation.

【0125】これに対し、O(D)やO(S)はs
=0であり、価電子のスピンの向きが対をなしている
(↑↓)。したがって、Si−Si結合(価電子:↑
↓)に入り込みやすく、酸化に好ましい。
On the other hand, O ( 1 D) and O ( 1 S) are s
= 0, and the spin directions of the valence electrons form a pair (↑ ↓). Therefore, the Si—Si bond (valence electron: ↑
↓) Easy to penetrate and is favorable for oxidation.

【0126】酸素活性種を用いる酸化方法において、O
D)およびO(S)のような、s=0であり酸化
により有効な活性種の濃度を選択的に高めることは、酸
化を効率よく進行させ、信頼性の高いトンネル酸化膜
(ゲート酸化膜)を得る上で極めて重要である。
In an oxidation method using an oxygen active species,
(1 D) and O (1 S), such as, s = 0 a is the concentration of effective active species selectively increase it by oxidation, efficiency and good progress oxide, highly reliable tunnel oxide film ( (Gate oxide film).

【0127】従来の酸素ラジカルによる酸化では、酸化
力が乾燥酸素よりは高いがO(D)より低いO
P)が主成分であった。このため、図6(b)に示
すように、シリコン基板−酸化膜界面におけるSi−S
i結合へのO原子の挿入が起こりにくく、界面の平坦性
が充分には達成されていなかった。
In the conventional oxidation by oxygen radicals, the oxidizing power is higher than that of dry oxygen but lower than that of O ( 1 D).
( 3 P) was the main component. Therefore, as shown in FIG. 6B, Si-S at the interface between the silicon substrate and the oxide film is formed.
Insertion of O atoms into the i-bond is unlikely to occur, and the flatness of the interface has not been sufficiently achieved.

【0128】また、酸化後の酸化膜中において、電荷の
トラップサイトとなり得る Si・や−O・の大半は、
ダングリングボンドを持つ他のSi原子やO原子と反応
して解消されるが、これらの一部は未反応で酸化膜中に
残り、酸化膜の緻密化が不十分であった。
In the oxide film after oxidation, most of Si. And -O., Which can serve as charge trap sites,
Although they are dissolved by reacting with other Si atoms or O atoms having dangling bonds, some of them remain unreacted in the oxide film and the oxide film is insufficiently densified.

【0129】これに対し、本実施形態では、図6(a)
に示すように、酸化に好ましいO(D)(価電子のス
ピン:↑↓)の濃度を高めることにより、基板−酸化膜
界面におけるSi−Si結合のO原子の挿入が効率よく
起こり、界面の平坦性が達成される。また、未結合手の
Si・や−O・が解消されることにより、酸化膜の構
造がより緻密となり、電気的信頼性が向上し、酸化膜の
誘電率が低下する。
On the other hand, in the present embodiment, FIG.
As shown in ( 1 ), by increasing the concentration of O ( 1 D) (valence electron spin: ↑ ↓), which is preferable for oxidation, O atoms of Si—Si bonds at the substrate-oxide film interface efficiently occur, and Is achieved. Further, by eliminating unbonded Si and -O, the structure of the oxide film becomes more dense, the electrical reliability is improved, and the dielectric constant of the oxide film is reduced.

【0130】また、O(D)酸化による酸化膜−下地
基板界面の平坦化については、次のように考えられる。
The flattening of the oxide film-base substrate interface by O ( 1 D) oxidation is considered as follows.

【0131】酸化前の基板301は、図7(a)に示す
ように、表面が完全に平坦ではなく、例えば1原子層の
ステップ312や2原子層のステップ311がある。酸
化の進行中には、図7(b)のように、酸化種(O(
D))は酸化膜中を膜厚方向のみならず様々な方向に拡
散しうる。酸化初期で酸化膜厚が小さい段階では、O(
D)はSiO内に広範囲に浸透し、Si−Si結合
にO(D)が入り込み、シリコン基板を1原子層ずつ
酸化していく。
As shown in FIG. 7A, the surface of the substrate 301 before oxidation is not completely flat, and has, for example, a step 312 of one atomic layer and a step 311 of two atomic layers. During the progress of the oxidation, as shown in FIG. 7B, the oxidizing species (O ( 1
D)) can diffuse not only in the film thickness direction but also in various directions in the oxide film. When the oxide film thickness is small at the initial stage of oxidation, O (
1 D) is extensively penetrates into the SiO 2, O (1 D) enters into the Si-Si bonds, it will oxidize the silicon substrate by one atomic layer.

【0132】始めにあったステップ311、312で
は、Si−Si結合が他のテラス部分より多く界面に露
出しているため、O(D)によって優先的に酸化さ
れ、この効果によって始めにあったステップ311、3
12は界面で消失し、原子レベルで平坦化された界面3
13が形成される。
In the steps 311 and 312 at the beginning, since the Si—Si bond is more exposed at the interface than at the other terrace portions, it is preferentially oxidized by O ( 1 D), and this effect causes the first step. Steps 311 and 3
12 is the interface 3 which disappears at the interface and is flattened at the atomic level.
13 are formed.

【0133】その一方で、平坦な界面313の形成終了
後、次のSi原子層の酸化は、例えばO(D)濃度の
一時的な不均衡により、領域314で優先的に進行し得
る。この段階で酸化工程が終了すれば、領域314の端
が原子層のステップとなる。
On the other hand, after the formation of the flat interface 313, the oxidation of the next Si atomic layer can proceed preferentially in the region 314 due to, for example, a temporary imbalance in the O ( 1 D) concentration. If the oxidation process is completed at this stage, the end of the region 314 becomes an atomic layer step.

【0134】酸化膜がある程度の膜厚まで成長すると、
O(D)の浸透深さに到達し、それ以上は酸化膜が成
長しなくなる。雰囲気温度が高いほど、酸化膜の構成原
子の格子振動が激しくなって、O(D)が酸化膜中に
進行しやすくなり、浸透深さは大きくなる。
When the oxide film grows to a certain thickness,
The depth reaches the penetration depth of O ( 1 D), after which the oxide film does not grow. As the ambient temperature is higher, the lattice vibration of the constituent atoms of the oxide film becomes more intense, so that O ( 1 D) easily advances into the oxide film, and the penetration depth increases.

【0135】図7(c)に、O(D)の浸透深さ程度
まで酸化膜が成長した状態を概念的に示す。酸化膜はO
D)が進入する範囲までしか成長しない。酸化膜表
面317に凹凸があると、この凹凸のためにO(D)
の浸透深さが場所によって異なり、このことを反映し
て、界面315に例えばステップ316、316
316が形成される。
FIG. 7C conceptually shows a state in which the oxide film has grown to a depth of about O ( 1 D). Oxide film is O
(1 D) is not only grow to the extent that entering. If the oxide film surface 317 has irregularities, O ( 1 D)
Differs depending on the location, and reflecting this, the interface 315 has, for example, steps 316 1 , 316 2 ,
316 3 is formed.

【0136】しかし、酸化膜表面の凹凸が2原子層以上
であっても、ステップ316、316、316
高さは1原子層以下である。なぜなら、例えば酸化膜表
面のステップ318、318からO(D)が到達
する範囲はそれぞれ円弧319、319で規定され
ると考えられ、酸化膜表面の凹凸が大きくなければ、界
面において、界面方向に隣接する原子に対するO
D)到達距離の変化は1原子層以下に留まるからで
ある。
[0136] However, even irregularities 2 atomic layers or the oxide film surface, step 316 1, 316 2, 316 3 of the height is less than 1 atomic layer. This is because, for example, considered from step 318 1, 318 2 of the surface of the oxide film and the O (1 D) is defined in each range arc 319 1, 319 2 to reach, not greater unevenness of surface of the oxide film, the interface In the above, O for an atom adjacent in the interface direction
(1 D) of the reaching distance change is because stays below 1 atomic layer.

【0137】O(D)酸化膜を断面電子顕微鏡(TE
M)によって観察したところ、基板側界面の数層にわた
り、原子像の規則正しい配列が見られ、結晶構造の存在
を示していた。従来の熱酸化膜はアモルファス構造であ
ることが知られており、熱酸化膜の基板側界面近傍に
は、このような原子の配列は見られなかった。
The O ( 1 D) oxide film was cut with a cross-sectional electron microscope (TE).
Observation by M) showed that an atomic image was regularly arranged over several layers at the interface on the substrate side, indicating the presence of a crystal structure. It is known that the conventional thermal oxide film has an amorphous structure, and such an arrangement of atoms was not found near the interface of the thermal oxide film on the substrate side.

【0138】O(D)酸化によって酸化膜の界面近傍
が結晶構造になったのは、O(D)酸化によって酸化
膜とシリコン基板とが強固に結合し、シリコン基板の規
則正しい原子配列が酸化膜の基板側界面近傍に反映され
たためと考えられる。
[0138] O (1 D) of the vicinity of the interface oxide film by oxidation becomes crystalline structure, O (1 D) and oxide film and the silicon substrate are strongly bonded by oxidation, ordered atomic arrangement of the silicon substrate It is considered that this was reflected in the vicinity of the interface of the oxide film on the substrate side.

【0139】酸化膜の界面近傍が、規則正しい原子配列
である結晶構造を示すことは、界面が原子レベルで平坦
であることと対応する。また、結晶構造の酸化膜は、ア
モルファス構造に対して膜質が緻密であり、酸化膜の絶
縁破壊耐性が向上する。
The fact that the vicinity of the interface of the oxide film shows a crystal structure having a regular atomic arrangement corresponds to the fact that the interface is flat at the atomic level. In addition, the oxide film having a crystalline structure is denser in film quality than the amorphous structure, and the dielectric breakdown resistance of the oxide film is improved.

【0140】O(D)がSi−Si結合に入り込むと
考えると、Si(100)面および(111)面とSi
との界面については理解しやすい。
Considering that O ( 1 D) enters Si—Si bond, Si (100) plane and (111) plane
Easy to understand the interface between the O 2.

【0141】すなわち、図8(a)および図8(b)に
示すように、界面のシリコン基板側はSi原子であり、
このSi原子に対してSiO側のO原子が結合する。
That is, as shown in FIGS. 8A and 8B, the silicon substrate side of the interface is a Si atom,
The O atom on the SiO 2 side bonds to this Si atom.

【0142】これらの図には界面のステップ構造の例も
示しており、図7に示した界面のステップ316、3
16、316の一例である。
These figures also show an example of the step structure of the interface, and the steps 316 1 and 316 1 of the interface shown in FIG.
16 2, 316 is an example of a 3.

【0143】図8(c)に、SiO/Si(110)
界面を示す。SiとSi、SiとSiは、それ
ぞれ、同じ原子層にある。O、O、Oは、Si−
Si結合にO(D)が入り込んで結合した状態を示
す。
FIG. 8C shows that the SiO 2 / Si (110)
Shows the interface. Si 1 and Si 3 and Si 2 and Si 4 are each in the same atomic layer. O 1 , O 2 , and O 3 are Si—
This shows a state in which O ( 1 D) enters Si bonds and is bonded.

【0144】SiO/Si(110)界面には、2通
りの化学結合がある(Si−Si、O−S
)。いずれも、界面のシリコン基板側はSi原子で
ある。このSiに結合するSiO側の原子は、一方は
Siのように3個のO原子と結合したSi原子、他方
はOのような酸素原子である。
There are two types of chemical bonds at the SiO 2 / Si (110) interface (Si 1 -Si 2 , O 3 -S
i 4 ). In each case, the silicon substrate side of the interface is Si atoms. One of the atoms on the SiO 2 side bonded to Si is a Si atom bonded to three O atoms like Si 1 , and the other is an oxygen atom like O 3 .

【0145】Si−Si結合は未反応で残っている
が、同一原子層上で隣接するSi−Si結合はO原
子が入り込んで酸化されており、この相違が基板−酸化
膜界面のステップの一例に対応する。
Although the Si 1 -Si 2 bond remains unreacted, the adjacent Si 3 -Si 4 bond on the same atomic layer is oxidized by the incorporation of O atoms. This difference is caused by the interface between the substrate and the oxide film. Corresponds to an example of the step.

【0146】O(D)による酸化では、O原子が酸化
膜−基板界面で必ずSi−Si結合に入り込んでSi−
O−Si結合を形成するので、界面にP欠陥中心(・
SiSi)は現れず、酸化膜中に未反応のSi−Si
結合(酸素空孔、O Si−Si O)も残らな
い。
In the oxidation by O ( 1 D), O atoms always enter Si—Si bonds at the oxide film-substrate interface, and
Since an O-Si bond is formed, a Pb defect center (•
SiSi 3 ) does not appear, and unreacted Si—Si is present in the oxide film.
Bond (oxygen vacancies, O 3 Si-Si O 3 ) also does not remain.

【0147】P欠陥中心は電子スピン共鳴(ESR)
により観測される。従来の熱酸化膜やO(P)酸化膜
で見られたP中心が、O(D)酸化膜では見られな
くなった。
[0147] P b defect centers of the electron spin resonance (ESR)
Observed by The Pb center found in the conventional thermal oxide film or O ( 3 P) oxide film is no longer seen in the O ( 1 D) oxide film.

【0148】酸素空孔は、放射線や強力紫外線などの高
エネルギー電磁波の照射によってE’γ中心(O
i・+Si O+e)となり、P中心と同様
に、ESRによって観測可能になる。従来の熱酸化膜や
O(P)酸化膜では、放射線照射によりE’γ中心が
観測されたが、O(D)では観測されなかった。
Oxygen vacancies are formed at the E′γ center (O 3 S) by irradiation with high-energy electromagnetic waves such as radiation or strong ultraviolet rays.
i · + + Si O 3 + e -) , and the like the P b center, becomes observable by ESR. In the conventional thermal oxide film and O ( 3 P) oxide film, the E′γ center was observed by irradiation, but was not observed in O ( 1 D).

【0149】O(D)酸化膜でP中心やE’γ中心
が見られなかったことは、O(D)酸化膜に欠陥がな
く、膜質が緻密になったことを示している。(参考文
献:「シリコン熱酸化膜とその界面」、相澤編、リアラ
イズ社、1991年)O(D)酸化では、シリコン基
板と酸化膜とが強固に結合するため、酸化膜にかかる応
力は従来の酸化膜より大きくなる。にもかかわらず酸化
膜の電気特性が従来より劣化しないのは、基板−酸化膜
界面の平坦化や膜質緻密化による酸化膜の電気特性向上
効果が大きいためと思われる。
[0149] O (1 D) did not show a P b centers and E'γ centered oxide film, O (1 D) no defect in the oxide film, indicating that the film quality becomes dense . (Reference: "silicon thermal oxide film and the interface", Aizawa, ed., Realize Inc., 1991) In the O (1 D) oxide, since the silicon substrate and the oxide film strongly bonded, the stress applied to the oxide film It becomes larger than the conventional oxide film. Nevertheless, the reason why the electrical characteristics of the oxide film are not deteriorated as compared with the conventional case is considered to be because the effect of improving the electrical characteristics of the oxide film by flattening the interface between the substrate and the oxide film and densifying the film quality is great.

【0150】O(D)酸化膜を電界効果トランジスタ
(MOSFET)のゲート酸化膜とし、電荷キャリアの
移動度を測定したところ、従来の熱酸化膜や酸素ラジカ
ル酸化膜より大きな値であった。これは、シリコン基板
−酸化膜界面の平坦性が従来の酸化膜より向上したた
め、キャリアの移動度が大きくなったものと考えられ
る。
When the O ( 1 D) oxide film was used as a gate oxide film of a field effect transistor (MOSFET) and the mobility of charge carriers was measured, the value was larger than that of a conventional thermal oxide film or oxygen radical oxide film. This is presumably because the flatness of the interface between the silicon substrate and the oxide film was improved as compared with the conventional oxide film, so that the carrier mobility was increased.

【0151】O(D)酸化では、シリコン基板−酸化
膜界面でSi−Si結合間にO原子が効率よく入り込
み、未結合状態のSi原子やO原子の生成が抑制される
ため、界面準位が小さくなる。
In O ( 1 D) oxidation, O atoms efficiently enter between Si—Si bonds at the silicon substrate-oxide film interface, and the generation of unbonded Si atoms and O atoms is suppressed. Position becomes smaller.

【0152】O(D)酸化は、酸化膜中に少量存在す
るSi−H結合に入り込み、より結合エネルギーの高い
Si−O−H結合にする作用があり、この点からも酸化
膜の絶縁破壊耐性を向上させる。
O ( 1 D) oxidation has the effect of penetrating into a small amount of Si—H bonds present in the oxide film to form a Si—O—H bond having a higher binding energy. Improve fracture resistance.

【0153】酸化膜中のSi−H結合が、Si−O−H
結合となることにより絶縁破壊耐性が向上することは、
例えば、佐竹、安田、鳥海、Extended Abstracts of th
e 1995 International Conference on Solid State Dev
ices and Materials、264-266ヘ゜ーシ゛に示されている。
The Si—H bond in the oxide film is
Improving dielectric breakdown resistance by bonding
For example, Satake, Yasuda, Toriumi, Extended Abstracts of th
e 1995 International Conference on Solid State Dev
ices and Materials, 264-266.

【0154】図4に示した酸化装置内のベース圧力は低
い方が好ましい。また、酸化装置内への水分や外気の混
入を極力抑制することが好ましい。
The base pressure in the oxidizing apparatus shown in FIG. 4 is preferably low. In addition, it is preferable to minimize the entry of moisture and outside air into the oxidizer.

【0155】O(D)以外のガス種のシリコン基板と
の反応を抑制し、O(D)によるシリコン基板の酸化
のみを進行させるには、基板温度は、例えば550℃以
下の低温が好ましい。一方、一酸化二窒素ガス自体の窒
化作用を利用し、窒化酸化膜を形成するには、基板温度
をより高温としてもよく、例えば800℃以下にしても
良い。
[0155] O The reaction was quenched with (1 D) other than gas species of the silicon substrate, O in order to proceed only (1 D) oxidation of the silicon substrate by the substrate temperature, for example 550 ° C. The following low temperature preferable. On the other hand, in order to form a nitrided oxide film by utilizing the nitridation effect of nitrous oxide itself, the substrate temperature may be higher, for example, 800 ° C. or lower.

【0156】酸化に好ましい活性種は、酸化膜の形成速
度が高いと考えられる。したがって、そのような酸化膜
を高濃度で基板に供給できれば、より低い温度での酸化
膜の形成が可能となり、酸化装置の簡略化および基板処
理効率(スループット)向上などに寄与する。
Active species preferable for oxidation are considered to have a high oxide film formation rate. Therefore, if such an oxide film can be supplied to a substrate at a high concentration, an oxide film can be formed at a lower temperature, which contributes to simplification of an oxidation apparatus and improvement in substrate processing efficiency (throughput).

【0157】本実施形態で用いたO(D)と同様に、
O(S)も、電子スピン量子数s=0なので、O(
D)と同様に界面平坦化および酸化膜質の緻密化の効果
がある。
As in the case of O ( 1 D) used in this embodiment,
O (1 S) also, because the electron spin quantum number s = 0, O (1
As in D), there are effects of flattening the interface and densifying the oxide film.

【0158】本実施形態では、一酸化二窒素ガスからO
D)を形成するために波長197nmの光を用いた
が、必要とする活性種や光源から発生可能な光の波長に
応じて他の波長の光でも良い。例えば、酸素ガスからO
D)を形成する場合、波長138nmの光を用い
る。
In this embodiment, O 2 gas is converted from nitrous oxide to O 2 gas.
While using light of wavelength 197nm to form a (1 D), it may be light of other wavelengths according to the wavelength of available light generated from the active species and the light source that requires. For example, from oxygen gas to O
When forming the (1 D), using light of wavelength 138 nm.

【0159】光励起による活性種生成反応の速度は、
(励起光強度)×(光吸収断面積)×(その活性種が生
成するための量子効率)×(原料ガス濃度)から与えら
れる。特定の活性種を選択的に形成するには、その生成
のための量子効率が他の活性種生成の量子効率より大き
い波長範囲の励起光を用いることが好ましい。
The rate of the active species generation reaction by photoexcitation is
It is given by (excitation light intensity) × (light absorption cross section) × (quantum efficiency for generating the active species) × (source gas concentration). In order to selectively form a specific active species, it is preferable to use excitation light having a wavelength range in which the quantum efficiency for generating the active species is higher than the quantum efficiency for generating other active species.

【0160】一方、ある活性種を生成するための量子効
率が低い波長の励起光でも、(励起光強度)×(光吸収
断面積)が大きければ、その活性種が高濃度で得られる
可能性がある。
On the other hand, even if the excitation light has a low quantum efficiency for generating a certain active species, if the (excitation light intensity) × (light absorption cross section) is large, the active species may be obtained in a high concentration. There is.

【0161】一酸化二窒素ガスからO(D)が生成す
る光励起反応NO+hν→N+O(D)は、励起
光波長341nm以下で進行する。この励起光のエネル
ギーではNO+hν→N+O(P)も進行可能で
あり、O(D)とともにO(P)も生成し得る。
The photoexcitation reaction N 2 O + hν → N 2 + O ( 1 D) in which O ( 1 D) is generated from dinitrogen monoxide gas proceeds at an excitation light wavelength of 341 nm or less. With the energy of this excitation light, N 2 O + hν → N 2 + O ( 3 P) can also travel, and O ( 3 P) can be generated together with O ( 1 D).

【0162】O(D)の生成効率を高めるには、光励
起反応NO+hν→N+O(D)が量子効率1で
進行するように、波長185〜230nmの範囲内の励
起光を用いることが好ましい。
[0162] To increase production efficiency of the O (1 D), as photoexcitation reaction N 2 O + hν → N 2 + O (1 D) proceeds in quantum efficiency 1, the excitation light in the wavelength range of 185~230nm Preferably, it is used.

【0163】O(D)が量子効率1で生成する185
〜230nmの波長範囲では、励起光波長の増加ととも
に、NOの光吸収断面積が減少する。酸素原子ラジカ
ルが主としてO(D)である雰囲気を得るための励起
光源としては、この範囲内で波長が小さく、かつ光強度
の高いものがより好ましい。
185 generated by O ( 1 D) with quantum efficiency 1
In the wavelength range of 230230 nm, the light absorption cross section of N 2 O decreases as the wavelength of the excitation light increases. As an excitation light source for obtaining an atmosphere in which oxygen atom radicals are mainly O ( 1 D), those having a small wavelength and a high light intensity within this range are more preferable.

【0164】一方、この波長範囲外でO(D)が生成
する量子効率<1の励起光でも、(励起光強度)×(光
吸収断面積)が大きい波長の光を発する光源があれば、
O(D)の濃度を高くする効果が得られる。
On the other hand, even if the excitation light generated by O ( 1 D) outside this wavelength range has a quantum efficiency of <1, even if there is a light source that emits light having a wavelength of (excitation light intensity) × (light absorption cross section) is large. ,
The effect of increasing the concentration of O ( 1 D) is obtained.

【0165】本実施形態では、励起光を光源203によ
り照射したが、光源205を用いて励起光を照射し、基
板表面近傍の活性種濃度を高めても良い。また、これら
の光源203、205を併用しても良い。
In the present embodiment, the excitation light is irradiated by the light source 203. However, the excitation light may be irradiated by the light source 205 to increase the concentration of active species near the substrate surface. Further, these light sources 203 and 205 may be used in combination.

【0166】放電によって酸素ラジカルを形成する原料
ガスとして、一酸化二窒素ガス以外他の酸素原子を有す
る分子のガスを用いても良い。例えば、オゾン
(O)、一酸化窒素(NO)、二酸化窒素(N
)、水蒸気(HO)、過酸化水素(H)等
である。これらのガスや酸素ガスは、純ガスで用いても
良いし、複数のガスを混合したり、ヘリウム、ネオン、
アルゴンのような不活性ガスなどと混合して用いても良
い。オゾンガスは、例えば、図4でバルブ21113を閉
じてバルブ21114および21115を開け、酸素ガスを
オゾナイザー208に導入して発生させる。
As a source gas for forming oxygen radicals by discharge, a gas of a molecule having an oxygen atom other than the dinitrogen monoxide gas may be used. For example, ozone (O 3 ), nitric oxide (NO), nitrogen dioxide (N
O 2 ), water vapor (H 2 O), hydrogen peroxide (H 2 O 2 ), and the like. These gases and oxygen gas may be used as a pure gas, a mixture of a plurality of gases, helium, neon,
It may be used by mixing with an inert gas such as argon. Ozone gas, for example, opens the valve 211 14 and 211 15 by closing the valve 211 13 in FIG. 4, is generated by introducing oxygen gas into the ozonizer 208.

【0167】これら原料ガスのプラズマ雰囲気中でO(
D)やO(S)濃度を高めるため、反応生成物を酸
素ラジカルに励起する光を別途照射しても良い。その波
長は、例えば、図9に示されるような、プラズマ反応の
中間体として形成されると思われる酸素分子(O)の
励起波長とする。あるいは雰囲気中に多く存在すると考
えられる、酸素原子の基底状態O(P)をO(D)
やO(S)に励起する波長範囲の光(図10参照)と
する。あるいは低圧活性種雰囲気中に存在する励起状態
の酸素分子O(aΔ)、O(bΣ )をO
D)やO(S)に励起するエネルギーを持つ波長
範囲の光を照射する(図11、図12参照)。あるいは
以上のような波長の光を併用しても良い。
In the plasma atmosphere of these source gases, O (
To increase the 1 D) and O (1 S) concentration may be a light to excite the reaction product oxygen radicals separately illuminated. The wavelength is, for example, an excitation wavelength of an oxygen molecule (O 2 ) which is considered to be formed as an intermediate of the plasma reaction as shown in FIG. Alternatively, the ground state O ( 3 P) of an oxygen atom, which is considered to be present in a large amount in the atmosphere, is changed to O ( 1 D).
And the O (1 S) to the excitation to the wavelength range of light (see FIG. 10). Alternatively low active species existing in the atmosphere of the excited-state oxygen molecules O 2 (a 1 Δ g) , O 2 and (b 1 Σ g +) O
(1 D) and O is irradiated with light in the wavelength range with energy to excite the (1 S) (see FIG. 11, FIG. 12). Alternatively, light having the above wavelengths may be used in combination.

【0168】また、図9から、波長138nmから17
5nmの励起光では、Oから主としてO(P)とO
D)が形成される。波長110nmから138nm
では、主としてO(D)、O(P)、O(S)が
形成される。波長110以下では、主としてO(D)
とO(S)が形成される。波長175nmから243
nmで形成される活性種は主にO(P)であり、酸化
には好ましくない。
FIG. 9 shows that the wavelength from 138 nm to 17
The excitation light 5 nm, from the O 2 mainly the O (3 P) O
(1 D) is formed. Wavelength from 110 nm to 138 nm
In the case, O ( 1 D), O ( 3 P), and O ( 1 S) are mainly formed. At a wavelength of 110 or less, mainly O ( 1 D)
O (1 S) is formed with. 175 nm to 243 wavelength
The active species formed in nm is mainly O ( 3 P), which is not preferable for oxidation.

【0169】励起波長が小さいほど、スピン量子数s=
0でよりエネルギーの高い活性種が得られ、概ね酸化に
好ましい。一方、励起波長が比較的大きい方法は、光の
エネルギーがさほど大きくなく、光源を比較的容易に用
意できる。
The smaller the excitation wavelength, the smaller the spin quantum number s =
At 0, active species having higher energy can be obtained, which is generally preferable for oxidation. On the other hand, in the method in which the excitation wavelength is relatively large, the light energy is not so large, and the light source can be prepared relatively easily.

【0170】必要とする活性種をより選択的に高濃度で
得るためには、図9に示されたそれぞれの励起光に近い
波長の光を、高い光量で照射することが好ましい。ま
た、酸素原子の基底状態であり、雰囲気中に多く存在す
ると考えられるO(P)をO(D)やO(S)に
励起するため、波長620nm以下の光を例えば光源2
19または光源220から照射しても良い。
In order to more selectively obtain the required active species at a high concentration, it is preferable to irradiate a light having a wavelength close to each excitation light shown in FIG. 9 at a high light amount. Further, in order to excite O ( 3 P), which is a ground state of oxygen atoms and considered to be present in a large amount in the atmosphere, into O ( 1 D) and O ( 1 S), light having a wavelength of 620 nm or less is emitted from the light source 2, for example.
19 or from the light source 220.

【0171】図9から図12には1光子による励起波長
が示されているが、必要な励起エネルギーを多光子励起
により与えても良い。
Although the excitation wavelength by one photon is shown in FIGS. 9 to 12, the necessary excitation energy may be given by multiphoton excitation.

【0172】酸化に好ましい、スピン量子数s=0の活
性種(O(D)、O(S))は、O(P)より高
いエネルギー状態である。このため、雰囲気中の他のガ
スとの衝突頻度が高いと、OやO(P)などに失活
しやすい。他のガス分子との衝突によるこれら活性種の
失活を防止するため、雰囲気圧力は概ね10Torr以
下の低圧にすることが好ましい。
Active species (O ( 1 D), O ( 1 S)) having a spin quantum number s = 0, which are preferable for oxidation, have a higher energy state than O ( 3 P). For this reason, if the frequency of collision with another gas in the atmosphere is high, the gas is easily deactivated to O 2 or O ( 3 P). In order to prevent deactivation of these active species due to collision with other gas molecules, it is preferable to set the atmospheric pressure to a low pressure of about 10 Torr or less.

【0173】雰囲気圧力が10Torrを越えると、O
D)やO(P)は反応O(D、P)+O
M→O+M(Mは第3体分子)によってオゾンに変化
するので好ましくない。
When the atmospheric pressure exceeds 10 Torr, O
(1 D) and O (3 P) the reaction O (1 D, 3 P) + O 2 +
M → O 3 + M (M is a third body molecule) changes into ozone, which is not preferable.

【0174】この反応は3分子反応なので、圧力を低く
すれば進行速度が極めて小さくなる。特に、酸素ガス中
あるいはオゾンガス中でのO(D)のO(P)への
失活を抑制するためには、圧力を1mTorr程度以下
にすることが好ましい。
Since this reaction is a three-molecule reaction, if the pressure is reduced, the traveling speed becomes extremely low. In particular, in order to suppress the deactivation of O ( 1 D) into O ( 3 P) in oxygen gas or ozone gas, the pressure is preferably set to about 1 mTorr or less.

【0175】上述した酸素原子を有する分子のガスに対
しては、放電を行なわずに励起光だけで励起しても良
い。その場合、各分子からO(D)やO(S)が選
択的に形成される光を照射することが好ましい。O(
P)をO(D)に励起するため、波長620nm以下
の光を照射しても良い。
The above-described molecular gas having an oxygen atom may be excited only by excitation light without performing discharge. In that case, it is preferable to irradiate light in which O ( 1 D) or O ( 1 S) is selectively formed from each molecule. O ( 3
In order to excite P) to O ( 1 D), light having a wavelength of 620 nm or less may be irradiated.

【0176】O(D)は酸素原子ラジカルの励起状態
であり、雰囲気中のガス分子との衝突により、基底状態
のラジカルO(P)に失活しやすい。O(D)が主
なラジカルである活性種雰囲気を実現するためには、O
D)がO(P)に失活する反応の速度定数が小さ
いガス分子を用いることが好ましい。かつO(D)生
成源となるようにO原子を含むガス分子がより好まし
い。
O ( 1 D) is an excited state of an oxygen atom radical, and is easily deactivated to a ground-state radical O ( 3 P) by collision with gas molecules in the atmosphere. In order to realize an active species atmosphere in which O ( 1 D) is the main radical, O
It is preferable to use gas molecules having a small rate constant for the reaction of deactivating ( 1 D) to O ( 3 P). Further, a gas molecule containing an O atom so as to be an O ( 1 D) generation source is more preferable.

【0177】D. L. Baulchら、Journal of Physical and
Chemical Reference Data 第11巻2号327〜496ヘ゜ーシ゛(19
82年)によると、従来O(D)発生に用いられてきた
酸素ガス(O)およびオゾンガス(O)では、O(
D)をO(P)に失活させる反応O(D)+M→
O(P)+products、M=Oor O、Productsは
Mの励起状態など)の速度定数は、298Kにおいてそ
れぞれ、4×10-11cm3 molecule-1-1
よび1.2×10-10cm3 molecule- 1-1
ある。
DL Baulch et al., Journal of Physical and
Chemical Reference Data Vol. 11, No. 2, 327-496 pages (19
According to (1982), oxygen gas (O 2 ) and ozone gas (O 3 ) conventionally used for O ( 1 D) generation include O (
1 reaction O (1 D deactivating D) to O (3 P)) + M
The rate constants of O ( 3 P) + products, M = O 2 or O 3 , and Products are the excited state of M are 4 × 10 −11 cm 3 molecular −1 s −1 and 1.2 × at 298 K, respectively. 10 -10 cm 3 molecule - a 1 s -1.

【0178】したがって、O(D)をO(P)に失
活させる反応の速度定数が4×10-11cm3 mole
cule-1-1より小さいガス分子を主な雰囲気ガスに
用いれば、O(D)濃度が従来のO雰囲気あるいは
雰囲気より高い酸素ラジカル雰囲気が、より高い圧
力で実現できる。
Therefore, the rate constant of the reaction for inactivating O ( 1 D) to O ( 3 P) is 4 × 10 −11 cm 3 mole.
With the cule -1 s -1 smaller gas molecules in main ambient gas, O (1 D) concentration is high oxygen radical atmosphere than conventional O 2 atmosphere or O 3 atmosphere can be achieved at higher pressures.

【0179】以上の要請を満たすガスとして、例えば、
一酸化二窒素(NO)ガスがある。NO分子による
O(D)のO(P)への失活反応速度定数は、Ba
ulchらによると1×10-12cm3 molecul
-1-1未満である。
As the gas satisfying the above requirements, for example,
There is nitrous oxide (N 2 O) gas. The rate constant for the inactivation of O ( 1 D) to O ( 3 P) by N 2 O molecules is Ba
According to ulch et al., 1 × 10 -12 cm 3 molecular
It is less than e -1 s -1 .

【0180】シリコン基板の酸化では、酸化種が酸化膜
中を拡散して基板一酸化膜界面に到達する必要がある。
O(D)による酸化では、酸化膜の酸化雰囲気側表面
から奥に行くほどO(D)が失活し、ラジカル濃度が
小さくなると思われる。
In oxidizing a silicon substrate, it is necessary that oxidizing species diffuse in the oxide film and reach the interface between the substrate and the oxide film.
The oxidation by O (1 D), O toward the rear from the oxidizing atmosphere side surface of the oxide film (1 D) is deactivated, seems to radical density decreases.

【0181】また、上述のように、O(D)以外のガ
ス種と基板との反応を抑制し、O(D)による酸化の
効果を高めるためには、基板温度を概ね550℃以下の
低温とすることが好ましい。
As described above, in order to suppress the reaction between the substrate and a gas species other than O ( 1 D), and to enhance the effect of oxidation by O ( 1 D), the substrate temperature is generally set to 550 ° C. or lower. Is preferably low.

【0182】このような低温におけるO(D)の酸化
膜内への侵入深さを考慮すると、O(D)による基板
−酸化膜界面の酸化作用が大きいのは、酸化膜厚が概ね
5nm以下の範囲である。
[0182] In view of the penetration depth into the oxide film in the O (1 D) in such a low temperature, the substrate according to O (1 D) - the large oxidation action of the oxide film interface, the oxide film thickness is generally The range is 5 nm or less.

【0183】O(1D)酸化によって形成された酸化膜
では、膜質が従来の乾燥酸素による熱酸化膜より緻密に
なるため、密度が熱酸化膜より大きくなった。従来の熱
酸化膜の密度は概ね2.1g/cm3 である。一方、酸
化膜が最高に緻密な状態での密度は、固体二酸化珪素の
中で最大の密度である石英の2.6〜2.7g/cm3
であると思われる。したがって、一重項酸素ラジカル酸
化によって形成される酸化膜の密度は、2.1g/cm
3 を越え2.7g/cm3 以下の範囲となる。
The density of the oxide film formed by O ( 1 D) oxidation was higher than that of the conventional thermal oxide film made of dry oxygen because the film quality was higher than that of the conventional thermal oxide film formed by dry oxygen. The density of the conventional thermal oxide film is approximately 2.1 g / cm 3 . On the other hand, the density when the oxide film is in the densest state is 2.6 to 2.7 g / cm 3 of quartz which is the highest density in solid silicon dioxide.
It seems to be. Therefore, the density of the oxide film formed by singlet oxygen radical oxidation is 2.1 g / cm.
It exceeds 3 and is 2.7 g / cm 3 or less.

【0184】酸化膜の密度は、酸化膜が形成された基板
と酸化膜をフッ酸エッチングにより剥離した基板との重
量差と、酸化膜厚から求めた。X線の反射を利用して酸
化膜の密度を求める方法が、例えば、Hasegawaから、Jou
rnal of Electrochemical Society誌第142巻1号273〜28
2ヘ゜ーシ゛(1995年)において報告されている。
The density of the oxide film was determined from the weight difference between the substrate on which the oxide film was formed and the substrate from which the oxide film was removed by hydrofluoric acid etching, and the oxide film thickness. A method of obtaining the density of an oxide film using X-ray reflection is described in, for example, Hasegawa, Jou
rnal of Electrochemical Society Vol. 142 No. 1 273-28
2 Base (1995).

【0185】以上述べてきたことから、本実施形態の製
造方法によって製造されたメモリセルは、以下の特徴を
有する。すなわち、トンネル酸化膜103の密度は、
2.1g/cm3 より高く2.7g/cm3 以下であ
る。シリコン基板101とトンネル酸化膜103との
界面に原子レベルで混合が無く、該界面のステップの高
さは一原子層以下である。また、該界面のトンネル酸化
103膜側が結晶構造を有する。
As described above, the memory cell manufactured by the manufacturing method of this embodiment has the following features. That is, the density of the tunnel oxide film 103 1,
It is higher than 2.1 g / cm 3 and 2.7 g / cm 3 or less. Silicon substrate 101 and there is no interface mixed at the atomic level between the tunnel oxide film 103 1, the height of the interface of the step is not more than one atom layer. Further, the tunnel oxide 103 1 film side of the interface has a crystalline structure.

【0186】酸素原子ラジカルがトンネル酸化膜103
中に失活せずに侵入できる深さを考慮すると、一重項
酸素原子ラジカルによる酸化によるトンネル酸化膜10
の電気特性の改善効果が特に大きいのは、膜厚5n
m以下の場合である。
Oxygen atom radicals form tunnel oxide film 103
In consideration of the depth at which the tunnel oxide film 10 can penetrate without deactivation, the tunnel oxide film 10 is oxidized by singlet oxygen atom radicals.
3 of 1 is particularly large improvement in the electrical properties, the film thickness 5n
m or less.

【0187】活性種の励起状態を選別する方法として、
磁場を用いることも可能である。すなわち、酸化に好ま
しい活性種O(D)およびO(S)は、電子スピン
量子数s=0であり、価電子のスピンが対をなしている
ので(↑↓)外部磁場から受ける外力は小さい。
As a method for selecting the excited state of the active species,
It is also possible to use a magnetic field. That is, the active species O ( 1 D) and O ( 1 S), which are preferable for oxidation, have an electron spin quantum number s = 0, and the valence electrons form a pair (↑ ↓). Is small.

【0188】一方、酸化に好ましくない活性種O
P)はs=1であり、2個の価電子のスピンがいず
れも上向き(↑↑)あるいは下向き(↓↓)なので、磁
場から大きな外力を受ける。
On the other hand, the active species O which is not
(3 P) is s = 1, since neither of the two valence electron spin upward (↑↑) or downward (↓↓), it receives a large external force from the magnetic field.

【0189】したがって、これらの活性種を含むプラズ
マ雰囲気流に対して垂直に磁場を印加すると、O
P)は進行方向が大きく変えられ、装置内壁に衝突
して除かれる割合が多くなり、磁場によってさほど方向
変化を受けないO(D)やO(S)の割合が高くな
る。
Therefore, when a magnetic field is applied perpendicularly to the plasma atmosphere flow containing these active species, O
(3 P) is traveling direction is changed greatly, the ratio to be removed by colliding with the inner walls of the apparatus is increased, the proportion of not less subjected to directional change by a magnetic field O (1 D) and O (1 S) becomes higher.

【0190】このような、電子スピンを有する粒子の磁
場による方向変化は、シュテルン−ゲルラッハ(Stern-
Gerlach)の実験として知られている。
Such a change in direction of a particle having an electron spin due to a magnetic field is caused by Stern-Gerlach.
Gerlach).

【0191】磁場による粒子の進行方向の変化は、中性
粒子より正・負イオンの方が大きい。したがって、磁場
を印加することは、活性種雰囲気中に含まれるイオンを
除去し、形成されるトンネル酸化膜(ゲート酸化膜)の
イオンによる損傷を防止する効果もある。
The change in the traveling direction of the particles due to the magnetic field is larger for positive and negative ions than for neutral particles. Therefore, applying a magnetic field also has the effect of removing ions contained in the atmosphere of the active species and preventing the formed tunnel oxide film (gate oxide film) from being damaged by the ions.

【0192】磁場は、例えば磁石204または磁石20
6により印加する。これら磁石204、206は永久磁
石でも電磁石でも良い。
The magnetic field is generated, for example, by the magnet 204 or the magnet 20.
6 to apply. These magnets 204 and 206 may be permanent magnets or electromagnets.

【0193】以上述べたように本実施形態によれば、酸
素活性種を用いたトンネル酸化膜の形成工程において、
酸化力の高い、酸化に最適な活性種の濃度を選択的に高
めた雰囲気中にシリコン基板を晒すことによって、酸化
が効率よく進行し、従来より低温でのトンネル酸化膜の
形成が可能となるとともに、トンネル酸化膜中の格子欠
陥などのトラップサイトが解消されて緻密な膜質とな
り、シリコン基板−トンネル酸化膜界面が平坦化され、
トンネル酸化膜の電気的信頼性(例えばストレス誘起リ
ーク電流)が向上する。また、本実施形態の方法が従来
方法と異なる点は、基本的には酸化種の違いだけである
ので、プロセス数が増加したり、プロセスが複雑になる
という問題はない。
As described above, according to the present embodiment, in the step of forming a tunnel oxide film using oxygen active species,
By exposing the silicon substrate to an atmosphere having a high oxidizing power and selectively increasing the concentration of active species optimal for oxidation, oxidation proceeds efficiently, and a tunnel oxide film can be formed at a lower temperature than before. At the same time, trap sites such as lattice defects in the tunnel oxide film are eliminated, resulting in dense film quality, and the silicon substrate-tunnel oxide film interface is flattened,
The electrical reliability (for example, stress-induced leak current) of the tunnel oxide film is improved. Also, the method of the present embodiment differs from the conventional method only in the difference of the oxidizing species, and thus there is no problem that the number of processes increases or the processes become complicated.

【0194】本第1の実施形態において、O(D)の
酸化は、550℃以下が好ましいと述べたが、通常の酸
素ラジカルO(P)と、O(D)とは、シリコンの
酸化力の温度依存性が異なる。O(P)の酸化力が、
550℃以下の温度では、小さいので、酸化にラジカル
を使うことによる酸化膜の電気的信頼性向上効果を得る
には、従来のO(P)より反応性が高いO(D)を
用いる必要がある。ここでラジカルによる酸化膜の電気
的信頼性向上効果とは、酸化膜中のO原子欠損に酸素ラ
ジカルが入り込み、酸化膜中のトラップサイトを修復
し、酸化膜の絶縁破壊耐性を改善する効果である。これ
に対し、温度が550℃を越えると、O(P)の反応
性が高まり、酸化膜の電気的信頼性向上効果が充分に得
られる。また、酸化温度を高めることにより酸化膜形成
速度も向上し、半導体装置のスループットも改善され
る。
In the first embodiment, it has been described that the oxidation of O ( 1 D) is preferably performed at 550 ° C. or lower. However, ordinary oxygen radicals O ( 3 P) and O ( 1 D) are Temperature dependence of the oxidizing power of the catalyst. The oxidizing power of O ( 3 P)
At a temperature of 550 ° C. or lower, O ( 1 D) having higher reactivity than conventional O ( 3 P) is used to obtain an effect of improving electrical reliability of an oxide film by using radicals for oxidation. There is a need. Here, the effect of the radical to improve the electrical reliability of the oxide film is an effect that oxygen radicals enter oxygen atom vacancies in the oxide film, repair trap sites in the oxide film, and improve the dielectric breakdown resistance of the oxide film. is there. On the other hand, when the temperature exceeds 550 ° C., the reactivity of O ( 3 P) increases, and the effect of improving the electrical reliability of the oxide film can be sufficiently obtained. In addition, by increasing the oxidation temperature, the speed of forming an oxide film is improved, and the throughput of the semiconductor device is also improved.

【0195】(第2の実施形態)次に本発明の第2の実
施形態に係わるEEPROMのメモリセルの製造方法に
ついて説明する。
(Second Embodiment) Next, a method for manufacturing an EEPROM memory cell according to a second embodiment of the present invention will be described.

【0196】本実施形態の製造方法が第1の実施形態と
異なる点は、前半の製造方法中のトンネル酸化膜の形成
方法にある。
The manufacturing method of this embodiment differs from the first embodiment in the method of forming a tunnel oxide film in the first half of the manufacturing method.

【0197】図13(a)の工程は図2(a)の工程と
同様である。すなわち、p型シリコン基板101の表面
にトレンチ溝120を形成した後、例えば、液相CVD
法等のCVD法を用いて、シリコン酸化膜102により
トレンチ溝120の内部を埋め込み、素子分離を行な
う。
The step of FIG. 13A is the same as the step of FIG. 2A. That is, after forming the trench 120 on the surface of the p-type silicon substrate 101, for example, liquid phase CVD is performed.
The inside of the trench 120 is buried with the silicon oxide film 102 using a CVD method such as a CVD method to perform element isolation.

【0198】次に図13(b)に示すように、例えば8
00℃の従来技術である酸素ラジカル雰囲気中にシリコ
ン基板101を例えば30分間晒して、シリコン基板1
01の表面に膜厚9nmのトンネル酸化膜(下地トンネ
ル酸化膜)1031aを形成する。
Next, as shown in FIG.
The silicon substrate 101 is exposed to, for example, 30 minutes in an oxygen radical atmosphere at 00 ° C.
Thickness 9nm of the tunnel oxide film 01 is formed on the surface of the (underlying tunnel oxide film) 103 1a.

【0199】この酸素ラジカルによる酸化は、例えば、
図4に示した酸化装置を用いて行なう。なお、図4に示
した装置は、酸素ラジカルを用いなくても酸化を行なえ
るものであり、本実施形態の酸化には不要な構成も備え
ている。
Oxidation by oxygen radicals includes, for example,
This is performed using the oxidizing apparatus shown in FIG. The apparatus shown in FIG. 4 can perform oxidation without using oxygen radicals, and has a configuration unnecessary for the oxidation of the present embodiment.

【0200】酸素ラジカルは、酸素(O)ガスの流量
をマスフローコントローラ212により制御して、例
えば、流量800sccmの酸素ガスを石英管201内
に導入し、この酸素ガスを放電電極202によって励起
することにより生成する。このようにして生成された酸
素ラジカルはダウンフローによりp型シリコン基板10
1に供給される。
[0200] Oxygen radicals oxygen (O 2) flow rate of gas is controlled by the mass flow controller 212 7, for example, an oxygen gas flow rate of 800sccm introduced into the quartz tube 201, exciting the oxygen gas by the discharge electrodes 202 And generate it. Oxygen radicals generated in this manner are converted into a p-type silicon substrate 10 by downflow.
1 is supplied.

【0201】ここで、石英管201内の圧力は排気系に
より制御され、例えば、5Torrであり、また、酸素
流量はマスフローコントローラ112によって制御さ
れ、例えば、800sccmである。
[0202] Here, the pressure in the quartz tube 201 is controlled by the exhaust system, for example, a 5 Torr, The oxygen flow rate is controlled by mass flow controller 112 7, for example, 800 sccm.

【0202】好ましくは、精製工程として、酸素ガスを
ガス精製器210に通し、酸素ガスに微量に混入してい
る、例えば、水分や二酸化炭素等の不純物を取り除く。
Preferably, as a purification step, oxygen gas is passed through a gas purifier 210 to remove impurities, such as moisture and carbon dioxide, mixed in a small amount into the oxygen gas.

【0203】p型シリコン基板101は、例えば、ヒー
ター207により加熱される。
The p-type silicon substrate 101 is heated by, for example, a heater 207.

【0204】次に図13(c)に示すように、p型シリ
コン基板101を、例えば、800℃の活性種O
D)雰囲気中に、例えば、60分晒すことにより、
トンネル酸化膜1031aを改質し、膜厚10nmのト
ンネル酸化膜1031bを形成する。O(D)雰囲気
中での酸化は、例えば、第1の実施形態と同様に行な
う。
Next, as shown in FIG. 13C, the p-type silicon substrate 101 is, for example,
During (1 D) atmosphere, e.g., by exposure for 60 minutes,
Modify the tunnel oxide film 103 1a, a tunnel oxide film 103 1b with a thickness of 10 nm. Oxidation in an O ( 1 D) atmosphere is performed, for example, in the same manner as in the first embodiment.

【0205】最後に、第1の実施形態で説明した図3
(c)〜図3(e)の工程と同様の工程を経て、EEP
ROMのメモリセルが完成する。
Finally, FIG. 3 described in the first embodiment
Through the steps similar to those shown in FIGS.
The memory cells of the ROM are completed.

【0206】本実施形態の方法に従って製造したメモリ
セルのトンネル酸化膜を、断面を透過型電子顕微鏡(T
EM)により観測し、従来方法により形成したそれと比
較した。
The cross section of the tunnel oxide film of the memory cell manufactured according to the method of the present embodiment is shown by a transmission electron microscope (T
EM) and compared with those formed by conventional methods.

【0207】その結果、第1の実施形態と同様に、本実
施形態の方法(O(D)酸化)を用いた場合のシリコ
ン基板−トンネル酸化膜界面は、従来方法(O(P)
酸化、乾燥酸素酸化)を用いた場合のシリコン基板−ト
ンネル酸化膜界面よりも平坦であった。また、Qbd
も、従来方法(O(P酸化))により得れたトンネル
酸化膜より大きい値であった。
[0207] As a result, as in the first embodiment, the silicon substrate in the case of using the method of this embodiment (O (1 D) oxide) - tunnel oxide film interface is conventionally method (O (3 P)
(Oxidation, dry oxygen oxidation) was flatter than the interface between the silicon substrate and the tunnel oxide film. Also, Qbd
Was also a conventional method tunnel oxide film is greater than value obtained by (O (3 P oxide)).

【0208】これらの結果は、酸化力が高く酸化に好ま
しい活性種O(D)を、従来方法によるトンネル酸化
膜である、酸素ラジカルにより形成されたトンネル酸化
膜1031aの改質に用いたことにより、界面が平担化
され、トンネル酸化膜1031aの膜質が緻密化された
ものと考えられる。
[0208] These results, preferred active species O to high oxidation oxidizing force (1 D), a tunnel oxide film by the conventional method, was used for the reforming of the formed tunnel oxide film 103 1a by oxygen radicals by, interface is planarized, it is considered that the quality of the tunnel oxide film 103 1a densified.

【0209】本実施形態は、酸化に好ましい活性種O(
D)の濃度が小さく、トンネル酸化膜の形成速度が遅
い場合、必要とするトンネル酸化膜厚に近い膜厚の下地
トンネル酸化膜をより酸化速度の速い別の酸化方法(酸
素ラジカル酸化)で形成し、これをO(D)雰囲気に
よって改質するとともに、シリコン基板−酸化膜界面を
平坦化し、所望の膜厚のトンネル酸化膜を形成するとい
う方法である。したがって、全体として成膜効率が高く
なるという特徴がある。
In the present embodiment, the active species O (
When the concentration of 1D) is low and the formation rate of the tunnel oxide film is low, the underlying tunnel oxide film having a thickness close to the required tunnel oxide film thickness is formed by another oxidation method (oxygen radical oxidation) having a higher oxidation rate. formed, as well as modified by this O (1 D) atmosphere, a silicon substrate - planarized oxide film interface is a method of forming a desired film thickness of the tunnel oxide film. Therefore, there is a feature that the film forming efficiency is increased as a whole.

【0210】なお、本実施形態では、下地トンネル酸化
膜として酸素ラジカルによる酸化膜を使用したが、その
代わりに、例えば、オゾン酸化膜、乾燥酸素による熱酸
化膜や、水蒸気雰囲気によるwet酸化膜を使用しても
良い。
In this embodiment, an oxide film by oxygen radicals is used as the underlying tunnel oxide film. Instead, for example, an ozone oxide film, a thermal oxide film by dry oxygen, or a wet oxide film by steam atmosphere is used. May be used.

【0211】下地のオゾン酸化膜は、例えば、O/O
〜7%のオゾン含有ガスをオゾナイザーで形成し、例
えば900度に加熱したシリコン基板表面を、例えば1
5分間、このオゾン含有ガス雰囲気に晒して形成する。
雰囲気圧力は、例えば10Torrとし、形成されるシ
リコン酸化膜の厚さは例えば8nmとする。
The underlying ozone oxide film is, for example, O 3 / O
An ozone-containing gas of 2 to 7% is formed by an ozonizer, and the surface of a silicon substrate heated to, for example, 900 ° C., is
It is formed by exposing to this ozone-containing gas atmosphere for 5 minutes.
The ambient pressure is, for example, 10 Torr, and the thickness of the formed silicon oxide film is, for example, 8 nm.

【0212】下地の熱酸化膜は、例えば1000℃に加
熱したシリコン基板表面を、例えば3分間、常圧の乾燥
酸素雰囲気に晒して形成する。形成されるシリコン酸化
膜の厚さは例えば8nmとする。
The underlying thermal oxide film is formed by exposing the surface of the silicon substrate heated to, for example, 1000 ° C. to a dry oxygen atmosphere at normal pressure for 3 minutes, for example. The thickness of the formed silicon oxide film is, for example, 8 nm.

【0213】下地のwet酸化膜は、例えば900度に
加熱したシリコン基板表面を、例えば5分間、常圧の水
素燃焼雰囲気に晒して形成する。形成されるシリコン酸
化膜の厚さは例えば8nmとする。
The underlying wet oxide film is formed by exposing the surface of a silicon substrate heated to, for example, 900 ° C. to a normal-pressure hydrogen combustion atmosphere for, for example, 5 minutes. The thickness of the formed silicon oxide film is, for example, 8 nm.

【0214】O(D)雰囲気中で処理される下地酸化
膜として、CVD法やスピン・オン・グラス法により形
成されたシリコン酸化膜を用いても良い。
A silicon oxide film formed by a CVD method or a spin-on-glass method may be used as a base oxide film to be processed in an O ( 1 D) atmosphere.

【0215】(第3の実施形態)第2の実施形態では、
酸素ラジカルO(P)を酸化に用いて800℃で酸化
膜を形成し、この酸化膜をさらにO(D)酸化によっ
て改質する例を述べた。ここで、800℃のO(P)
酸化によって生成した、O(D)により改質する前の
酸化膜を調べたところ、乾燥酸素雰囲気で形成された従
来の熱酸化膜に対し、Qbd(絶縁破壊に至るまで酸化
膜を通過した全電子量)が大きくなり、また酸化膜/基
板界面の平坦性が向上し、酸化膜の密度も増加してい
た。従って、550℃を越える温度での酸化では、O(
P)を用いても、酸化膜の絶縁破壊耐性の向上効果が
得られることが明らかである。
(Third Embodiment) In the second embodiment,
An example has been described in which an oxide film is formed at 800 ° C. using oxygen radicals O ( 3 P) for oxidation, and the oxide film is further modified by O ( 1 D) oxidation. Here, O ( 3 P) at 800 ° C.
When the oxide film formed by oxidation and before being modified by O ( 1 D) was examined, the thermal oxide film formed in a dry oxygen atmosphere passed through the oxide film until Qbd (dielectric breakdown occurred). (The total amount of electrons) was increased, the flatness of the oxide film / substrate interface was improved, and the density of the oxide film was also increased. Therefore, oxidation at temperatures above 550 ° C. results in O (
Be used 3 P), it is clear that the effect of improving the dielectric breakdown resistance of the oxide film can be obtained.

【0216】本第3の実施形態では、O(P)を用い
た550℃を越える温度での酸化による実施形態を説明
する。
In the third embodiment, an embodiment will be described in which O (3P) is oxidized at a temperature exceeding 550 ° C. using O ( 3 P).

【0217】O(P)を用いる酸化は基板温度が55
0℃を越えることが好ましく、より好ましくは、O(
P)の反応性を高め、かつ乾燥酸化による酸化膜の成長
を抑制するために、基板温度が600℃を越えて950
℃以下の範囲とする。
Oxidation using O ( 3 P) has a substrate temperature of 55
The temperature is preferably higher than 0 ° C., more preferably O ( 3
In order to increase the reactivity of P) and suppress the growth of an oxide film due to dry oxidation, the substrate temperature exceeds 950 ° C. and reaches 950 ° C.
It should be in the range of ℃ or less.

【0218】図14は、ラジカル酸化(O(P)を酸
化に用いた酸化)と従来の乾燥酸化(Oを酸化に用い
た酸化)とで、酸化膜形成速度を比較した図である。図
14は、厚さ6nmの酸化膜形成に要する時間を表して
おり、時間が短いほど酸化速度が高いことを示してい
る。酸化温度700〜900℃の範囲でラジカル酸化の
方が乾燥酸化より速く進行し、O(P)の酸化力が高
いことを示している。ラジカル酸化で温度の低下ととも
に厚さ6nmの形成時間が大きくなっていることは、温
度変化に伴うO(P)の酸化力の低下を示している。
FIG. 14 is a diagram comparing the oxide film formation rate between radical oxidation (oxidation using O ( 3 P) for oxidation) and conventional dry oxidation (oxidation using O 2 for oxidation). . FIG. 14 shows the time required for forming an oxide film having a thickness of 6 nm, and indicates that the shorter the time, the higher the oxidation rate. Radical oxidation proceeds faster than dry oxidation in the oxidation temperature range of 700 to 900 ° C., indicating that O ( 3 P) has a higher oxidizing power. The increase in the formation time of the thickness of 6 nm with a decrease in temperature due to radical oxidation indicates a decrease in the oxidizing power of O ( 3 P) with a change in temperature.

【0219】図15は、ラジカル酸化(O(P)を酸
化に用いた酸化)と従来の乾操酸化(Oを酸化に用い
た酸化)とで、酸化膜のQbd(絶縁破壊に至るまで酸
化膜を通過した全電子量)を比較した図である。酸化温
度700℃ではラジカル酸化のQbdが乾燥酸化の約4
倍と大きく、ラジカル酸化により酸化膜の絶縁破壊耐性
が向上したことを示している。温度900℃でも、ラジ
カル酸化のQbdは乾燥酸化の約2倍であり、ラジカル
酸化は酸化膜の電気的信頼性向上に有効である。
FIG. 15 shows the results of radical oxidation (oxidation using O ( 3 P) for oxidation) and conventional dry oxidation (oxidation using O 2 for oxidation), which results in Qbd (dielectric breakdown) of the oxide film. FIG. 4 is a diagram comparing the total amount of electrons that have passed through the oxide film up to the present. At an oxidation temperature of 700 ° C., Qbd of radical oxidation is about 4 times of dry oxidation.
This is twice as large, indicating that the dielectric oxidation has improved the dielectric breakdown resistance of the oxide film. Even at a temperature of 900 ° C., Qbd of radical oxidation is about twice that of dry oxidation, and radical oxidation is effective for improving the electrical reliability of an oxide film.

【0220】ここで、ラジカル酸化は、例えば、周波数
2.45GHz、出力200Wのマイクロ波放電を低圧
の酸素ガスに印加し、このプラズマのダウンフロー雰囲
気中にシリコン基板を晒して行った。雰囲気圧力は例え
ば5Torrとした。乾燥酸化は、例えば、900℃、
常圧の乾燥酸素雰囲気にシリコン基板晒して行った。
Here, the radical oxidation was performed, for example, by applying a microwave discharge at a frequency of 2.45 GHz and an output of 200 W to a low-pressure oxygen gas, and exposing the silicon substrate to this plasma downflow atmosphere. The atmosphere pressure was, for example, 5 Torr. Dry oxidation is, for example, 900 ° C.
The test was performed by exposing the silicon substrate to a dry oxygen atmosphere at normal pressure.

【0221】酸素ラジカルO(P)を酸化に用いて平
坦な酸化膜/シリコン層界面形成後、酸化膜を除去する
ことによる本実施形態のようなシリコン表面の平坦化に
関しては、酸化温度550℃以下でも効果がある。しか
し550℃を越える酸化温度にすると、ラジカルの反応
性が高まるので酸化膜/シリコン層界面の平坦性が向上
し、酸化膜除去後のシリコン表面の平坦性がさらに高ま
る。
After forming a flat oxide film / silicon layer interface by using oxygen radicals O ( 3 P) for oxidation, flattening the silicon surface as in the present embodiment by removing the oxide film is performed at an oxidation temperature of 550. It is effective even at ℃ or lower. However, when the oxidation temperature exceeds 550 ° C., the reactivity of radicals is increased, so that the flatness of the oxide film / silicon layer interface is improved, and the flatness of the silicon surface after removing the oxide film is further improved.

【0222】酸素ラジカルO(P)を用いて形成され
たラジカル酸化膜と乾燥酸化で形成された熱酸化膜とに
ついて、X線反射法を用いて酸化膜の密度を比較した。
密度測定に用いた酸化膜試料の形成条件は、例えば、ラ
ジカル酸化が930℃、5Torr、15分、乾燥酸化
が900℃、常圧、10分である。
The density of the oxide film was compared by using an X-ray reflection method between a radical oxide film formed using oxygen radicals O ( 3 P) and a thermal oxide film formed by dry oxidation.
The formation conditions of the oxide film sample used for the density measurement are, for example, 930 ° C. for radical oxidation, 5 Torr for 15 minutes, and 900 ° C. for dry oxidation for 10 minutes at normal pressure.

【0223】酸化膜の密度は厚さ方向に対して変化する
ので、酸化膜が酸化膜/基板界面側と酸化雰囲気側とに
分かれるという2層モデルを仮定すると次のようになっ
た。
Since the density of the oxide film changes in the thickness direction, assuming a two-layer model in which the oxide film is divided into the oxide film / substrate interface side and the oxidizing atmosphere side, the following results are obtained.

【0224】ラジカル酸化膜では、酸化膜/基板界面側
の概ね11nmの領域の密度が2.386g/cm3
あり、酸化雰囲気側の概ね2nmの部分の密度は2.2
80g/cm3 であった。
In the radical oxide film, the density of a region of about 11 nm on the oxide film / substrate interface side is 2.386 g / cm 3 , and the density of about 2 nm on the oxidizing atmosphere side is 2.2.
It was 80 g / cm 3 .

【0225】熱酸化膜は酸化膜が概ね2.3g/cm3
の密度であるのに対し、ラジカル酸化膜は大半の部分の
密度が概ね2.4g/cm3 であり、酸化膜の膜質が緻
密であることを示している。ラジカル酸化膜の膜質が熱
酸化膜より緻密であることは、図15に示されているよ
うに、前者の酸化膜のQbdが後者より大きいことに反
映されている。
The thermal oxide film has an oxide film of approximately 2.3 g / cm 3.
In contrast, the density of the radical oxide film is almost 2.4 g / cm 3 , which indicates that the quality of the oxide film is dense. The fact that the radical oxide film is denser than the thermal oxide film reflects the fact that the former oxide film has a larger Qbd than the latter, as shown in FIG.

【0226】前の実施形態で述べたO(D)酸化によ
る下地トンネル酸化膜の改善効果と同様に、550℃を
越える高温では、O(P)酸化でも下地酸化膜の改善
効果がある。
At a high temperature exceeding 550 ° C., O ( 3 P) oxidation also has an effect of improving the underlying oxide film, similar to the effect of improving the underlying tunnel oxide film by O ( 1 D) oxidation described in the previous embodiment. .

【0227】下地酸化膜として、例えば、1000℃に
加熱したシリコン基板表面を、例えば、3分間、常圧の
水素燃焼雰囲気に晒し、例えば、厚さ8nmの熱酸化膜
を形成する。
As a base oxide film, for example, the surface of a silicon substrate heated to 1000 ° C. is exposed to a hydrogen combustion atmosphere at normal pressure for 3 minutes, for example, to form a thermal oxide film having a thickness of 8 nm, for example.

【0228】また下地酸化膜として、例えば900℃に
加熱したシリコン基板表面を、例えば、5分間、常圧の
水素燃焼雰囲気に晒し、例えば、厚さ8nmのwet酸
化膜を形成する。
As a base oxide film, the surface of a silicon substrate heated to, for example, 900 ° C. is exposed to a hydrogen combustion atmosphere at normal pressure for 5 minutes, for example, to form a wet oxide film having a thickness of, for example, 8 nm.

【0229】また下地酸化膜として、例えば900℃に
加熱したシリコン基板表面を、例えば、15分間、圧力
5TorrのO/O〜7%に晒し、例えば、厚さ8
nmのオゾン酸化膜を形成する。オゾン含有ガスは、例
えばオゾナイザーを用いて形成する。
As a base oxide film, the surface of a silicon substrate heated to, for example, 900 ° C. is exposed to O 2 / O 3 -7% at a pressure of 5 Torr for 15 minutes, for example, to a thickness of 8, for example.
An ozone oxide film having a thickness of nm is formed. The ozone-containing gas is formed using, for example, an ozonizer.

【0230】これらの下地酸化膜を、例えば、温度90
0℃、圧力5Torr、放電周波数2.45GHz、放
電出力200Wの、酸素ガスのマイクロ波プラズマダウ
ンフロー雰囲気に、例えば10分間晒し、酸化膜の厚さ
を例えば10nmとする。形成されるシリコン酸化膜
は、活性な酸素ラジカルO(P)の作用により、基板
/酸化膜界面の平坦性が高まると共に、酸化膜の膜質が
緻密となり、酸化膜の絶縁破壊耐圧が向上する。酸素ラ
ジカルO(P)雰囲気中で処理される下地酸化膜とし
て、CVD法やスピン・オン・グラス法により形成され
たシリコン酸化膜を用いても良い。
These underlying oxide films are formed, for example, at a temperature of 90.degree.
It is exposed to a microwave plasma downflow atmosphere of oxygen gas at 0 ° C., a pressure of 5 Torr, a discharge frequency of 2.45 GHz, and a discharge output of 200 W, for example, for 10 minutes, and the thickness of the oxide film is set to, for example, 10 nm. Due to the action of active oxygen radicals O ( 3 P), the formed silicon oxide film has improved flatness at the interface between the substrate and the oxide film, and has a finer oxide film quality, thereby improving the dielectric breakdown voltage of the oxide film. . A silicon oxide film formed by a CVD method or a spin-on-glass method may be used as a base oxide film to be treated in an oxygen radical O ( 3 P) atmosphere.

【0231】ここで、550℃を越える温度で酸化に用
いる酸素ラジカルO(P)の生成源として、プラズマ
雰囲気、オゾン、光照射、活性な金属表面を用いるのが
よい。
Here, a plasma atmosphere, ozone, light irradiation, or an active metal surface is preferably used as a generation source of oxygen radicals O ( 3 P) used for oxidation at a temperature exceeding 550 ° C.

【0232】O(P)を生成する原料ガスは、酸素原
子を有する分子を含むガスがよい。例えば、先に述べた
ように、酸素ガス(O)、オゾン(O)、一酸化一
窒素、一酸化二窒素、二酸化一窒素、水蒸気、過酸化水
素である。
The source gas for generating O ( 3 P) is preferably a gas containing a molecule having an oxygen atom. For example, as described above, oxygen gas (O 2 ), ozone (O 3 ), nitric oxide, nitrous oxide, nitrous oxide, water vapor, and hydrogen peroxide.

【0233】O(P)を生成するプラズマ雰囲気は、
本実施形態で述べたマイクロ波放電プラズマの代わり
に、平行平板プラズマ、へリコンプラズマ、電子サイク
ロトロン共鳴プラズマ、ラジカルビーム源を用いてもよ
い。
A plasma atmosphere for generating O ( 3 P) is
Instead of the microwave discharge plasma described in the present embodiment, a parallel plate plasma, a helicon plasma, an electron cyclotron resonance plasma, or a radical beam source may be used.

【0234】O(P)の生成手段として、原料ガス分
子が解離するエネルギーを有する光を照射してもよい。
光照射を用いると、電子やイオンの生成を抑制し、特定
の励起状態のO(P)を選択的に形成することが可能
である。
As a means for generating O ( 3 P), light having energy for dissociating source gas molecules may be irradiated.
When light irradiation is used, generation of electrons and ions can be suppressed, and O ( 3 P) in a specific excited state can be selectively formed.

【0235】O(P)源として、オゾン(O)を用
いてもよい。オゾンは基板表面近傍でO→O(P)
+Oに解離して基板にO(P)を供給する。オゾン
は、オゾナイザーを用いて原料ガスのコロナ放電により
生成してもよいし、原料ガスのプラズマ放電や光照射に
よってO(P)を発生させ、このO(P)と周辺の
OやOとの反応からOを生成してもよい。
Ozone (O 3 ) may be used as the O ( 3 P) source. Ozone is O 3 → O ( 3 P) near the substrate surface
Dissociated in the + O 2 supply the O (3 P) in the substrate. Ozone may be generated by corona discharge of a source gas using an ozonizer, or O ( 3 P) is generated by plasma discharge or light irradiation of the source gas, and this O ( 3 P) and O and O O 3 may be generated from the reaction with 2 .

【0236】また、O(P)の生成手段として、原料
ガスを、触媒作用を有する金属や金属酸化物の表面に晒
してもよい。例えば、タングステンフィラメントを15
00℃に熱すると、酸素ガスをO(P)に分解するこ
とができる(Ikegami、 Ohmori、 Ikeda、 Iwano、 Zaima、
and Yasuda、 Extended Abstracts Of the 1995 Interna
tional Conference On Solid State Devices and Mater
ials、Osaka、 16〜18ヘ゜ーシ゛(1995))。また、例えば、白
金や金のように酸素雰囲気に対して安定で、かつ触媒作
用を有する金属の表面を用いても良い。これらの特徴を
有する触媒として、例えば、酸化チタンのような金属酸
化物を用いても良い。これら触媒は、必要に応じて、概
ね150〜1000℃の温度に加熱し、或いは概ね−5
0〜0℃の温度に冷却して用いる。
As a means for generating O ( 3 P), the source gas may be exposed to the surface of a metal or metal oxide having a catalytic action. For example, a tungsten filament of 15
When heated to 00 ° C, oxygen gas can be decomposed into O ( 3 P) (Ikegami, Ohmori, Ikeda, Iwano, Zaima,
and Yasuda, Extended Abstracts Of the 1995 Interna
nation Conference On Solid State Devices and Mater
ials, Osaka, 16-18 pages (1995)). Further, for example, a metal surface such as platinum or gold which is stable in an oxygen atmosphere and has a catalytic action may be used. As a catalyst having these characteristics, for example, a metal oxide such as titanium oxide may be used. These catalysts are optionally heated to a temperature of about 150-1000 ° C., or
It is used by cooling to a temperature of 0 to 0 ° C.

【0237】次に、本実施形態に係る半導体の製造装置
について説明する。図16は、本実施形態に係る半導体
製造装置の概略構成を示す図である。図16では、簡単
のため、各ユニットの制御装置類、配線、冷却水循環系
統など細部を省略した。図16において、図4と同じ部
分には同じ符号を付している。
Next, a semiconductor manufacturing apparatus according to the present embodiment will be described. FIG. 16 is a diagram illustrating a schematic configuration of a semiconductor manufacturing apparatus according to the present embodiment. In FIG. 16, for simplicity, details such as control units, wiring, and a cooling water circulation system of each unit are omitted. 16, the same parts as those in FIG. 4 are denoted by the same reference numerals.

【0238】酸化を行う炉201の材質は、例えば石英
であるが、必要に応じて、BN(ボロンナイトライ
ド)、アルミナ、テフロン、SUS、アルミニウムなど
他の材質でもよい。石英を用いると、酸化によって形成
される酸化膜の金属汚染防止に効果が大きい。
The material of the furnace 201 for oxidizing is, for example, quartz, but other materials such as BN (boron nitride), alumina, Teflon, SUS, and aluminum may be used if necessary. The use of quartz is highly effective in preventing metal contamination of an oxide film formed by oxidation.

【0239】炉201は単管であるが、炉外からの不純
物の内方拡散による基板の汚染防止のため、必要に応じ
て、二重管や三重管等の多重管とし、内管と最外管との
間にパージガスを流してもよい。
The furnace 201 is a single tube. However, in order to prevent contamination of the substrate due to inward diffusion of impurities from the outside of the furnace, a multi-tube such as a double tube or a triple tube is used as necessary. A purge gas may flow between the outer tube.

【0240】被処理基板101の加熱にはヒータ207
を用いるが、赤外線ランプ220を用いてもよい。加熱
手段を基板101の近傍に設けてもよい。基板101の
温度は、例えば、概ね700℃から900℃にする。
A heater 207 is used to heat the substrate 101 to be processed.
, But an infrared lamp 220 may be used. A heating unit may be provided near the substrate 101. The temperature of the substrate 101 is, for example, approximately 700 ° C. to 900 ° C.

【0241】酸素活性種を生成するため、例えば、電極
202を利用し、低圧の酸素ガスに対してマイクロ波プ
ラズマを立てる。すなわち、マスフローコントローラ2
12、バルブ211、配管209、バルブ211
12、21113、21116、及び21118を経由
して、圧力5Torrの酸素ガス(0)を石英炉20
1内に導入する。より好ましくは、バルブ21112
閉め、バルブ21110、ガス精製器210、およびバ
ルブ21111経由で酸素ガスを通し、ガス中の水分、
二酸化炭素などの不純物を除去し、酸素ガスの純度を高
める。この酸素ガス流に対して電極202から周波数
2.45GHzのマイクロ波を印加してプラズマを立
て、このダウンフロー雰囲気に基板101を晒し、基板
表面を酸化する。
In order to generate oxygen active species, for example, a microwave plasma is set up for a low-pressure oxygen gas using the electrode 202. That is, the mass flow controller 2
12 7 , valve 211 7 , piping 209, valve 211
Oxygen gas (O 2 ) at a pressure of 5 Torr is supplied to the quartz furnace 20 via 12 , 211 13 , 211 16 and 211 18.
Introduce into 1. More preferably, the valve 211 12 is closed, oxygen gas is passed through the valve 211 10 , the gas purifier 210, and the valve 211 11 , and moisture in the gas,
Removes impurities such as carbon dioxide and increases the purity of oxygen gas. A microwave having a frequency of 2.45 GHz is applied to the oxygen gas flow from the electrode 202 to generate plasma, and the substrate 101 is exposed to the downflow atmosphere to oxidize the substrate surface.

【0242】オゾンを酸化に利用する際には、例えば、
オゾナイザー208を用いる。オゾナイザーには、冷却
水循環系統が付随している(図16には不図示)。酸素
ガスを、マスフローコントローラ212、バルブ21
、配管209、バルブ21112、および211
14経由でオゾナイザー208に導入し、オゾン含有酸
素ガスを、バルブ21115、21116、および21
18を経由して、石英炉201内に導入する。このオ
ゾン含有ガスの雰囲気に基板101を晒し、基板表面を
酸化する。
When using ozone for oxidation, for example,
An ozonizer 208 is used. The ozonizer has a cooling water circulation system (not shown in FIG. 16). The oxygen gas is supplied to the mass flow controller 212 7 and the valve 21.
17 , piping 209, valves 211 12 and 211
14 , the ozone-containing oxygen gas is introduced into the ozonizer 208, and the ozone-containing oxygen gas is supplied to the valves 211 15 , 211 16 and 21.
Via 1 18 is introduced into the quartz furnace 201. The substrate 101 is exposed to the atmosphere of the ozone-containing gas to oxidize the substrate surface.

【0243】光照射を基板の酸化に用いる際には、例え
ば、光源205を用いる。酸素ガスを原料とする場合、
は波長243nm以下の光によってO→O
P)+O(P)のように分解するので、光源に
は、例えば、184.9nmの輝線を有する低圧水銀ラ
ンプを用いる。上記のマイクロ波プラズマの場合と同様
の経路で、酸素ガスを炉201内に導入し、光源205
によって基板101近傍の酸素ガスを分解し、生成する
酸素ラジカルをシリコンの酸化に用いる。光源を205
の位置にすると、基板表面近傍に高強度の酸素ラジカル
を生成し、酸化を高速で効率よく行うことができる。光
照射による基板101表面の損傷を避けるため、基板1
01をガス流と平行の向きにしたり(図16で基板10
1の向きを変える)、基板101の側面から光を照射し
たりしてもよい。一方、光源を203の位置にすると、
ラジカルが基板101上に均一に供給され、膜圧の均一
性に優れた酸化膜が形成される。
When light irradiation is used to oxidize a substrate, for example, a light source 205 is used. When using oxygen gas as a raw material,
O 2 is converted to O 2 → O by light having a wavelength of 243 nm or less.
Since (3 P) + decomposed as O (3 P), the light source, for example, using a low pressure mercury lamp having an emission line of 184.9 nm. Oxygen gas is introduced into the furnace 201 along the same route as in the case of the microwave plasma,
The oxygen gas in the vicinity of the substrate 101 is decomposed, and the generated oxygen radicals are used for oxidizing silicon. 205 light sources
In this position, high-intensity oxygen radicals are generated in the vicinity of the substrate surface, and oxidation can be performed efficiently at high speed. In order to avoid damage to the surface of the substrate 101 due to light irradiation, the substrate 1
01 in a direction parallel to the gas flow (in FIG.
1 may be changed), or light may be irradiated from the side surface of the substrate 101. On the other hand, if the light source is at the position of 203,
The radicals are uniformly supplied on the substrate 101, and an oxide film having excellent film thickness uniformity is formed.

【0244】触媒作用を有する金属や金属酸化物を酸素
ラジカル源とする場合には、例えば、図16に示すよう
に、被処理基板101の上流の221の位置に触媒を設
置する。触媒の形状は、本図に示した線材のみならす、
箔、網、粉末でもよく、アルミナなど他の部材で担持し
てもよい。加熱が必要な触媒を用いる時には、触媒22
1を基板101に近づけてヒータ207を用いてもよい
し、赤外線ランプなどによる輻射加熱でもよい。触媒に
直接電流を流して抵抗加熱を行ってもよい。冷却が必要
な触媒では、例えば、水や液体窒素などの冷媒を触媒近
傍に通して冷却する。
When a metal or metal oxide having a catalytic action is used as an oxygen radical source, for example, as shown in FIG. 16, a catalyst is provided at a position 221 upstream of the substrate 101 to be processed. The shape of the catalyst is the same as that of the wire shown in this figure.
It may be a foil, a net, a powder, or may be supported by another member such as alumina. When using a catalyst that requires heating, the catalyst 22
Heater 207 may be used by bringing substrate 1 closer to substrate 101, or radiant heating using an infrared lamp or the like may be used. Resistance heating may be performed by passing an electric current directly through the catalyst. In the case of a catalyst requiring cooling, for example, a coolant such as water or liquid nitrogen is passed near the catalyst to be cooled.

【0245】例えば、圧力概ね0.1Torrの酸素ガ
ス中に、通電加熱により概ね800℃に加熱した白金線
を設置し、この雰囲気中に、概ね800℃に加熱したシ
リコン基板を概ね60分間晒したところ、厚さ概ね2n
mのシリコン酸化膜が形成された。
For example, a platinum wire heated to about 800 ° C. by energizing heating is placed in an oxygen gas at a pressure of about 0.1 Torr, and the silicon substrate heated to about 800 ° C. is exposed to this atmosphere for about 60 minutes. However, the thickness is about 2n
m silicon oxide films were formed.

【0246】上記の数種の酸素活性種発生方法は、基板
の枚葉処理(1枚ずつの処理)及びバッチ処理(複数の
基板を一度にまとめて処理)のいずれにも有効である。
より好ましくは、酸素プラズマ及びオゾンは、炉内に概
ね均一にラジカルが供給されるので、バッチ処理に優れ
ている。一方、光照射および金属・金属酸化物触媒は、
これら発生源の近傍に高濃度にラジカルが生成するの
で、基板の枚葉処理に適する。
The above-described methods for generating several types of oxygen active species are effective for both single-wafer processing (processing of one substrate at a time) and batch processing (processing of a plurality of substrates at once).
More preferably, oxygen plasma and ozone are excellent in batch processing because radicals are supplied substantially uniformly in the furnace. On the other hand, light irradiation and metal / metal oxide catalysts
Since radicals are generated in high concentration in the vicinity of these sources, they are suitable for single-wafer processing of substrates.

【0247】(第4の実施形態)次に本発明の第4の実
施形態に係わるEEPROMのメモリセルの製造方法に
ついて説明する。
(Fourth Embodiment) Next, a method of manufacturing an EEPROM memory cell according to a fourth embodiment of the present invention will be described.

【0248】本実施形態の製造方法が第1の実施形態と
異なる点は、前半の製造方法中のトンネル酸化膜の形成
にある。
The manufacturing method of this embodiment differs from the first embodiment in the formation of a tunnel oxide film in the first half of the manufacturing method.

【0249】図17(a)の工程は図2(a)の工程と
同様である。すなわち、p型シリコン基板101の表面
にトレンチ溝120を形成した後、例えば、液相CVD
法等のCVD法を用いて、シリコン酸化膜102により
トレンチ溝201の内部を埋め込み、素子分離を行な
う。
The step of FIG. 17A is the same as the step of FIG. 2A. That is, after forming the trench 120 on the surface of the p-type silicon substrate 101, for example, liquid phase CVD is performed.
The inside of the trench 201 is filled with the silicon oxide film 102 by using a CVD method such as a CVD method, and element isolation is performed.

【0250】次に図17(b)に示すように、p型シリ
コン基板101を、例えば550℃の酸素活性種O(
D)雰囲気中に例えば120分間晒し、膜厚5nmの第
1のトンネル酸化膜10311(下地トンネル酸化膜)
を形成する。
Next, as shown in FIG. 17 (b), a p-type silicon substrate 101 is placed on an oxygen-active species O ( 1) at 550 ° C., for example.
D) Exposure to an atmosphere for, for example, 120 minutes to form a first tunnel oxide film 103 11 (underlying tunnel oxide film) having a thickness of 5 nm.
To form

【0251】酸化に好ましい活性種O(D)による酸
化は、例えば、第1の実施形態と同様の方法により行な
う。
Oxidation with active species O ( 1 D), which is preferable for oxidation, is performed, for example, by the same method as in the first embodiment.

【0252】トンネル酸化膜13011は、酸素ラジカ
ルO(P)を用いて形成しても良い。例えば、周波数
2.45GHz、出力200Wのマイクロ波放電を低圧
の酸素ガスに印加し、このプラズマのダウンフロー雰囲
気中に、例えば温度800度のシリコン基板を例えば1
0分間晒し、例えば5nmのシリコン酸化膜を形成し
た。雰囲気圧力は例えば5Torrとした。
[0252] tunnel oxide film 130 11 may be formed by using an oxygen radical O (3 P). For example, a microwave discharge at a frequency of 2.45 GHz and an output of 200 W is applied to a low-pressure oxygen gas, and a silicon substrate at a temperature of, for example, 800 ° C. is placed in a down-flow atmosphere of the plasma.
Exposure was performed for 0 minutes to form a silicon oxide film of, for example, 5 nm. The atmosphere pressure was, for example, 5 Torr.

【0253】トンネル酸化膜13011は、オゾンを用
いて形成しても良い。例えば、オゾナイザーを用いてO
/O〜7%のオゾン含有ガスを形成し、この雰囲気
に、例えば、10分間、例えば900℃に加熱したシリ
コン基板表面を晒し、例えば5nmのシリコン酸化膜を
形成した。雰囲気圧力は例えば5Torrとした。
[0253] tunnel oxide film 130 11 may be formed by using ozone. For example, using an ozonizer,
An ozone-containing gas of 3 / O 2 -7% was formed, and the surface of the silicon substrate heated to, for example, 900 ° C. for 10 minutes was exposed to this atmosphere to form a silicon oxide film of, for example, 5 nm. The atmosphere pressure was, for example, 5 Torr.

【0254】これら酸素活性種を有する酸化雰囲気に、
概ね1〜10%のハロゲン含有ガスを共存させ、ハロゲ
ン原子によって酸化膜中の原子欠損部分や歪んだSi−
O−Si結合を終端し、酸化膜の膜質強化によって絶縁
破壊耐性向上の効果を高めることができる。ハロゲン含
有ガスは、ハロゲン原子を有する分子を含むガスを含む
ことが好ましく、例えば、F、Clである。ハロゲ
ン含有ガスは、ハロゲン活性種による基板や酸化膜のエ
ッチングを防ぐため、マイクロ波放電やオゾナイザー内
での放電を立てないことが好ましい。例えば、放電電極
やオゾナイザーを経由しないで基板表面にハロゲン含有
ガスを導入する。
In an oxidizing atmosphere containing these oxygen active species,
A halogen-containing gas of approximately 1 to 10% is allowed to coexist.
By terminating the O-Si bond and enhancing the quality of the oxide film, the effect of improving dielectric breakdown resistance can be enhanced. The halogen-containing gas preferably includes a gas containing a molecule having a halogen atom, and is, for example, F 2 or Cl 2 . It is preferable that the halogen-containing gas does not generate microwave discharge or discharge in the ozonizer in order to prevent etching of the substrate or oxide film by the halogen active species. For example, a halogen-containing gas is introduced into the substrate surface without passing through a discharge electrode or an ozonizer.

【0255】次に図17(c)に示すように、基板全面
に第2のトンネル酸化膜10312を低圧CVD法によ
り堆積する。これらの積層されたトンネル酸化膜103
11、10312が第1の実施形態のトンネル酸化膜1
03に相当する。
[0255] Next, as shown in FIG. 17 (c), the second tunnel oxide film 103 12 is deposited by low-pressure CVD on the entire surface of the substrate. These stacked tunnel oxide films 103
11 , 103 12 are the tunnel oxide films 1 of the first embodiment.
Equivalent to 03 1.

【0256】低圧CVD法は、例えば、シランガス50
sccm、一酸化二窒素ガス450sccmの混合ガス
を、750℃に加熱した基板近傍に導入し、例えば5分
間で厚さ15nmのシリコン酸化膜を堆積した。雰囲気
圧力は例えば1TorrRとした。
In the low pressure CVD method, for example, a silane gas 50
A mixed gas of sccm and dinitrogen monoxide gas at 450 sccm was introduced near the substrate heated to 750 ° C., and a silicon oxide film having a thickness of 15 nm was deposited, for example, for 5 minutes. The atmosphere pressure was, for example, 1 TorrR.

【0257】酸化膜の堆積方法として、例えば、二フッ
化シリコンSiFと酸素ラジカルとをシリコン基板表
面近傍で反応させても良い。SiFは、例えば、流量
が概ね50sccmの四フッ化シリコンガスSiF
を、概ね1000℃に熱したシリコン結晶に通過させ
て形成し、例えば、700℃に加熱した基板に供給す
る。酸素ラジカル源として、例えば、流量が概ね500
sccmの酸素ガスの流れに対してマイクロ波プラズマ
を印加し、このダウンフロー雰囲気を用いる。雰囲気圧
力は例えば1Torrとする。例えば10分間で、厚さ
15nmのシリコン酸化膜が堆積した。
As a method of depositing an oxide film, for example, silicon difluoride SiF 2 may react with oxygen radicals near the surface of the silicon substrate. SiF 2 is, for example, a silicon tetrafluoride gas SiF having a flow rate of about 50 sccm.
4 is formed by passing through a silicon crystal heated to about 1000 ° C. and supplied to, for example, a substrate heated to 700 ° C. As an oxygen radical source, for example, a flow rate of about 500
Microwave plasma is applied to the flow of oxygen gas of sccm, and this down-flow atmosphere is used. The atmospheric pressure is, for example, 1 Torr. For example, a silicon oxide film having a thickness of 15 nm was deposited in 10 minutes.

【0258】これらのシリコン酸化膜堆積工程は、上記
の、酸素活性種によるシリコンの酸化工程と同じ炉内
で、基板を少なくとも外気に晒さずに、熱化工程と連続
的に行った。
These silicon oxide film deposition steps were performed continuously in the same furnace as the above-described silicon oxidation step using oxygen activated species, without exposing the substrate to the outside air, at least.

【0259】トンネル酸化膜10312の堆積工程を、
シリコンのラジカル酸化によるトンネル酸化膜103
11の形成工程と異なった炉内で、基板を少なくとも外
気に晒さずに、酸化工程と連続的に行っても良い。
[0259] The deposition step of the tunnel oxide film 103 12,
Tunnel oxide film 103 by radical oxidation of silicon
In a furnace different from the formation step of the step 11 , the substrate may be subjected to the oxidation step continuously without exposing the substrate to at least the outside air.

【0260】例えば、流量500sccm、圧力概ね1
TorrのTEOS(Si(OC)雰囲気
に、700℃の基板を例えば2分間晒し、厚さ15nm
のシリコン酸化膜を形成する。
For example, a flow rate of 500 sccm and a pressure of about 1
The substrate at 700 ° C. is exposed, for example, to a TEOS (Si (OC 2 H 5 ) 4 ) atmosphere of Torr for 2 minutes to a thickness of 15 nm.
Is formed.

【0261】トンネル酸化膜10312として、シリコ
ン窒化膜やシリコン窒化酸化膜を堆積しても良い。
[0261] as a tunnel oxide film 103 12 may be a silicon nitride film or a silicon nitride oxide film.

【0262】例えば、流量概ね50sccmのSiH
Cl、流量概ね500sccmのNH、及び流量概
ね70sccmのN雰囲気に、780℃に加熱した基
板を例えば5分間晒し、厚さ15nmのシリコン窒化膜
を堆積する。雰囲気圧力は、例えば、0.5Torrと
する。
For example, a flow rate of approximately 50 sccm of SiH 2
The substrate heated to 780 ° C. is exposed, for example, to Cl 2 , a flow rate of about 500 sccm NH 3 , and a flow rate of about 70 sccm N 2 atmosphere for, for example, 5 minutes to deposit a silicon nitride film having a thickness of 15 nm. The atmospheric pressure is, for example, 0.5 Torr.

【0263】例えば、概ね135sccmのSiH
、流量概ね90sccmのNH、及び流量概ね4
50sccmのNO雰囲気に、800℃に加熱した基
板を例えば5分間晒し、厚さ15nmのシリコン窒化膜
を堆積する。雰囲気圧力は、例えば、1Torrとす
る。
For example, approximately 135 sccm of SiH 2 C
l 2 , NH 3 at a flow rate of about 90 sccm, and a flow rate of about 4
The substrate heated at 800 ° C. is exposed to an N 2 O atmosphere of 50 sccm for, for example, 5 minutes to deposit a silicon nitride film having a thickness of 15 nm. The atmospheric pressure is, for example, 1 Torr.

【0264】トンネル酸化膜10311及び10312
の厚さは、それぞれ5nm及び15nm以外の厚さでも
良い。これらの合計膜厚は、20nmより小さくても良
く、例えば、10nm以下でも良い。
The tunnel oxide films 103 11 and 103 12
May be a thickness other than 5 nm and 15 nm, respectively. The total thickness of these may be smaller than 20 nm, for example, may be 10 nm or less.

【0265】最後に、第1の実施形態で説明した図3
(c)〜図3(e)の工程と同様の工程を経て、EEP
ROMのメモリセルが完成する。
Finally, FIG. 3 described in the first embodiment
Through the steps similar to those shown in FIGS.
The memory cells of the ROM are completed.

【0266】本実施形態の方法に従って製造したメモリ
セルのトンネル酸化膜を、断面を透過型電子顕微鏡(T
EM)により観測し、従来方法により形成したそれと比
較した。
The cross section of the tunnel oxide film of the memory cell manufactured according to the method of the present embodiment is shown by a transmission electron microscope (T
EM) and compared with those formed by conventional methods.

【0267】その結果、第1の実施形態と同様に、本実
施形態の方法(O(D)酸化、O(P)酸化)を用
いた場合のSi基板−トンネル酸化膜界面は、従来方法
(乾燥酸素酸化)を用いた場合のシリコン基板−トンネ
ル酸化膜界面よりも平坦であった。また、Qbdも、従
来方法(乾燥酸化)により得れたトンネル酸化膜より大
きい値であった。
[0267] As a result, as in the first embodiment, Si substrates in the case of using the method of this embodiment (O (1 D) oxide, O (3 P) oxide) - tunnel oxide film interface is conventionally It was flatter than the interface between the silicon substrate and the tunnel oxide film when the method (dry oxygen oxidation) was used. Also, Qbd was larger than the tunnel oxide film obtained by the conventional method (dry oxidation).

【0268】これらの結果は、第1のトンネル酸化膜1
0311として、p型シリコン基板101との界面にお
いて平坦性が高く緻密な膜質となるO(D)、O(
P)酸化膜を使用したことによるものと考えられる。
These results indicate that the first tunnel oxide film 1
03 ( 11 ), O ( 1 D) and O ( 3 ) which have high flatness and dense film quality at the interface with the p-type silicon substrate 101.
P) It is considered that this is due to the use of the oxide film.

【0269】本実施形態は、酸化に好ましい活性種O(
D)、O(P)の濃度が小さく、トンネル酸化膜の
形成速度が遅い場合、シリコン基板とトンネル酸化膜と
の界面の平坦化および界面近傍の緻密な膜質の確保に必
要な膜厚の第1のトンネル酸化膜(下地トンネル酸化
膜)10311をO(D)、O(P)雰囲気により
形成し、その上に成膜速度の速い低圧CVD法によって
第2のトンネル酸化膜10312を堆積するという方法
である。したがって、全体として成膜効率が高くなると
いう特徴がある。
In this embodiment, the active species O (
1 D), O (small concentration of 3 P), if the rate of formation of the tunnel oxide film is slow, the film thickness required to ensure the dense film quality of flattening and near the interface of the interface between the silicon substrate and the tunnel oxide film first tunnel oxide film (underlying tunnel oxide film) 103 11 O (1 D), O (3 P) formed by the atmosphere, the second tunnel oxide film by fast deposition rate low-pressure CVD method on its 103 12 is deposited. Therefore, there is a feature that the film forming efficiency is increased as a whole.

【0270】p型シリコン基板101とトンネル酸化膜
103との界面近傍の膜質が緻密になれば、Qbdが
小さいことで問題となっているフローティングゲート電
極104からトンネル酸化膜103への電子注入に
対するトンネル酸化膜103のホットエレクトロン耐
性が向上し、トンネル酸化膜103の電気的信頼性が
向上する。
[0270] Once the dense film quality near the interface between the p-type silicon substrate 101 and the tunnel oxide film 103 1, electrons from the floating gate electrode 104 1 in question by Qbd small to the tunnel oxide film 103 1 improved hot electron resistance of the tunnel oxide film 103 1 is for injection, thereby improving electrical reliability of the tunnel oxide film 103 1.

【0271】この信頼性向上の他の要因としては、O(
D)やO(P)によって形成されたトンネル酸化膜
10311およびCVD法により堆積されたトンネル酸
化膜10312という、膜質の異なる酸化膜が積層され
ていることにより、絶縁破壊につながる電流リーク経路
がフローティングゲート電極104からp型シリコン
基板101までつながりにくいこともあげられる。
As another factor of the improvement in reliability, O (
By that 1 D) and O (3 P) formed by the tunnel oxide film 103 11 and the tunnel oxide film 103 12 deposited by the CVD method, the film quality of different oxide film are laminated, the current leading to breakdown leak path also be mentioned that the hard connection from the floating gate electrode 104 1 to the p-type silicon substrate 101.

【0272】なお、本実施形態において、p型シリコン
基板101からトンネル酸化膜103への電子注入に
対するトンネル酸化膜103の耐性を向上させるた
め、トンネル酸化膜10312をO(D)やO
P)雰囲気に晒して改質しても良い。
[0272] In the present embodiment, to improve the resistance of the tunnel oxide film 103 1 for electron injection from the p-type silicon substrate 101 to the tunnel oxide film 103 1, a tunnel oxide film 103 12 O (1 D) Ya O
(3 P) may be modified by exposure to atmosphere.

【0273】なお、本発明は上記実施形態に限定される
ものではない。例えば、図4には、これまで述べた実施
形態にいずれにも対応できる構成の酸化装置が示されて
いるが、例えば酸化種としてO(D)やO(P)の
みを用いる場合など、図4に示される酸化装置の一部の
構成のみを使用する場合には、その部分のみの構成から
なる酸化装置を用いても良い。
Note that the present invention is not limited to the above embodiment. For example, FIG. 4 shows an oxidizing apparatus having a configuration capable of coping with any of the above-described embodiments. For example, a case where only O ( 1 D) or O ( 3 P) is used as an oxidizing species In the case where only a part of the configuration of the oxidizing apparatus shown in FIG. 4 is used, an oxidizing apparatus having the configuration of only that part may be used.

【0274】基板加熱用ヒーター207は抵抗加熱であ
るが、赤外線ランプによる輻射加熱を用いても良い。
The substrate heating heater 207 is resistance heating, but may be radiation heating using an infrared lamp.

【0275】図4中では、基板101の表面がガス流に
対して垂直に設定されているが、ガス流に対して平行に
設置しても良い。
In FIG. 4, the surface of the substrate 101 is set perpendicular to the gas flow, but it may be installed parallel to the gas flow.

【0276】また、酸素ラジカル発生源として、マイク
ロ波放電の代わりに、平行平板プラズマ、ヘリコンプラ
ズマ、電子サイクロトロン共鳴プラズマ、あるいはラジ
カルビーム源を用いても良い。
As the oxygen radical generating source, a parallel plate plasma, a helicon plasma, an electron cyclotron resonance plasma, or a radical beam source may be used instead of the microwave discharge.

【0277】上記実施形態で述べた以外で、酸化に好ま
しい活性種により酸化される下地としては、例えば、層
間絶縁膜としてのシリコン酸化膜やシリコン窒化膜や窒
化酸化シリコン膜などがあげられる。
In addition to those described in the above embodiment, examples of the base oxidized by the active species preferable for oxidation include a silicon oxide film, a silicon nitride film, and a silicon nitride oxide film as an interlayer insulating film.

【0278】これらはいずれも電子スピン量子数s=0
で酸化に好ましい活性種O(D)などが容易に下地膜
中に入り込んで反応し、緻密な膜質の酸化膜または窒化
酸化膜を形成する。O(D)が下地膜とシリコン基板
との界面に到達すれば、界面を平坦化する効果が加わ
り、絶縁膜の信頼性がさらに向上する。
In each of these, the electron spin quantum number s = 0
In such preferred oxidizing active species O (1 D) react readily penetrate into the base film to form an oxide film or a nitride oxide film having a dense film quality. When O ( 1 D) reaches the interface between the base film and the silicon substrate, the effect of flattening the interface is added, and the reliability of the insulating film is further improved.

【0279】また、O(D)酸化される下地として、
従来の熱酸化膜やオゾン酸化膜でも良い。
As a base to be oxidized by O ( 1 D),
A conventional thermal oxide film or ozone oxide film may be used.

【0280】エッチング、CVD、リソグラフィなどの
半導体製造工程によってゲート酸化膜や層間絶縁膜が受
けるプロセスダメージの修復に対しても、O(D)酸
化は有効である。
O ( 1 D) oxidation is also effective for repairing process damage to a gate oxide film and an interlayer insulating film by a semiconductor manufacturing process such as etching, CVD, and lithography.

【0281】O(D)の代わりに、さらに高い一重項
励起状態の例えばO(S)を用いても、O(D)と
同様の効果が得られる。
[0281] Instead of O (1 D), also with a higher singlet excited state, for example O (1 S), the same effect as O (1 D) is obtained.

【0282】また、酸化される下地として、シリコン基
板のみならず、例えばGaAs基板やInP基板でも良
い。また基板でなく、SiやGaAsやInPなどの多
結晶層やアモルファス層でも良い。
The substrate to be oxidized is not limited to a silicon substrate, but may be, for example, a GaAs substrate or an InP substrate. Instead of the substrate, a polycrystalline layer or an amorphous layer of Si, GaAs, InP or the like may be used.

【0283】以上は、半導体製造工程の一部である酸化
工程に対して最適な活性種を利用する技術であるが、酸
化工程に限らず、プラズマCVD、プラズマ洗浄、エッ
チング、レジスト除去など、他の活性種を利用する工程
についても、各工程に最適な活性種を選択的に高濃度に
形成することにより、各工程を改善することができる。
例えば、基板の処理効率(スループット)向上、形成さ
れる膜の膜質向上、あるいは除去・洗浄された後の下地
膜の損傷抑制などが挙げられる。
The above is a technique for using an active species that is optimal for an oxidation step which is a part of a semiconductor manufacturing process. In the step of utilizing the active species, each step can be improved by selectively forming an active species optimal for each step at a high concentration.
For example, improvement in processing efficiency (throughput) of a substrate, improvement in film quality of a formed film, suppression of damage to a base film after being removed and washed, and the like can be cited.

【0284】また、本発明は、EEPROM以外のシリ
コン酸化膜、例えばMOSFETのゲート酸化膜の形成
方法にも適用できる。
The present invention can be applied to a method of forming a silicon oxide film other than an EEPROM, for example, a gate oxide film of a MOSFET.

【0285】(第5の実施形態)図18(a1)〜図1
8(d1)は、本発明の第5の実施形態を示した図であ
り、本発明をゲート酸化膜形成工程の前工程に用いるこ
とにより、ゲート酸化膜とシリコン基板との界面の平坦
性が向上する点について示したものである。図18(a
1)〜図18(d1)が本発明に係る工程であり、工程
図18(a2)〜図18(d2)は対比のために従来技
術を用いた工程を示したものである。
(Fifth Embodiment) FIGS. 18A1 to 1
FIG. 8 (d1) is a view showing a fifth embodiment of the present invention, wherein the flatness of the interface between the gate oxide film and the silicon substrate is improved by using the present invention in a step before the gate oxide film forming step. It shows the points of improvement. FIG.
1) to FIG. 18 (d1) show steps according to the present invention, and FIGS. 18 (a2) to 18 (d2) show steps using a conventional technique for comparison.

【0286】まず、図18(a1)に示すように、シリ
コン基板11を用意し(シリコン基板の表面には凹凸が
形成されている)、図18(b1)に示すように、酸素
ラジカル酸化によってバッファ酸化膜12(6.4nm
を越える膜厚が好ましい)を形成する。
First, as shown in FIG. 18 (a1), a silicon substrate 11 is prepared (the surface of the silicon substrate is formed with irregularities), and as shown in FIG. Buffer oxide film 12 (6.4 nm
Is preferable).

【0287】例えば、流量概ね800sccmの酸素ガ
ス流に対して、放電周波数2.45GHz、放電出力2
00Wのマイクロ波プラズマを立て、このダウンフロー
雰囲気に、例えば930℃に加熱したシリコン基板を例
えば15分間晒し、例えば厚さ10nmのシリコン酸化
膜を形成する。雰囲気圧力は例えば5Torrである。
For example, for an oxygen gas flow having a flow rate of approximately 800 sccm, a discharge frequency of 2.45 GHz and a discharge output of 2
A microwave plasma of 00 W is set up, and the silicon substrate heated to, for example, 930 ° C. is exposed to this downflow atmosphere for, for example, 15 minutes to form a silicon oxide film having a thickness of, for example, 10 nm. The ambient pressure is, for example, 5 Torr.

【0288】また、例えば、O/O〜7%のオゾン
含有ガスをオゾナイザーで形成し、例えば930度に加
熱したシリコン基板表面を、例えば20分間、このオゾ
ン含有ガス雰囲気に晒して、例えば厚さ10nmのシリ
コン酸化膜を形成する。雰囲気圧力は例えば5Torr
である。
Also, for example, an ozone-containing gas of O 3 / O 2 77% is formed by an ozonizer, and the silicon substrate surface heated to, for example, 930 ° C. is exposed to this ozone-containing gas atmosphere for, for example, 20 minutes. A silicon oxide film having a thickness of 10 nm is formed. Atmospheric pressure is, for example, 5 Torr
It is.

【0289】ここで、基板温度は550℃を越えること
が好ましく、より好ましくは、O(P)の反応性を高
め、かつ乾燥酸化による酸化膜の成長を抑制するため、
基板温度が600℃を越えて950℃の範囲とする。
Here, the substrate temperature is preferably higher than 550 ° C., more preferably, in order to increase the reactivity of O ( 3 P) and suppress the growth of an oxide film due to dry oxidation.
The substrate temperature is set to be in a range of more than 600 ° C. and 950 ° C.

【0290】なお、従来技術では、図18(a2)に示
すように、通常の熱酸化によってバッファ酸化膜12を
形成する。例えば、流量概ね20l/分、1000℃の
乾燥酸素雰囲気に、シリコン基板を例えば20分間晒
し、例えば厚さ20nmのシリコン酸化膜を形成する。
このとき、従来技術を用いてバッファ酸化膜12を形成
した場合にはシリコン基板11とバッファ酸化膜12と
の界面が凸凹であるのに対し、本発明の酸素ラジカル酸
化を用いてバッファ酸化膜12を形成した場合には、シ
リコン基板11とバッファ酸化膜12との界面は原子レ
ベルで平坦化される。以下、この点について説明を行
う。
In the prior art, as shown in FIG. 18A2, the buffer oxide film 12 is formed by ordinary thermal oxidation. For example, the silicon substrate is exposed to a dry oxygen atmosphere at a flow rate of approximately 20 l / min and 1000 ° C. for, for example, 20 minutes to form a silicon oxide film having a thickness of, for example, 20 nm.
At this time, when the buffer oxide film 12 is formed using the conventional technique, the interface between the silicon substrate 11 and the buffer oxide film 12 is uneven, whereas the buffer oxide film 12 is formed using the oxygen radical oxidation of the present invention. Is formed, the interface between the silicon substrate 11 and the buffer oxide film 12 is flattened at the atomic level. Hereinafter, this point will be described.

【0291】酸素ラジカル酸化によって基板/酸化膜界
面が原子レベルで平坦化されるのは、従来の熱酸化と異
なり、活性な酸素原子ラジカルがシリコン基板に供給さ
れるためと考えられる。熱酸化及びラジカル酸化とも、
酸化拡散種は酸化膜表面(酸化雰囲気側)から酸化膜内
部に行くにつれ濃度が減少する。界面平坦性が比較的低
いときには、界面の基板側の凸部(基板が酸化膜内に突
き出た部分)が凹部(基板に酸化膜が突き出た部分)よ
り酸化膜表面に近いため、凸部に供給される酸化種濃度
が高くなり、界面平坦性の向上が進行する。界面の平坦
性がある程度高くなると、互いに原子間距離が異なる基
板と酸化膜との間の界面応力によって酸化反応の進行が
抑制されると考えられる。従来の熱酸化では、基板/酸
化膜界面における酸化種の反応性が高くないため、平坦
性が高まった界面の応力によって酸化反応の進行が抑制
され、界面平坦性の向上はある程度のラフネスで飽和し
てしまう。これに対し、酸化雰囲気から酸素原子ラジカ
ルが供給されると、活性な酸化種が基板/酸化膜界面に
到達し、界面応力による酸化反応の障壁を乗り越え、酸
化膜表面により近い基板側の凸部を優先的に酸化するた
め、原子レベルまで界面が平坦化すると考えられる。
The substrate / oxide film interface is flattened at the atomic level by oxygen radical oxidation, unlike the conventional thermal oxidation, because active oxygen atom radicals are supplied to the silicon substrate. Both thermal oxidation and radical oxidation
The concentration of the oxidized diffusion species decreases from the oxide film surface (oxidizing atmosphere side) to the inside of the oxide film. When the interface flatness is relatively low, the convex portion on the interface side of the substrate (the portion where the substrate protrudes into the oxide film) is closer to the oxide film surface than the concave portion (the portion where the oxide film protrudes from the substrate). The concentration of the supplied oxidizing species increases, and the improvement of the interface flatness proceeds. It is considered that when the flatness of the interface is increased to some extent, the progress of the oxidation reaction is suppressed by the interface stress between the substrate and the oxide film having different interatomic distances. In conventional thermal oxidation, the reactivity of the oxidizing species at the substrate / oxide film interface is not high, so the progress of the oxidation reaction is suppressed by the stress at the interface with increased flatness, and the improvement in interface flatness is saturated with a certain degree of roughness. Resulting in. On the other hand, when oxygen atom radicals are supplied from an oxidizing atmosphere, active oxidizing species reach the substrate / oxide film interface, get over an oxidation reaction barrier due to interfacial stress, and become closer to the oxide film surface. Is presumed to be oxidized preferentially, so that the interface is flattened to the atomic level.

【0292】O(P)より酸化に好ましいO(D)
を酸化に用いると、O(P)より低温で、より小さい
酸化膜厚で、酸化膜/基板界面を平坦化することができ
る。また、界面の平坦性が更に高まる。
O ( 1 D) which is more preferable for oxidation than O ( 3 P)
When is used for oxidation, the oxide film / substrate interface can be planarized at a lower temperature than O ( 3 P) and with a smaller oxide film thickness. Further, the flatness of the interface is further improved.

【0293】このようにしてバッファ酸化膜12を形成
した後、図18(c1)に示すように、バッファ酸化膜
12を剥離する。実際にシリコン基板(p型(10
0))上に酸素ラジカル酸化によってバッファ酸化膜を
形成し(930℃、15分、膜厚10nm)、このバッ
ファ酸化膜を剥離(0.25%HF、12分)した試料
について、透過型電子顕微鏡(TEM)によって平坦性
を評価したところ、基板/バッファ酸化膜界面は原子レ
ベルで平坦であり、酸化膜剥離後の基板表面も原子レベ
ルで平坦であった。これに対して、従来技術を用いて作
製した試料(1000℃、20分の乾燥酸素による熱酸
化、膜厚20nm)では、基板/バッファ酸化膜界面に
数原子層の凹凸が見られ、この酸化膜を剥離した後の基
板表面も凸凹であった。
After forming the buffer oxide film 12, the buffer oxide film 12 is peeled off as shown in FIG. 18 (c1). Actually, a silicon substrate (p-type (10
0)), a buffer oxide film was formed thereon by oxygen radical oxidation (930 ° C., 15 minutes, film thickness 10 nm), and the buffer oxide film was peeled off (0.25% HF, 12 minutes). When the flatness was evaluated by a microscope (TEM), the interface between the substrate and the buffer oxide film was flat at the atomic level, and the substrate surface after the oxide film was stripped was also flat at the atomic level. On the other hand, in the sample manufactured by using the conventional technique (thermal oxidation using dry oxygen at 1000 ° C. for 20 minutes, film thickness: 20 nm), irregularities of several atomic layers are observed at the interface between the substrate and the buffer oxide film. The substrate surface after peeling the film was also uneven.

【0294】バッファ酸化膜12を剥離した後、図18
(d1)に示すように、酸素ラジカル酸化によりゲート
酸化膜13を形成すると、例えばゲート酸化膜13の膜
厚が8nm未満と薄くても、原子レベルで平坦な基板/
ゲート酸化膜界面が得られる。
After the buffer oxide film 12 is peeled off, FIG.
As shown in (d1), when the gate oxide film 13 is formed by oxygen radical oxidation, even if the thickness of the gate oxide film 13 is as thin as less than 8 nm, for example,
A gate oxide interface is obtained.

【0295】酸化膜の厚さが概ね5nm以下と小さい範
囲では、従来の乾燥酸化やwet酸化でも、酸化前のシ
リコン基板表面を平坦化しておくことにより、酸化後に
平坦な酸化膜/基板界面が形成された。これは、酸化膜
圧が小さいと、酸化前のシリコン表面のラフネスが酸化
後の酸化膜/基板界面の平坦性に大きく反映されるため
である。
In a range where the thickness of the oxide film is as small as about 5 nm or less, even in the conventional dry oxidation or wet oxidation, the surface of the silicon substrate before oxidation is flattened, so that a flat oxide film / substrate interface is obtained after oxidation. Been formed. This is because when the oxide film pressure is small, the roughness of the silicon surface before oxidation is largely reflected on the flatness of the oxide film / substrate interface after oxidation.

【0296】ここで、酸素ラジカル酸化は、流量概ね8
00sccmの酸素ガス流に対して、周波数2.45G
Hz、出力200Wのマイクロ波プラズマを立て、この
ダウンフロー雰囲気中に、例えば温度900℃に加熱し
たシリコン基板を例えば1分間晒して行った。雰囲気圧
力は例えば例えば5Torrとし、形成されたシリコン
酸化膜の厚さは例えば3nmであった。
Here, the oxygen radical oxidation is carried out at a flow rate of about 8
A frequency of 2.45 G for an oxygen gas flow of 00 sccm
A silicon plasma heated to 900 ° C., for example, was heated to 900 ° C. in this downflow atmosphere for 1 minute, for example. The ambient pressure was, for example, 5 Torr, and the thickness of the formed silicon oxide film was, for example, 3 nm.

【0297】乾燥酸化は、例えば、900℃、常圧の乾
燥酸素雰囲気にシリコン基板を例えば2分間晒し、例え
ば厚さ3nmのシリコン酸化膜を形成した。
In the dry oxidation, for example, the silicon substrate was exposed to a dry oxygen atmosphere at 900 ° C. and normal pressure for 2 minutes, for example, to form a silicon oxide film having a thickness of 3 nm, for example.

【0298】wet酸化は、例えば、窒素ガスで50%
に希釈した常圧の水素燃焼雰囲気に、シリコン基板を例
えば2分間晒し、例えば厚さ3nmのシリコン酸化膜を
形成した。
In the wet oxidation, for example, 50%
The silicon substrate was exposed to, for example, a hydrogen combustion atmosphere at normal pressure diluted for 2 minutes to form a silicon oxide film having a thickness of, for example, 3 nm.

【0299】また、オゾン雰囲気で薄膜酸化膜を形成し
ても良い。例えば、O/O〜7%のオゾン含有ガス
をオゾナイザーで形成し、例えば900℃に加熱したシ
リコン基板表面を、例えば5分間、このオゾン含有ガス
雰囲気に晒し、例えば厚さ3nmのシリコン酸化膜を形
成した。雰囲気圧力は、例えば5Torrとした。
Also, a thin oxide film may be formed in an ozone atmosphere. For example, an ozone-containing gas of O 3 / O 2 77% is formed by an ozonizer, and the surface of a silicon substrate heated to, for example, 900 ° C. is exposed to this ozone-containing gas atmosphere for, for example, 5 minutes to form a silicon oxide having a thickness of, for example, 3 nm. A film was formed. The atmosphere pressure was, for example, 5 Torr.

【0300】これに対して、熱酸化による従来技術を用
いてバッファ酸化膜12を形成した場合には、ゲート酸
化膜13形成前の基板11表面の平坦性が不十分である
ため、基板/酸化膜界面の平坦化作用の高い酸素ラジカ
ル酸化を用いても、平坦な基板/ゲート酸化膜界面を得
ることはできない。
On the other hand, when the buffer oxide film 12 is formed by using the conventional technique based on thermal oxidation, the surface of the substrate 11 before the gate oxide film 13 is formed is insufficiently flat. Even if oxygen radical oxidation having a high planarizing effect on the film interface is used, a flat substrate / gate oxide film interface cannot be obtained.

【0301】(第6の実施形態)図19(a1)〜図1
9(c1)は、本発明の第6の実施形態を示した図であ
り、本発明を基板表面に形成された穴や溝の埋め込み工
程の前工程に用いる場合について示したものである。図
19(a1)〜図19(c1)が本発明に係る工程であ
り、図19(a2)〜図19(c2)は対比のために従
来技術を用いた工程を示したものである。
(Sixth Embodiment) FIGS. 19 (a1) to 1
9 (c1) is a view showing a sixth embodiment of the present invention, and shows a case where the present invention is used in a pre-process of a process of embedding a hole or a groove formed in a substrate surface. 19 (a1) to 19 (c1) show steps according to the present invention, and FIGS. 19 (a2) to 19 (c2) show steps using a conventional technique for comparison.

【0302】まず、図19(a1)及び図19(a2)
に示すように、シリコン基板21にRIEによって溝又
は穴23を形成する。このとき基板表面にはRIEダメ
ージ層22が形成される。続いて、図19(b1)に示
すように、酸素ラジカル酸化によってバッファ酸化膜2
4(膜厚8nm以上が好ましい)を形成する。例えば、
流量概ね800sccmの酸素ガス流に対して、周波数
2.45GHz、出力200Wのマイクロ波プラズマを
立て、このダウンフロー雰囲気中に、例えば温度930
℃に加熱したシリコン基板を例えば15分間晒して、例
えば10nmのシリコン酸化膜を形成した。雰囲気圧力
は、例えば5Torrとした。
First, FIGS. 19 (a1) and 19 (a2)
As shown in FIG. 5, a groove or hole 23 is formed in the silicon substrate 21 by RIE. At this time, the RIE damage layer 22 is formed on the substrate surface. Subsequently, as shown in FIG. 19 (b1), the buffer oxide film 2 is formed by oxygen radical oxidation.
4 (preferably 8 nm or more in thickness) is formed. For example,
A microwave plasma having a frequency of 2.45 GHz and an output of 200 W is set up with respect to an oxygen gas flow having a flow rate of approximately 800 sccm.
The silicon substrate heated to ° C. was exposed, for example, for 15 minutes to form a silicon oxide film of, eg, 10 nm. The atmosphere pressure was, for example, 5 Torr.

【0303】従来技術では、図19(b2)に示すよう
に、通常の熱酸化によってバッファ酸化膜24を形成す
る。例えば、流量概ね20l/分、1000℃の乾燥酸
素雰囲気に、シリコン基板を例えば20分間晒し、例え
ば厚さ20nmのシリコン酸化膜を形成した。その後、
図19(c1)及び図19(c2)に示すように、バッ
ファ酸化膜24を剥離する。例えば、概ね0.25%の
フッ化水素水溶液に、基板を例えば12分間浸した。
In the prior art, as shown in FIG. 19B2, the buffer oxide film 24 is formed by ordinary thermal oxidation. For example, the silicon substrate was exposed to a dry oxygen atmosphere at a flow rate of approximately 20 l / min and 1000 ° C. for, for example, 20 minutes to form a silicon oxide film having a thickness of, for example, 20 nm. afterwards,
As shown in FIGS. 19C1 and 19C2, the buffer oxide film 24 is peeled off. For example, the substrate was immersed in an approximately 0.25% aqueous hydrogen fluoride solution for, for example, 12 minutes.

【0304】従来技術でバッファ酸化膜24を形成した
場合には、RIEダメージ層(破線の上側)のみならず
非ダメージ層(破線の下側)もかなりの膜厚でバッファ
酸化膜24中に取り込んでしまっている。従って、バッ
ファ酸化膜剥離後、基板表面の平坦性が悪いのみなら
ず、溝や穴の幅や深さが必要以上に広がってしまい、半
導体素子の微細化に対して大きな障害となる。また、底
面や側壁に大きな凹凸があるので、後工程で埋め込まれ
る絶縁層の絶縁破壊が発生しやすい。これに対して、酸
素ラジカル酸化によってRIEダメージ層をわずかに上
回る膜厚でバッファ酸化膜24を形成した場合には、バ
ッファ酸化による基板表層の損失が必要最小限で済み、
半導体素子の微細化につながるとともに、基板表面並び
に穴や溝の底面及び側壁は極めて平坦となり、また、穴
や溝の上端の角も丸くなり後工程で埋め込まれる絶縁層
の絶縁破壊耐性が向上する。
When the buffer oxide film 24 is formed by the conventional technique, not only the RIE damaged layer (above the broken line) but also the non-damaged layer (below the broken line) are taken into the buffer oxide film 24 with a considerable thickness. It has gone. Therefore, after the buffer oxide film is peeled off, not only the flatness of the substrate surface is poor, but also the width and depth of the grooves and holes are unnecessarily widened, which is a great obstacle to miniaturization of semiconductor elements. In addition, since the bottom and side walls have large irregularities, dielectric breakdown of an insulating layer embedded in a later step is likely to occur. On the other hand, when the buffer oxide film 24 is formed with a thickness slightly larger than the RIE damage layer by oxygen radical oxidation, the loss of the substrate surface layer due to the buffer oxidation is required to be a minimum.
In addition to miniaturization of the semiconductor element, the surface of the substrate and the bottom and side walls of the holes and grooves become extremely flat, and the corners of the upper ends of the holes and grooves become rounded, thereby improving the dielectric breakdown resistance of an insulating layer embedded in a later step. .

【0305】本発明を用いて、例えば0.5μm、深さ
0.4μmの素子分離用の溝の内壁及び底面を、上に述
べた、ラジカル酸化による厚さ10nmの酸化膜形成
後、フッ酸による酸化膜剥離という手順で平坦化し、こ
の溝に対して、例えばTEOS(Si(OC
)を用いたCVD法により、シリコン酸化膜
を埋め込んだ。例えば、TEOSの流量は500scc
m、圧力は概ね1Torrとし、700℃に加熱した基
板を例えば、30分間晒して、溝をシリコン酸化膜で埋
め込んだ。
According to the present invention, the inner wall and the bottom surface of the element isolation groove having a thickness of, for example, 0.5 μm and a depth of 0.4 μm are formed on the above-mentioned oxide film having a thickness of 10 nm by radical oxidation. Is flattened by a procedure called oxide film stripping by TEOS (Si (OC (OC
A silicon oxide film was embedded by a CVD method using 2 H 5 ) 4 ). For example, the flow rate of TEOS is 500 scc
m, the pressure was approximately 1 Torr, and the substrate heated to 700 ° C. was exposed, for example, for 30 minutes to fill the groove with a silicon oxide film.

【0306】また、例えば、幅0.4μm、深さ4μm
のトレンチキャパシタの内壁及び底面を、上に述べた、
ラジカル酸化による10nmの酸化膜形成後、フッ酸に
よる酸化膜剥離という手順で平坦化し、この穴の内壁を
酸化雰囲気で酸化後、誘電体を埋め込んだ。
Also, for example, a width of 0.4 μm and a depth of 4 μm
The inner wall and bottom surface of the trench capacitor of the above,
After forming an oxide film of 10 nm by radical oxidation, the oxide film was planarized by the procedure of peeling the oxide film with hydrofluoric acid.

【0307】平坦か処理されたトレンチの内部の酸化で
は、例えば、流量概ね20l/分、常圧、1000℃の
乾燥酸素雰囲気に、シリコン基板を例えば20分間晒
し、例えば厚さ20nmのシリコン酸化膜を形成した。
なお、この酸化には、例えばwet酸化雰囲気、酸素ラ
ジカル雰囲気、オゾン雰囲気など他の酸化方法を用いて
も良い。
In oxidizing the inside of the flattened or processed trench, for example, the silicon substrate is exposed to a dry oxygen atmosphere at a flow rate of approximately 20 l / min, normal pressure and 1000 ° C. for 20 minutes, for example, a silicon oxide film having a thickness of 20 nm. Was formed.
For this oxidation, other oxidation methods such as a wet oxidation atmosphere, an oxygen radical atmosphere, and an ozone atmosphere may be used.

【0308】酸化膜が内壁表面に形成されたトレンチ内
に、例えば低圧CVD法を用いて、ポリシリコン層の堆
積を行った。例えば100sccmのシランガスを基板
近傍に導入し、圧力を例えば0.1Torrとした。基
板温度を例えば620℃とし、概ね40分間でトレンチ
内壁をポリシリコンで埋め込んだ。ポリシリコン層の代
わりに、例えば、RZT(Pb−Zn−Ti酸化物)や
BSTO(Ba−Sr−Ti酸化物)のような強誘電体
を埋め込んでも良い。
A polysilicon layer was deposited in the trench in which the oxide film was formed on the inner wall surface by using, for example, a low pressure CVD method. For example, a silane gas of 100 sccm was introduced near the substrate, and the pressure was set to, for example, 0.1 Torr. The substrate temperature was set to, for example, 620 ° C., and the trench inner wall was buried with polysilicon for approximately 40 minutes. Instead of the polysilicon layer, for example, a ferroelectric material such as RZT (Pb-Zn-Ti oxide) or BSTO (Ba-Sr-Ti oxide) may be embedded.

【0309】これらのいずれも、乾燥酸化後に酸化膜を
剥離する従来法より、穴や溝の平坦性が向上したので、
穴や溝に埋め込み後の素子分離用の溝やトレンチキャパ
シタの絶縁破壊耐性が、従来より向上した。
In any of these, the flatness of holes and grooves was improved as compared with the conventional method in which an oxide film was peeled off after dry oxidation.
The dielectric breakdown resistance of the trench for element isolation and the trench capacitor after being buried in the hole or the groove has been improved as compared with the related art.

【0310】本実施形態において、シリコン層表面を平
坦にするのに必要なバッファ酸化の酸化膜厚として6.
4nmを越える厚さが好ましいとしているが、この値に
ついて補足する。
In the present embodiment, the oxide film thickness of the buffer oxidation necessary for flattening the surface of the silicon layer is 6.
Although a thickness exceeding 4 nm is preferred, this value will be supplemented.

【0311】図20は、ラジカル酸化(酸素活性種を用
いた酸化)によって形成されたシリコン酸化膜につい
て、SiO/Si(100)界面ラフネスの酸化膜厚
依存性である。ここで界面ラフネスは、SiO/Si
(100)界面の断面TEM(透過型電子顕微鏡)写真
上で、SiO/Si界面の最高点と最低点との間の高
さである。TEM写真の界面方向の視野は約70nmで
ある。図20でSiO/Si界面ラフネスが小さいほ
ど、酸化膜除去後のシリコン表面の平坦性が高まる。
FIG. 20 shows the dependency of the SiO 2 / Si (100) interface roughness on the oxide film thickness of a silicon oxide film formed by radical oxidation (oxidation using oxygen active species). Here, the interface roughness is SiO 2 / Si
(100) The height between the highest point and the lowest point of the SiO 2 / Si interface on a cross-sectional TEM (transmission electron microscope) photograph of the interface. The visual field in the interface direction of the TEM photograph is about 70 nm. In FIG. 20, the lower the SiO 2 / Si interface roughness, the higher the flatness of the silicon surface after removing the oxide film.

【0312】図20に示すように、通常の酸化前のSi
(100)表面には、2〜3原子層の高さのラフネスが
ある。この表面を酸化すると、酸化の進行とともにSi
/Si(100)界面ラフネスの高さが小さくな
る。酸素ラジカルで酸化して6.4nmを越える厚さの
酸化膜を形成すると、SiO/Si(100)界面ラ
フネスの高さが1原子層以下となり、原子レベルで平坦
なSiO/Si(100)界面が形成される。一方従
来の乾燥酸化では、厚さ10nmの酸化膜を形成して
も、1〜2原子層の高さの界面ラフネスが残り、平坦な
SiO/Si(100)界面が得られない。従って、
原子レベルで平坦なシリコン表面を形成するには、ラジ
カル酸化で6.4nmを越える厚さの酸化膜を形成し、
この酸化膜を除去すればよい。
[0312] As shown in FIG.
The (100) surface has a roughness of a height of 2 to 3 atomic layers. When this surface is oxidized, the oxidation proceeds and the Si
The height of the O 2 / Si (100) interface roughness is reduced. When an oxide film having a thickness exceeding 6.4 nm is formed by oxidation with oxygen radicals, the height of the SiO 2 / Si (100) interface roughness becomes one atomic layer or less, and the SiO 2 / Si (100 ) An interface is formed. On the other hand, in the conventional dry oxidation, even if an oxide film having a thickness of 10 nm is formed, an interface roughness of a height of 1 to 2 atomic layers remains, and a flat SiO 2 / Si (100) interface cannot be obtained. Therefore,
In order to form a flat silicon surface at the atomic level, an oxide film having a thickness exceeding 6.4 nm is formed by radical oxidation.
This oxide film may be removed.

【0313】(第7の実施形態)酸化前の半導体表面の
凹凸が大きい場合における実施形態を説明する。
(Seventh Embodiment) An embodiment in which the unevenness of the semiconductor surface before oxidation is large will be described.

【0314】バッファ酸化前の半導体表面の凹凸が大き
いと、酸素活性種を用いたバッファ酸化で厚さが概ね8
〜10nmの酸化膜を形成しても、酸化前の凹凸を解消
し切れない。酸素活性種で形成するバッファ酸化膜の厚
さを大きくしてもよいが、図21に示すように、酸素ラ
ジカルによる酸化には酸化膜の成長が飽和するという傾
向があるので、酸素活性種による酸化の膜厚を大きくす
ることはさほど効率的ではない。より好ましくは、図2
2に示すように、酸化膜の形成と除去とを複数回行うこ
とが有効である。
If the unevenness of the semiconductor surface before the buffer oxidation is large, the thickness becomes approximately 8 by the buffer oxidation using the oxygen active species.
Even if an oxide film having a thickness of 10 to 10 nm is formed, unevenness before oxidation cannot be completely eliminated. Although the thickness of the buffer oxide film formed of oxygen active species may be increased, as shown in FIG. 21, oxidation by oxygen radicals tends to saturate the growth of the oxide film. Increasing the oxidation thickness is not very efficient. More preferably, FIG.
As shown in FIG. 2, it is effective to form and remove the oxide film a plurality of times.

【0315】酸素活性種を用いる酸化によって酸化膜/
シリコン基板界面が原子レベルで平坦化される原因は、
この酸化による酸化膜成長速度を比べて見ると、次のよ
うに考えられる。
An oxide film is formed by oxidation using oxygen active species.
The reason that the silicon substrate interface is flattened at the atomic level is
The following can be considered when comparing the oxide film growth rate by this oxidation.

【0316】図21は、酸素活性種を用いて形成される
酸化膜厚の酸化時間依存性である。酸化の初期には急速
に酸化膜が成長し、酸化膜の成長とともに膜厚の増加が
抑制される。このことから、酸素活性種による酸化に
は、酸素ラジカルによるシリコンの酸化は急速に進行
し、一方酸化膜内では酸素ラジカルの拡散が抑制される
という特徴がある。酸化膜成長速度が、本図中に示され
るような対数関数でフィッティングされることは、酸素
ラジカルが酸化成の中で失活することを示している。酸
化膜中の酸素ラジカル濃度が酸化膜表面の1/e(e:
自然対数の底)になる深さは、緩和距離d*=3nmで
表される。
FIG. 21 shows the dependence of the thickness of an oxide film formed using oxygen active species on the oxidation time. An oxide film grows rapidly in the early stage of oxidation, and an increase in the film thickness is suppressed as the oxide film grows. For this reason, oxidation by oxygen active species has a feature that oxidation of silicon by oxygen radicals proceeds rapidly, while diffusion of oxygen radicals in the oxide film is suppressed. The fact that the growth rate of the oxide film is fitted by a logarithmic function as shown in this figure indicates that oxygen radicals are deactivated during oxidation. The oxygen radical concentration in the oxide film is 1 / e (e:
The depth at which the natural logarithm is reached is represented by the relaxation distance d * = 3 nm.

【0317】図20から、酸化膜/基板界面の平坦化の
効果は膜原6.4nmを越えた範囲で見出される。この
膜厚は、図21に示した緩和距離d*よりかなり大きい
ので、酸化膜/基板界面近傍での酸素ラジカル濃度は、
ラジカルの酸化膜中での失活によって極めて小きくなっ
ていると考えられる。従って、酸素ラジカルが酸化膜/
基板界面近傍において界面方向に容易に移動できるよう
になり、界面の1原子層レベルの凹凸をラジカルが感知
し、界面の凸部にあって酸化されていないSi原子を酸
素ラジカルが酸化し、界面が原子レベルまで平坦化され
るものと推定される。
From FIG. 20, the effect of flattening the oxide film / substrate interface is found in a range exceeding the film thickness of 6.4 nm. Since this film thickness is considerably larger than the relaxation distance d * shown in FIG. 21, the oxygen radical concentration near the oxide film / substrate interface is:
It is considered that the size has been extremely reduced due to the deactivation of radicals in the oxide film. Therefore, oxygen radicals are
In the vicinity of the substrate interface, it is possible to easily move in the interface direction, the radical senses the unevenness at the level of one atomic layer at the interface, and oxygen radicals oxidize the unoxidized Si atoms at the interface protrusions, Is estimated to be flattened to the atomic level.

【0318】図20によると、酸化前のシリコン基板表
面には概ね3原子層の凹凸があり、ラフネスの高さは概
ね0.8〜1nmである。このラフネスを解消するため
に、ラジカル酸化で厚さ6.4nmを越えて概ね10n
mの厚さまで酸化膜を形成する必要がある。このことか
ら、酸素活性種を用いてシリコン表面のラフネスを解消
するためには、ラフネスの高さの概ね10倍の厚さまで
シリコン酸化膜を形成し、形成される酸化膜を除去する
ことが好ましい。
According to FIG. 20, the surface of the silicon substrate before oxidation has irregularities of approximately three atomic layers, and the height of the roughness is approximately 0.8 to 1 nm. In order to eliminate this roughness, the thickness exceeds 6.4 nm by radical oxidation and is approximately 10 n.
It is necessary to form an oxide film to a thickness of m. For this reason, in order to eliminate the roughness of the silicon surface using the oxygen active species, it is preferable to form the silicon oxide film up to a thickness approximately 10 times the height of the roughness and remove the formed oxide film. .

【0319】図22には、凹凸の大きい半導体表面の平
坦化のため、酸化膜の形成と除去とを複数回行う工程の
例を、トレンチ内壁の平坦化を例に示している。
FIG. 22 shows an example of a process of forming and removing an oxide film a plurality of times to planarize a semiconductor surface having large irregularities, taking planarization of an inner wall of a trench as an example.

【0320】図22(a)は、例えばRIE(反応性イ
オンエッチング)工程によって形成された直後のトレン
チである。
FIG. 22A shows a trench immediately after being formed by, for example, an RIE (reactive ion etching) process.

【0321】RIE工程直後のトレンチに対して1回目
のバッファ酸化を行って図22(b)の形状とし、Si
を除去すると、図22(c)のように、内壁表面の
ラフネスが改善されたトレンチが得られる。この1回目
のバッファ酸化は、酸素活性種を用いた酸化のみなら
ず、乾燥酸化、水蒸気雰囲気でのwet酸化、塩酸雰囲
気での酸化、オゾンあるいは強酸化水素を含む液相での
酸化など、従来法による酸化でもよい。
The first buffer oxidation is performed on the trench immediately after the RIE step to obtain the shape shown in FIG.
When O 2 is removed, a trench having improved inner wall surface roughness is obtained as shown in FIG. This first buffer oxidation includes conventional oxidation such as dry oxidation, wet oxidation in a steam atmosphere, oxidation in a hydrochloric acid atmosphere, and oxidation in a liquid phase containing ozone or strong hydrogen oxide, as well as oxidation using active oxygen species. Oxidation by a method may be used.

【0322】ここでトレンチは、例えば幅0.4μm、
深さ4μmのものを用いた。1回目のバッファ酸化に
は、例えば、酸素ラジカル雰囲気を用いた。すなわち、
例えば、流量概ね800sccmの酸素ガス流に対し、
1回目のバッファ酸化によってトレンチ内壁の平坦性を
ある程度高めた後、2回目のバッファ酸化を行って図2
2(d)の形状とし、SiOを除去すると、図22
(e)のように、内壁表面のラフネスがさらに改善され
たトレンチが得られる。酸化膜除去後のトレンチ内壁の
平坦性を高めるため、この2回目のバッファ酸化には酸
化活性種を用いることが好ましい。
Here, the trench has a width of, for example, 0.4 μm,
The one having a depth of 4 μm was used. For the first buffer oxidation, for example, an oxygen radical atmosphere was used. That is,
For example, for an oxygen gas flow at a flow rate of approximately 800 sccm,
After increasing the flatness of the inner wall of the trench to some extent by the first buffer oxidation, the second buffer oxidation was performed to
22 (d), and when SiO 2 is removed, FIG.
As shown in (e), a trench with further improved roughness on the inner wall surface is obtained. In order to enhance the flatness of the inner wall of the trench after removing the oxide film, it is preferable to use an oxidizing active species for the second buffer oxidation.

【0323】2回目のバッファ酸化には、例えば、酸化
ラジカル雰囲気を用いた。すなわち、例えば、流量概ね
800sccmの酸素ガス流に対して、周波数2.45
GHz、出力200Wのマイクロ波プラズマを立て、こ
のダウンフロー雰囲気中に、例えば温度900℃に加熱
したシリコン基板を例えば1分間晒して行った。雰囲気
圧力は例えば例えば5Torrとし、形成されたシリコ
ン酸化膜の厚さは例えば10nmであった。酸化膜形成
後、例えば、概ね0.25%のフッ化水素水溶液に、基
板を例えば12分間浸し、形成された酸化膜を剥離し
た。
In the second buffer oxidation, for example, an oxidized radical atmosphere was used. That is, for example, for an oxygen gas flow having a flow rate of approximately 800 sccm, a frequency of 2.45
A microwave plasma of GHz and output of 200 W was set up, and a silicon substrate heated to, for example, 900 ° C. was exposed to the downflow atmosphere for, for example, 1 minute. The ambient pressure was, for example, 5 Torr, and the thickness of the formed silicon oxide film was, for example, 10 nm. After the formation of the oxide film, the substrate was immersed in, for example, an approximately 0.25% aqueous hydrogen fluoride solution for, for example, 12 minutes to peel off the formed oxide film.

【0324】半導体表面の平坦性を高めるため、前記1
回目のバッファ酸化を複数回行ってもよい。また、前記
2回目のバッファ酸化の後、例えば次工程の前処理とし
て、平坦化された半導体表面のラフネスを悪化させない
程度に、再度、何らかの方法により酸化を行い、酸化膜
を除去してもよい。
In order to improve the flatness of the semiconductor surface,
The second buffer oxidation may be performed a plurality of times. Further, after the second buffer oxidation, for example, as a pretreatment of the next step, oxidation may be performed again by any method so as not to deteriorate the roughness of the planarized semiconductor surface to remove the oxide film. .

【0325】(第8の実施形態)図23(a1)〜図2
3(d1)は、本発明の第8の実施形態を示した図であ
り、本発明をコンタクトホール底面に露出した基板表面
の平坦化に用いる場合について示したものである。図2
3(a1)〜図23(d1)が本発明に係る工程であ
り、図24(a2)及び図24(b2)は対比のために
従来技術を用いた工程を示したものである。なお、図2
4(b2)の工程が図23(d1)の工程に対応してい
る。
(Eighth Embodiment) FIGS. 23A1 to 23A2
FIG. 3 (d1) is a diagram showing an eighth embodiment of the present invention, and shows a case where the present invention is used for flattening a substrate surface exposed at the bottom of a contact hole. FIG.
3 (a1) to FIG. 23 (d1) show steps according to the present invention, and FIGS. 24 (a2) and 24 (b2) show steps using a conventional technique for comparison. Note that FIG.
Step 4 (b2) corresponds to the step of FIG. 23 (d1).

【0326】まず、図23(a1)及び図24(a2)
に示すように、シリコン基板31上にソース・ドレイン
となる不純物拡散層32及び層間絶縁膜33を形成し、
RIE等によってコンタクトホール34を形成する。こ
のとき、露出した不純物拡散層32の表面には凹凸が形
成される。その後、本発明では、コンタクトホールを開
孔した後、図23(b1)に示すように、酸素ラジカル
酸化によってコンタクトホール底面にバッファ酸化膜3
5(6.4nmを越える膜厚が好ましい)を形成する。
続いて、図23(c1)に示すように、バッファ酸化膜
35を剥離した後、図23(d1)に示すように、金属
配線層36を形成する。
First, FIGS. 23 (a1) and 24 (a2)
As shown in FIG. 3, an impurity diffusion layer 32 serving as a source / drain and an interlayer insulating film 33 are formed on a silicon substrate 31.
A contact hole 34 is formed by RIE or the like. At this time, irregularities are formed on the exposed surface of the impurity diffusion layer 32. Thereafter, in the present invention, after the contact hole is opened, the buffer oxide film 3 is formed on the bottom surface of the contact hole by oxygen radical oxidation as shown in FIG.
5 (preferably with a film thickness exceeding 6.4 nm).
Subsequently, as shown in FIG. 23 (c1), after the buffer oxide film 35 is peeled off, a metal wiring layer 36 is formed as shown in FIG. 23 (d1).

【0327】コンタクトホールの幅は例えば、0.3μ
m、深さは例えば500nm出会った。底面のバッファ
酸化膜35の形成には、例えば酸素ラジカルを用いた。
すなわち、例えば、流量概ね800sccmの酸素ガス
流に対して、周波数2.45GHz、出力200Wのマ
イクロ波プラズマを立て、このダウンフロー雰囲気中
に、例えば温度700℃に加熱したシリコン基板を例え
ば90分間晒して行った。雰囲気圧力は例えば例えば5
Torrとし、形成されたシリコン酸化膜の厚さは例え
ば10nmであった。
The width of the contact hole is, for example, 0.3 μm.
m and a depth of, for example, 500 nm. For example, oxygen radicals were used to form the buffer oxide film 35 on the bottom surface.
That is, for example, a microwave plasma having a frequency of 2.45 GHz and an output of 200 W is set up against an oxygen gas flow having a flow rate of approximately 800 sccm, and a silicon substrate heated to, for example, a temperature of 700 ° C. is exposed to the downflow atmosphere for, for example, 90 minutes. I went. The ambient pressure is, for example, 5
Torr, and the thickness of the formed silicon oxide film was, for example, 10 nm.

【0328】バッファ酸化膜の除去には、例えば、フッ
化水素とメタノールとの混合気体雰囲気を用いた。フッ
化水素とメタノールとの混合割合は、例えば、これらの
共沸組成である38.5%と61.5%としたが、フッ
化水素の割合を低下させて酸化膜のエッチング速度を調
節しても良い。この気相雰囲気に、例えば室温、常厚で
1分間、基板を晒し、バッファ酸化膜を除去した。この
工程は、バッファ酸化膜形成工程終了後、基板を少なく
とも外気に晒さずに連続的に行った。
For the removal of the buffer oxide film, for example, a mixed gas atmosphere of hydrogen fluoride and methanol was used. The mixing ratio of hydrogen fluoride and methanol was, for example, 38.5% and 61.5%, which are the azeotropic compositions thereof, but the ratio of hydrogen fluoride was reduced to adjust the etching rate of the oxide film. May be. The substrate was exposed to this vapor phase atmosphere at room temperature and normal thickness for 1 minute, for example, to remove the buffer oxide film. This step was continuously performed without exposing the substrate to at least the outside air after the buffer oxide film forming step was completed.

【0329】気相でのバッファ酸化膜除去工程には、フ
ッ化水素とメタノールとの皇后上記雰囲気以外にも、例
えば、無水フッ化水素上記雰囲気、紫外線励起のF
ガス、CFのようなF含有ガスによるCDE(化
学的ドライエッチング)やRIE(反応性イオンエッチ
ング)、水素ラジカル処理、ArプラズマやNプラズ
マによるスパッタリングを用いても良い。
In the step of removing the buffer oxide film in the gas phase, in addition to the above-mentioned atmosphere of the empress of hydrogen fluoride and methanol, for example, the above-mentioned atmosphere of anhydrous hydrogen fluoride, F 2 /
CDE (chemical dry etching) or RIE (reactive ion etching) with an F-containing gas such as H 2 gas or CF 4 , hydrogen radical treatment, or sputtering with Ar plasma or N 2 plasma may be used.

【0330】バッファ酸化膜が除去されたコンタクトホ
ール内を含めた基板全体に、マグネトロンスパッタ法に
より例えば厚さ200nmのアルミニウムを堆積させ、
配線層を形成した。
On the entire substrate including the inside of the contact hole from which the buffer oxide film was removed, aluminum having a thickness of, for example, 200 nm was deposited by magnetron sputtering.
A wiring layer was formed.

【0331】このように、本発明ではコンタクトホール
底面にバッファ酸化膜を形成した後これを剥離するの
で、極めて平坦なコンタクトホール底面が得られる。し
たがって、配線層が底面上に均一に成長するので、配線
層と基板との接触抵抗が低減され、配線層の信頼性が向
上するとともに、不純物拡散層での電荷の突き抜けが防
止され、不純物注入層の深さを浅くすることが可能とな
る。なお、金属配線層を堆積する代わりに、平坦化され
たコンタクトホール底面のシリコン基板をシリサイド化
して金属シリサイド層を形成した場合にも同様の効果が
得られる。
As described above, according to the present invention, since the buffer oxide film is formed on the bottom surface of the contact hole and then removed, an extremely flat bottom surface of the contact hole can be obtained. Therefore, since the wiring layer grows uniformly on the bottom surface, the contact resistance between the wiring layer and the substrate is reduced, the reliability of the wiring layer is improved, and charge penetration in the impurity diffusion layer is prevented, and the impurity implantation is performed. The depth of the layer can be reduced. Note that the same effect can be obtained when the metal silicide layer is formed by silicidizing the flattened silicon substrate on the bottom surface of the contact hole instead of depositing the metal wiring layer.

【0332】シリサイド層は、例えば、厚さ20nmの
チタン層をマグネトロンスパッタ法によって基板上に堆
積し、続いて、例えば700℃、30秒の熱処理を行っ
て形成した。このシリサイド層を含む基板全体に、スパ
ッタ法によって、例えば厚さ200nmのアルミニウム
層を形成した。なお、基板上に例えば厚さ70nmのチ
タンナイトライド層をスパッタ法で形成し、例えば70
0℃、30秒の熱処理によってシリサイド化し、更に例
えば厚さ200nmの銅を堆積しても良い。
The silicide layer was formed by depositing, for example, a titanium layer having a thickness of 20 nm on the substrate by magnetron sputtering, and subsequently performing a heat treatment at, for example, 700 ° C. for 30 seconds. An aluminum layer having a thickness of, for example, 200 nm was formed on the entire substrate including the silicide layer by a sputtering method. A titanium nitride layer having a thickness of, for example, 70 nm is formed on the substrate by a sputtering method.
Silicide may be formed by a heat treatment at 0 ° C. for 30 seconds, and then, for example, copper having a thickness of 200 nm may be deposited.

【0333】(第9の実施形態)次に、本発明の第9の
実施形態として、本発明をMOSトランジスタの製造工
程に用いる場合について述べる。なお、本実施形態はE
EPROM等の不揮発性メモリについても同様に適用可
能である。
(Ninth Embodiment) Next, as a ninth embodiment of the present invention, a case where the present invention is used in a manufacturing process of a MOS transistor will be described. In the present embodiment, E
The same applies to a nonvolatile memory such as an EPROM.

【0334】図24は、第9の実施形態に係るnチャン
ネルMOSトランジスタの素子構造を示す断面図であ
る。
FIG. 24 is a sectional view showing an element structure of an n-channel MOS transistor according to the ninth embodiment.

【0335】p型シリコン基板41の表面には、本発明
を適用したトレンチ溝にシリコン酸化膜を埋め込んだ素
子分離領域44が形成されている。なお、LOCOS等
により素子分離を行ってもよい。素子領域のシリコン基
板41の表面には、ソース・ドレイン領域48として高
濃度のn型不純物拡散層が形成されている。また、シリ
コン基板41表面には、本発明を適用したゲート酸化膜
46が形成されており、このゲート酸化膜46上にはゲ
ート電極47として砒素を含有したポリシリコン膜が形
成されている。基板全面にはシリコン酸化膜49が形成
されており、このシリコン酸化膜49に開孔された接続
孔を介して、同一の導電層(Al等)をパターンニング
して形成された配線層50及び51が設けられている。
On the surface of the p-type silicon substrate 41, an element isolation region 44 in which a silicon oxide film is buried in a trench to which the present invention is applied is formed. Note that element isolation may be performed by LOCOS or the like. On the surface of the silicon substrate 41 in the element region, a high concentration n-type impurity diffusion layer is formed as a source / drain region 48. On the surface of the silicon substrate 41, a gate oxide film 46 to which the present invention is applied is formed. On this gate oxide film 46, a polysilicon film containing arsenic is formed as a gate electrode 47. A silicon oxide film 49 is formed on the entire surface of the substrate, and a wiring layer 50 and a wiring layer 50 formed by patterning the same conductive layer (such as Al) through connection holes formed in the silicon oxide film 49 are formed. 51 are provided.

【0336】図25〜図27は、図24のnチャネルM
OSトランジスタの製造方法を示す工程断面図である。
以下、図25〜図27にしたがって、製造工程について
説明する。
FIGS. 25 to 27 show n channel M of FIG.
FIG. 7 is a process cross-sectional view illustrating the method for manufacturing the OS transistor.
Hereinafter, the manufacturing process will be described with reference to FIGS.

【0337】まず、図25(a)に示すように、例えば
反応性イオンエッチング(RIE)法を用いて、p型シ
リコン基板41の表面にトレンチ溝42を形成する。溝
の底面や側壁にはエッチング種によって凹凸が形成され
る。
First, as shown in FIG. 25A, a trench 42 is formed on the surface of a p-type silicon substrate 41 by using, for example, a reactive ion etching (RIE) method. Irregularities are formed on the bottom and side walls of the groove depending on the type of etching.

【0338】次に、図25(b)に示すように、p型シ
リコン基板41を例えば800℃の酸素ラジカル雰囲気
に60分間晒し、例えば膜厚10nmのバッファ酸化膜
43を形成する。その結果、酸素ラジカル酸化膜の基板
/酸化膜界面平坦化作用により、トレンチ溝の底面や側
面の平坦性が向上する。なお、図25(b)の例では、
トレンチ溝以外の基板表面も同時に酸化され平坦性が向
上しているが、トレンチ溝以外の領域にシリコン酸化膜
等によるマスク層を設けてトレンチ溝のみを酸化しても
よい。
Next, as shown in FIG. 25B, the p-type silicon substrate 41 is exposed to, for example, an oxygen radical atmosphere at 800 ° C. for 60 minutes to form a buffer oxide film 43 having a thickness of, for example, 10 nm. As a result, the flatness of the bottom surface and side surfaces of the trench groove is improved by the flattening action of the oxygen radical oxide film at the substrate / oxide film interface. In the example of FIG. 25B,
Although the surface of the substrate other than the trench groove is also oxidized at the same time to improve the flatness, a mask layer such as a silicon oxide film may be provided in a region other than the trench groove to oxidize only the trench groove.

【0339】酸素ラジカルを用いたバッファ酸化膜43
は、例えば図4に示した製造装置を用いて形成される。
Buffer oxide film 43 using oxygen radicals
Is formed using, for example, the manufacturing apparatus shown in FIG.

【0340】酸素ラジカルは、例えば、酸素ガス
(O)をマスフローコントローラ212、バルブ21
1、配管209等を通してシリコン基板101が設置さ
れた石英管201内に導入し、この酸素ガスをプラズマ
放電することによって生成する。このようにして生成さ
れた酸素ラジカルは、ダウンフローによりシリコン基板
101に供給される。また、好ましくは、酸素ガスをガ
ス精製器210に通して精製し、酸素ガスに微量に混入
している水分や二酸化炭素等の不純物を取り除く。
As the oxygen radical, for example, oxygen gas (O 2 ) is supplied to the mass flow controller 212 and the valve 21.
1. The oxygen gas is introduced into the quartz tube 201 on which the silicon substrate 101 is installed through a pipe 209 or the like, and this oxygen gas is generated by plasma discharge. The oxygen radicals generated in this manner are supplied to the silicon substrate 101 by downflow. Preferably, the oxygen gas is purified by passing it through a gas purifier 210 to remove impurities such as water and carbon dioxide mixed in a small amount into the oxygen gas.

【0341】石英管201内の圧力は排気系により制御
され、例えば5Torrである。また、酸素ガス流量は
マスフローコントローラ212によって制御され、例え
ば800sccmである。プラズマ放電は、例えば石英
管201外に設置したキャビティ(マイクロ波プラズマ
発生用放電電極)を用いて行い、プラズマ周波数は例え
ば2.45GHz、放電出力は例えば200Wとする。
シリコン基板101は例えばヒーター206によって加
熱され、酸素ガスのプラズマ放電による酸化処理温度は
例えば800℃である。なお、本例では基板加熱用ヒー
ター206は抵抗加熱としているが、赤外線ランプによ
る輻射加熱を用いてもよい。また、本例では基板101
の表面がガス流に対して垂直になるよう設置されている
が、基板101の表面がガス流に対して任意の角度にな
るよう設置することも可能である。
The pressure in the quartz tube 201 is controlled by an exhaust system, for example, 5 Torr. The oxygen gas flow rate is controlled by the mass flow controller 212, and is, for example, 800 sccm. The plasma discharge is performed using, for example, a cavity (discharge electrode for generating microwave plasma) provided outside the quartz tube 201. The plasma frequency is, for example, 2.45 GHz, and the discharge output is, for example, 200 W.
The silicon substrate 101 is heated by, for example, the heater 206, and the oxidation treatment temperature by plasma discharge of oxygen gas is, for example, 800 ° C. In this example, the substrate heating heater 206 is of resistance heating, but radiation heating by an infrared lamp may be used. In this example, the substrate 101
Is set to be perpendicular to the gas flow, but it is also possible to set the surface of the substrate 101 at an arbitrary angle to the gas flow.

【0342】図25〜図27に示した製造工程の説明に
戻ると、図4の装置を用いてバッファ酸化膜43を形成
した後、図25(c)に示すように、バッファ酸化膜4
3を剥離する。その結果、底面及び側壁の平坦性が高い
トレンチ溝が得られる。酸化膜の剥離処理では、基板4
1を例えば0.25%のフッ化水素酸水溶液に、例えば
12分間浸す。酸化膜のエッチング速度が高すぎると、
酸化膜剥離後の基板表面のラフネスが悪化する。酸化膜
の剥離速度を抑制し、酸素ラジカル酸化膜の基板/酸化
膜界面の平坦性を悪化させないで基板表面を露出させる
ためには、フッ化水素酸水溶液濃度を1%以下とする
か、フッ化アンモニウム水溶液の水素イオン濃度を10
-4mol/l以下(pH≧4)とすることが好ましい。
なお、フッ化水素分子を含むガス雰囲気中でバッファ酸
化膜を剥離するようにしてもよい。
Returning to the description of the manufacturing process shown in FIGS. 25 to 27, after forming the buffer oxide film 43 using the apparatus of FIG. 4, the buffer oxide film 4 is formed as shown in FIG.
3 is peeled off. As a result, a trench having high flatness of the bottom surface and the side wall can be obtained. In the oxide film stripping process, the substrate 4
1 is immersed in, for example, a 0.25% aqueous solution of hydrofluoric acid, for example, for 12 minutes. If the oxide film etching rate is too high,
The roughness of the substrate surface after the oxide film is stripped is deteriorated. In order to suppress the stripping rate of the oxide film and expose the substrate surface without deteriorating the flatness of the oxygen radical oxide film at the substrate / oxide film interface, the concentration of the hydrofluoric acid aqueous solution is set to 1% or less, or The hydrogen ion concentration of the aqueous solution of ammonium
It is preferably -4 mol / l or less (pH ≧ 4).
Note that the buffer oxide film may be peeled off in a gas atmosphere containing hydrogen fluoride molecules.

【0343】次に、図25(d)に示すように、液相C
VD法等のCVD法を用いて、シリコン酸化膜44によ
りトレンチ溝を埋め込み、素子分離を行なう。
Next, as shown in FIG.
Using a CVD method such as a VD method, the trench is filled with the silicon oxide film 44 to perform element isolation.

【0344】次に、図26(e)に示すように、例えば
濃度5%のフッ化水素酸水溶液によりシリコン酸化膜4
4の上層部分を除去し、素子領域のシリコン基板41表
面を露出させる。露出した基板表面は、例えば、シリコ
ン酸化膜41の堆積工程における反応性プラズマや、比
較的膜厚の厚いシリコン酸化膜41の高速エッチングに
用いる高濃度のフッ化水素酸水溶液等により、平坦性が
悪くなる。
Next, as shown in FIG. 26 (e), the silicon oxide film 4 is formed using, for example, a 5% aqueous solution of hydrofluoric acid.
4 is removed to expose the surface of the silicon substrate 41 in the element region. The exposed surface of the substrate is made flat by, for example, reactive plasma in the deposition process of the silicon oxide film 41 or a high-concentration aqueous solution of hydrofluoric acid used for high-speed etching of the relatively thick silicon oxide film 41. become worse.

【0345】次に、図26(f)に示すように、基板4
1を酸素ラジカル雰囲気に晒し、バッファ酸化膜45を
形成する。酸化条件は、例えば上述した図25(b)の
工程と同様にする。その結果、酸化ラジカル酸化膜の基
板/酸化膜界面平坦化作用により、素子領域となる基板
表面が原子レベルで平坦化する。
Next, as shown in FIG.
1 is exposed to an oxygen radical atmosphere to form a buffer oxide film 45. The oxidation conditions are, for example, the same as those in the above-described step of FIG. As a result, the surface of the substrate as an element region is flattened at an atomic level by the flattening action of the oxide radical oxide film at the substrate / oxide film interface.

【0346】次に、図26(g)に示すように、バッフ
ァ酸化膜45を剥離することにより、平坦性が極めて高
い基板表面が得られる。酸化膜の剥離条件は、例えば上
述した図25(c)の工程と同様にする。
Next, as shown in FIG. 26 (g), by peeling off the buffer oxide film 45, a substrate surface with extremely high flatness can be obtained. The conditions for removing the oxide film are, for example, the same as those in the step of FIG.

【0347】次に、図26(h)に示すように、シリコ
ン基板41表面を酸化して、例えば膜厚3nmのゲート
酸化膜46を形成する。このような極薄酸化膜では、酸
化前の基板表面のラフネスが、酸化後の基板/酸化膜界
面の平坦性に大きく反映される。酸化ラジカル酸化によ
ってバッファ酸化膜45を形成し、ゲート酸化工程前の
基板表面を平坦化したことにより、極薄酸化膜でも極め
て平坦性の高い基板/ゲート酸化膜界面を得ることがで
きる。
Next, as shown in FIG. 26H, the surface of the silicon substrate 41 is oxidized to form a gate oxide film 46 having a thickness of, for example, 3 nm. In such an ultrathin oxide film, the roughness of the substrate surface before oxidation is largely reflected on the flatness of the substrate / oxide film interface after oxidation. By forming the buffer oxide film 45 by oxidation radical oxidation and flattening the substrate surface before the gate oxidation step, an extremely flat substrate / gate oxide film interface can be obtained even with an extremely thin oxide film.

【0348】ゲート酸化膜46の形成には、例えば、酸
素ラジカルを用いた。例えば、流量概ね800sccm
の酸素ガス流に対して、周波数2.45GHz、出力2
00Wのマイクロ波プラズマを立て、このダウンフロー
雰囲気中に、例えば温度900℃に加熱したシリコン基
板を例えば1分間晒して行った。雰囲気圧力は例えば例
えば5Torrとし、形成されたシリコン酸化膜の厚さ
は例えば3nmであった。この酸化膜の断面をTEM
(透過型電子顕微鏡)で観察したところ、酸化膜/基板
界面が原子レベルで平坦であった。図20に示したよう
に、通常のシリコン基板表面のラジカル酸化で厚さ3n
mの酸化膜を形成しても、酸化前に基板表面に概ね3原
子層の高さのラフネスがあるため、酸化膜/基板界面は
平坦にならない。
For forming the gate oxide film 46, for example, oxygen radicals were used. For example, the flow rate is approximately 800 sccm
2.45 GHz frequency, output 2
A microwave plasma of 00 W was set up, and a silicon substrate heated to, for example, a temperature of 900 ° C. was exposed to the downflow atmosphere for, for example, 1 minute. The ambient pressure was, for example, 5 Torr, and the thickness of the formed silicon oxide film was, for example, 3 nm. The cross section of this oxide film is
Observation with a (transmission electron microscope) revealed that the oxide film / substrate interface was flat at the atomic level. As shown in FIG. 20, a normal silicon substrate surface is subjected to radical oxidation to a thickness of 3n.
Even if an oxide film of m is formed, the oxide film / substrate interface is not flat because the surface of the substrate has a roughness of about three atomic layers before oxidation.

【0349】ゲート酸化膜46の形成のため、乾燥酸化
を用いても良い。例えば、900℃、常圧の乾燥酸素雰
囲気にシリコン基板を例えば2分間晒し、例えば厚さ3
nmのシリコン酸化膜を形成した。
For forming the gate oxide film 46, dry oxidation may be used. For example, the silicon substrate is exposed to a dry oxygen atmosphere at a normal pressure of 900 ° C. for 2 minutes, for example, to a thickness of 3
A silicon oxide film having a thickness of nm was formed.

【0350】ゲート酸化膜46の形成にwet酸化膜を
用いても良い。例えば、窒素ガスで50%に希釈した常
圧の水素燃焼雰囲気に、シリコン基板を例えば、2分間
晒し、例えば厚さ3nmのシリコン酸化膜を形成した。
A wet oxide film may be used for forming the gate oxide film 46. For example, the silicon substrate was exposed, for example, to a normal-pressure hydrogen combustion atmosphere diluted with a nitrogen gas to 50% for 2 minutes to form a silicon oxide film having a thickness of, for example, 3 nm.

【0351】ゲート酸化膜46の形成にオゾン雰囲気を
用いても良い。O/O〜7%のオゾン含有ガスをオ
ゾナイザーで形成し、例えば900度に加熱したシリコ
ン基板表面を、例えば5分間、このオゾン含有ガス雰囲
気に晒し、例えば厚さ3nmのシリコン酸化膜を形成し
た。雰囲気圧力は、例えば5Torrとした。
An ozone atmosphere may be used for forming the gate oxide film 46. An ozone-containing gas of O 3 / O 2 77% is formed by an ozonizer, and the surface of the silicon substrate heated to, for example, 900 ° C. is exposed to the ozone-containing gas atmosphere for, for example, 5 minutes to form a silicon oxide film having a thickness of, for example, 3 nm. Formed. The atmosphere pressure was, for example, 5 Torr.

【0352】ゲート酸化膜として、シリコン窒化膜を用
いても良い。例えば、窒素ガスにより概ね0.1%に希
釈したアンモニアガス雰囲気中に、温度概ね950℃の
シリコン基板を例えば60秒間晒すと、厚さ概ね2nm
のシリコン窒化膜が形成された。
As a gate oxide film, a silicon nitride film may be used. For example, when a silicon substrate at a temperature of about 950 ° C. is exposed for 60 seconds, for example, in an ammonia gas atmosphere diluted to about 0.1% with nitrogen gas, the thickness becomes about 2 nm.
Was formed.

【0353】次に、図27(i)に示すように、ゲート
電極47として砒素をドープしたポリシリコン膜を低圧
CVD法を用いて650℃で基板全面に堆積し、その
後、ポリシリコン膜47及びゲート酸化膜46を反応性
イオンエッチング法を用いて連続的にエッチングする。
Next, as shown in FIG. 27 (i), an arsenic-doped polysilicon film is deposited as a gate electrode 47 over the entire surface of the substrate at 650 ° C. by using a low-pressure CVD method. The gate oxide film 46 is continuously etched using a reactive ion etching method.

【0354】次に、図27(j)に示すように、加速電
圧40keV、ドーズ量2×1015cm-2の条件で、ゲ
ート電極47をマスクとしてシリコン基板41表面に砒
素イオンを注入して、ソース・ドレイン領域48を自己
整合的に形成する。その後、低圧CVD法を用いてシリ
コン酸化膜49を基板全面に形成する。
Next, as shown in FIG. 27J, arsenic ions are implanted into the surface of the silicon substrate 41 using the gate electrode 47 as a mask under the conditions of an acceleration voltage of 40 keV and a dose of 2 × 10 15 cm −2. And source / drain regions 48 are formed in a self-aligned manner. Thereafter, a silicon oxide film 49 is formed on the entire surface of the substrate by using a low-pressure CVD method.

【0355】次に、図27(k)に示すように、ゲート
電極47及びソース・ドレイン領域48に接続を取るた
めのコンタクトホールを開孔し、続いて基板全面にAl
膜を形成してこれをパターニングし、ゲート電極47及
びソース・ドレイン領域48に接続される配線層50及
び51を形成する。
Next, as shown in FIG. 27 (k), a contact hole for making a connection to the gate electrode 47 and the source / drain region 48 is opened, and then Al is formed on the entire surface of the substrate.
A film is formed and is patterned to form wiring layers 50 and 51 connected to the gate electrode 47 and the source / drain regions 48.

【0356】本実施形態の方法に従って製造したnチャ
ネルMOSトランジスタについて、その断面を透過型電
子顕微鏡により観測した。トレンチ溝については、バッ
ファ酸化に熱酸化を用いた従来のものより、底面や側壁
における基板/埋め込み酸化膜界面の平坦性が向上し
た。基板/ゲート酸化膜界面については、従来技術では
得ることができない原子レベルで平坦な基板/酸化膜界
面が得られた。また、これらトレンチ溝の埋め込み酸化
膜やゲート酸化膜に対する絶縁破壊耐圧やQbd(絶縁
破壊までに酸化膜を通過する総電子量)の値は従来より
も大きくなり、またゲート酸化膜下部を流れる電荷の移
動度も従来より大きくなった。一方、酸化膜の界面準位
密度は小さくなり、電気特性の改善が見られた。
A cross section of the n-channel MOS transistor manufactured according to the method of this embodiment was observed with a transmission electron microscope. As for the trench groove, the flatness of the interface between the substrate and the buried oxide film on the bottom surface and the side wall is improved as compared with the conventional one using thermal oxidation for buffer oxidation. Regarding the substrate / gate oxide film interface, a flat substrate / oxide film interface at the atomic level, which cannot be obtained by the prior art, was obtained. Further, the dielectric breakdown voltage and Qbd (total amount of electrons passing through the oxide film before the dielectric breakdown) of these trench grooves with respect to the buried oxide film and the gate oxide film become larger than before, and the electric charge flowing under the gate oxide film is reduced. Has also become larger than before. On the other hand, the interface state density of the oxide film was reduced, and electrical characteristics were improved.

【0357】酸化前のシリコン基板表面を平坦化する
と、酸化後のゲート酸化膜表面(酸化雰囲気側)も平坦
化され、ゲート酸化膜上に形成されるゲート電極とゲー
ト酸化膜との界面も平坦性が従来より向上する。本発明
によって得られるゲート酸化膜の電気特性の改善には、
このゲート電極/ゲート酸化膜界面の平坦化効果も寄与
している。
If the surface of the silicon substrate before oxidation is flattened, the surface of the gate oxide film after oxidation (oxidation atmosphere side) is also flattened, and the interface between the gate electrode and the gate oxide film formed on the gate oxide film is also flattened. Performance is improved than before. To improve the electrical characteristics of the gate oxide film obtained by the present invention,
This flattening effect at the gate electrode / gate oxide film interface also contributes.

【0358】本実施形態の方法が従来の方法と異なる点
は、基本的には酸化種の違いだけであるので、プロセス
数が増加したりプロセスが複雑になるといった問題はほ
とんど生じない。
The method of the present embodiment differs from the conventional method only in the difference of the oxidizing species. Therefore, there is almost no problem that the number of processes increases or the processes become complicated.

【0359】また、ゲート酸化膜46形成前に、本発明
の方法を用いて基板41表面を平坦化することにより、
ソース・ドレイン領域48と層間絶縁膜49及び配線層
51との間の界面平坦性も従来より向上する。
Before the gate oxide film 46 is formed, the surface of the substrate 41 is flattened by using the method of the present invention.
The interface flatness between the source / drain region 48 and the interlayer insulating film 49 and the wiring layer 51 is also improved as compared with the related art.

【0360】なお、図27(k)に示すコンタクトホー
ルの開孔後、コンタクトホール底面の基板露出面に対し
て酸素ラジカル酸化を行ってバッファ酸化膜を形成し、
図23(a1)〜図23(d1)に示した工程と同様に
してこのバッファ酸化膜を剥離し、その後に配線層50
及び51を形成するようにしてもよい。このようにすれ
ば、例えばRIEによってコンタクトホール開孔時に損
傷を受けたコンタクトホール底面が修復され、コンタク
トホール底面を平坦化することができる。なお、バッフ
ァ酸化時の加熱によるコンタクトホール周辺の変形や変
質を防止するために、酸素ラジカル酸化温度を低くする
ことが好ましい。例えば、700℃、O圧力5Tor
r、プラズマ放電出力200W、酸化時間90分とし
て、膜厚10nmのバッファ酸化膜を形成した。その
後、基板全体を例えば0.25%のフッ化水素酸水溶液
に例えば12分間浸し、バッファ酸化膜を剥離した。こ
のような工程を加えたところ、配線層50及び51と下
地のシリコン(基板41及びゲート電極47)との接触
抵抗が減少し、配線層の寿命が向上した。これは、配線
層が平坦な底面上に均一に成長したためと考えられる。
After the opening of the contact hole shown in FIG. 27 (k), a buffer oxide film is formed by performing oxygen radical oxidation on the substrate exposed surface at the bottom of the contact hole.
This buffer oxide film is peeled off in the same manner as in the steps shown in FIGS. 23 (a1) to 23 (d1).
And 51 may be formed. By doing so, for example, the bottom of the contact hole damaged at the time of opening the contact hole by RIE is repaired, and the bottom of the contact hole can be flattened. Note that it is preferable to lower the oxygen radical oxidation temperature in order to prevent deformation and deterioration around the contact hole due to heating during buffer oxidation. For example, 700 ° C., O 2 pressure 5 Torr
A buffer oxide film having a thickness of 10 nm was formed at a plasma discharge power of 200 W and an oxidation time of 90 minutes. Thereafter, the entire substrate was immersed in, for example, a 0.25% aqueous hydrofluoric acid solution for, for example, 12 minutes to remove the buffer oxide film. By adding such a step, the contact resistance between the wiring layers 50 and 51 and the underlying silicon (the substrate 41 and the gate electrode 47) was reduced, and the life of the wiring layers was improved. This is probably because the wiring layer grew uniformly on the flat bottom surface.

【0361】また、上記の例では図27(k)の工程に
おいて配線層50及び51を形成したが、配線層の代わ
りにシリコン基板41の表面をシリサイド化して金属シ
リサイド層を形成するようにしてもよい。この場合に
も、上述したように、コンタクトホールの開孔後、コン
タクトホール底面の基板露出面に対して酸素ラジカル酸
化を行ってバッファ酸化膜を形成し、このバッファ酸化
膜を剥離した後、金属シリサイド層を形成すればよい。
In the above example, the wiring layers 50 and 51 are formed in the step of FIG. 27K. However, instead of the wiring layers, the surface of the silicon substrate 41 is silicided to form a metal silicide layer. Is also good. Also in this case, as described above, after opening the contact hole, a buffer oxide film is formed by performing oxygen radical oxidation on the exposed substrate surface of the contact hole bottom surface, and after removing the buffer oxide film, What is necessary is just to form a silicide layer.

【0362】なお、バッファ酸化膜の形成やゲート酸化
膜の形成に用いる酸素ラジカル酸化では、上述したよう
にOガスのマイクロ波プラズマ放電によって酸素活性
種を発生させる以外に、以下に述べるような方法を用い
て酸素活性種を発生させることも可能である。
In the oxygen radical oxidation used for forming the buffer oxide film and the gate oxide film, the oxygen active species are generated by microwave plasma discharge of O 2 gas as described above. It is also possible to generate oxygen active species using the method.

【0363】Oガスの励起方法としては、平行平板プ
ラズマ、ヘリコン波プラズマ、電子サイクロトロン共鳴
プラズマ、ラジカルビーム源等を用いることができる。
As a method for exciting the O 2 gas, a parallel plate plasma, a helicon wave plasma, an electron cyclotron resonance plasma, a radical beam source or the like can be used.

【0364】また、酸素ガス(O)の代わりに、オゾ
ンを用いたオゾン酸化によってバッファ酸化膜やゲート
酸化膜を形成してもよい。この場合には、図4のバルブ
74cを閉じ、酸素ガスをオゾンナイザー80に通すこ
とによりオゾンを含むガスを石英管201内に導入す
る。
Further, a buffer oxide film or a gate oxide film may be formed by ozone oxidation using ozone instead of oxygen gas (O 2 ). In this case, the valve 74c shown in FIG. 4 is closed, and oxygen gas is introduced into the quartz tube 201 by passing oxygen gas through the ozonizer 80.

【0365】また、酸素ラジカルを形成する原料ガスと
しては、酸素ガス以外に酸素原子を含む分子のガスを用
いてもよい。例えば、オゾン(O)、一酸化窒素(N
O)、一酸化二窒素(NO)、二酸化窒素(N
)、水蒸気(HO)、過酸化水素(H)等
である。これらのガスや酸素ガスは、単一で用いてもよ
いし複数のガスを混合してもよく、ヘリウム、ネオン、
アルゴンのような不活性ガスなどと混合して用いてもよ
い。
As a source gas for forming oxygen radicals, molecular gas containing oxygen atoms may be used in addition to oxygen gas. For example, ozone (O 3 ), nitric oxide (N
O), nitrous oxide (N 2 O), nitrogen dioxide (N
O 2 ), water vapor (H 2 O), hydrogen peroxide (H 2 O 2 ), and the like. These gases and oxygen gas may be used singly or a mixture of a plurality of gases, such as helium, neon,
It may be used by mixing with an inert gas such as argon.

【0366】また、酸素ガスやオゾンガスに励起光を照
射して酸素原子ラジカルを発生させて酸素ラジカル酸化
に用いてもよい。
Further, oxygen gas or ozone gas may be irradiated with excitation light to generate oxygen atom radicals, which may be used for oxygen radical oxidation.

【0367】酸素ガスやオゾンガスに励起光を照射する
には、図4に示した光源203及び220を用いる。光
源220は基板101の表面を照射するので、基板表面
のラジカル濃度を高められる。また、光源203は励起
光照射による基板表面の損傷を抑制できる。なお、励起
光子数は1光子励起でも2光子以上の多光子励起でもよ
い。また、複数の光源を併用してもよい。
To irradiate oxygen gas or ozone gas with excitation light, the light sources 203 and 220 shown in FIG. 4 are used. Since the light source 220 irradiates the surface of the substrate 101, the radical concentration on the substrate surface can be increased. Further, the light source 203 can suppress damage to the substrate surface due to irradiation with the excitation light. The number of excitation photons may be one-photon excitation or two- or more-photon excitation. Further, a plurality of light sources may be used in combination.

【0368】励起光の照射によって発生させる酸素原子
ラジカルの種類としては、基底状態のO(P、s=
1)、第1励起状態のO(D、s=0)、第2励起状
態のO(S、s=0)、……等が挙げられる。sは酸
素原子全体としての電子スピン量子数である。ここで、
酸素原子に束縛されている2p軌道の4個の価電子はそ
れぞれ、上向きスピン(↑:スピン量子数1/2)又は
下向きスピン(↓:スピン量子数−1/2)を持ち、各
価電子のスピン量子数の総和がsに反映されると考えて
いる。なお、S、P、Dは、酸素原子全体としての価電
子の方位量子数l=0、1、2に対応する。
The types of oxygen atom radicals generated by irradiation with excitation light include O ( 3 P, s =
1), O ( 1 D, s = 0) in the first excited state, O ( 1 S, s = 0) in the second excited state,... s is the electron spin quantum number of the entire oxygen atom. here,
The four valence electrons of the 2p orbitals bound to oxygen atoms have an upward spin (↑: spin quantum number 2) or a downward spin (↓: spin quantum number-/), respectively, and each valence electron Is considered to be reflected in s. Note that S, P, and D correspond to the azimuthal quantum numbers 1 = 0, 1, and 2 of the valence electrons as the entire oxygen atom.

【0369】これら種々の酸素原子のいずれも、上記の
酸素ラジカル酸化に用いることができる。図6(a)に
示すように、O(D)や550℃を越える高温雰囲気
でのO(P)は、反応性が高いので、酸化膜/基板界
面でSiを1原子層ずつ酸化し、この界面が原子レベル
で平坦になる。一方従来の乾燥酸化では、図6(b)に
示すように、反応性が低いので、未反応のSi原子が酸
化膜/基板界面に残り、この界面に凹凸が残る。より好
ましくは、O(D)などの励起状態が一重項状態の酸
素原子ラジカルの濃度を高めるようにする。
Any of these various oxygen atoms can be used for the above-described oxygen radical oxidation. As shown in FIG. 6A, O ( 1 D) and O ( 3 P) in a high-temperature atmosphere exceeding 550 ° C. have high reactivity, so that Si is oxidized one atomic layer at an oxide film / substrate interface. This interface becomes flat at the atomic level. On the other hand, in the conventional dry oxidation, as shown in FIG. 6B, since the reactivity is low, unreacted Si atoms remain at the oxide film / substrate interface, and irregularities remain at this interface. More preferably, the excited state such as O ( 1 D) increases the concentration of oxygen atom radicals in a singlet state.

【0370】すなわち、O(D)やO(S)はs=
0であり、価電子のスピンの向きが対(↑↓)をなして
いる。従って、Si−Si結合(価電子:↑↓)にO原
子が入り込みやすいので、反応性が高く酸化膜形成速度
が高いとともに、基板/酸化膜界面の平坦化作用も高
い。これに対し、O(P)はs=1であり、2個の価
電子のスピンがいずれも上向き(↑↑)或いは下向き
(↓↓)である。従って、O(D)やO(S)より
もSi−Si結合(価電子:↑↓)に入り込みにくく、
したがって反応性がやや劣る。
That is, O ( 1 D) and O ( 1 S) are represented by s =
0, and the spin directions of the valence electrons form a pair (↑ ↓). Accordingly, since O atoms easily enter Si-Si bonds (valence electrons: ↑ ↓), the reactivity is high, the oxide film formation rate is high, and the flattening effect of the substrate / oxide film interface is also high. In contrast, O ( 3 P) has s = 1, and the spins of the two valence electrons are both upward (↑↑) or downward (↓↓). Therefore, it is harder to enter a Si—Si bond (valence electron: ↑ ↓) than O ( 1 D) or O ( 1 S),
Therefore, the reactivity is slightly inferior.

【0371】活性種O(D)の濃度を高めるには、例
えば図4の装置において、一酸化二窒素(NO)ガス
をマスフローコントローラ212、バルブ211、配管
209を通して石英管201内に導入し、このNOガ
スを光源203から照射される波長197nmの光によ
って励起する。この方法により、酸素原子ラジカルとし
て、O(D)が選択的に形成される。
To increase the concentration of the active species O ( 1 D), for example, in the apparatus shown in FIG. 4, dinitrogen monoxide (N 2 O) gas is introduced into the quartz tube 201 through the mass flow controller 212, the valve 211, and the pipe 209. Then, the N 2 O gas is excited by light having a wavelength of 197 nm emitted from the light source 203. According to this method, O ( 1 D) is selectively formed as an oxygen atom radical.

【0372】なお、図4には、以上のような多くの方法
に対応する装置構成の例が示されているが、例えば酸化
原子ラジカルの生成方法として酸素ガスのプラズマ放電
のみを用いる場合など、図4に示される装置構成の一部
のみを使用する場合には、その部分のみの装置構成とし
てもよい。
FIG. 4 shows an example of an apparatus configuration corresponding to many methods as described above. For example, when only plasma discharge of oxygen gas is used as a method for generating oxidizing atom radicals, FIG. When only a part of the device configuration shown in FIG. 4 is used, the device configuration of only that portion may be used.

【0373】(第10の実施形態)酸素活性種をバッフ
ァ酸化に用いて酸化膜を形成後、この酸化膜の除去工程
に気相雰囲気を用い、かつバッファ酸化工程および酸化
膜除去後の工程を気相雰囲気で行えば、バッファ酸化→
酸化膜除去→後工程を、同一の半導体製造装置内で、半
導体装置を少なくとも外気に晒さずに連続的に行うこと
が可能となる。ここで後工程とは、例えば、ゲート酸化
工程、窒化工程、絶縁膜堆積工程、導電膜堆稚工程、あ
るいは金属と半導体との化合物(例えば金属シリサイ
ド)の形成工程である。バッファ酸化→酸化膜除去→後
工程を連続的に行うことは、半導体表面の汚染による絶
縁膜の絶縁破壊耐性劣化や配線層と半導体表面とのコン
タクト不良など、電気的特性の劣化防止による、半導体
装置の性能や歩留まりの向上とともに、半導体装置製造
のスループット向上および省力化に対して極めて有効で
ある。
(Tenth Embodiment) After an oxide film is formed by using oxygen active species for buffer oxidation, a gas phase atmosphere is used for the oxide film removal step, and the buffer oxidation step and the step after the oxide film removal are performed. If performed in a gas phase atmosphere, buffer oxidation →
The oxide film removal → post-process can be continuously performed in the same semiconductor manufacturing apparatus without exposing the semiconductor device to at least the outside air. Here, the post-process is, for example, a gate oxidation process, a nitriding process, an insulating film deposition process, a conductive film deposition process, or a process of forming a compound of a metal and a semiconductor (for example, a metal silicide). Performing buffer oxidation → removal of oxide film → post-process continuously means that the semiconductor surface is prevented from deteriorating electrical characteristics, such as deterioration of dielectric breakdown resistance of insulating film due to contamination of semiconductor surface and poor contact between wiring layer and semiconductor surface. This is extremely effective for improving the performance and yield of the device, improving the throughput of the semiconductor device manufacturing, and saving labor.

【0374】なお、本明細書ではバッファ酸化で形成さ
れる酸化膜の除去工程に気相雰囲気を用いているが、酸
化膜除去の前後の、バッファ酸化工程および後工程(例
えばゲート酸化工程)に水分の混入などの影響がないよ
うにできれば、例えばフッ酸処理のような薬液を用いる
wet処理あるいはCMP(ケミカル・メカニカル・ポ
リッシング)処理を、酸化膜除去工程に用いてもよい。
Although a gas phase atmosphere is used in the step of removing an oxide film formed by buffer oxidation in this specification, the gas phase atmosphere is used in a buffer oxidation step and a post-step (for example, a gate oxidation step) before and after the oxide film is removed. If it is possible to prevent the influence of the mixing of water or the like, a wet process using a chemical such as a hydrofluoric acid process or a CMP (chemical mechanical polishing) process may be used in the oxide film removing step.

【0375】図28は、バッファ酸化工程、酸化膜除去
工程、およびこの後工程を、半導体装置を少なくとも外
気に晒さずに連続的に行う半導体製造装置の一例であ
る。
FIG. 28 shows an example of a semiconductor manufacturing apparatus for continuously performing a buffer oxidation step, an oxide film removing step, and a subsequent step without exposing the semiconductor device to at least the outside air.

【0376】図28では、各工程を個別の容器内で行う
ことを想定し、各容器を一列に並べているが、各容器
を、例えば円形など、別の配置にしてもよい。また、全
工程を同一の容器で行ってもよいし、一部の工程のみを
同じ容器で行ってもよい。図28で形成された膜を、例
えば選択的にあるいは全面的にエッチングするなど、次
工程を行う装置を、各図に追加してもよい。エッチング
方法としては、例えば化学的ドライエッチング、反応性
イオンエッチング、薬液を用いるwet処理,あるいは
ケミカル・メカニカル・ポリッシングを用いる。図28
にある枚数の装置や次工程用の装置を適宜組み合わせて
用いてもよい。
In FIG. 28, each container is arranged in a line, assuming that each step is performed in an individual container. However, each container may be arranged in another arrangement such as a circle. Further, all the steps may be performed in the same container, or only some of the steps may be performed in the same container. An apparatus for performing the next step, such as selectively or entirely etching the film formed in FIG. 28, may be added to each drawing. As an etching method, for example, chemical dry etching, reactive ion etching, wet treatment using a chemical solution, or chemical mechanical polishing is used. FIG.
May be used in combination as appropriate.

【0377】図28では、バッファ酸化の前処理も気相
雰囲気での処理とし、バッファ酸化以降まで連続的に行
っているが、この前処理は、別の装置で、例えばwet
処理で行ってもよい。
In FIG. 28, the pretreatment for buffer oxidation is also a treatment in a gas phase atmosphere, and is continuously performed until after the buffer oxidation. However, this pretreatment is performed by another apparatus, for example, wet.
The processing may be performed.

【0378】各容器間での基板の搬送は、真空中あるい
は窒素やアルゴンなど不活性ガス雰囲気中で行う。
The transfer of the substrate between the containers is performed in a vacuum or in an atmosphere of an inert gas such as nitrogen or argon.

【0379】酸化前処理室および酸化膜除去室内での工
程には気相雰囲気でのdry処理を用いているが、これ
ら以外の工程く例えば、バッファ酸化工程や酸化膜除去
後のゲート酸化工程)に水分の混入などの影響がないよ
うな工夫ができれば、例えばフッ酸処理のような薬液を
用いるwet処理あるいはCMP(ケミカル・メカニカ
ル・ポリッシング)処理をこれらの工程に用いてもよ
い。
Although the dry process in a gaseous phase atmosphere is used for the steps in the pre-oxidation treatment chamber and the oxide film removal chamber, other steps such as a buffer oxidation step and a gate oxidation step after removal of the oxide film) are used. If it can be devised so as not to be affected by the incorporation of moisture into the surface, for example, a wet process using a chemical such as a hydrofluoric acid process or a CMP (chemical mechanical polishing) process may be used in these steps.

【0380】図28(a)は、本発明による半導体製造
装置の基本構成である。本発明によるバッファ酸化と酸
化膜除去とを、半導体装置を少なくとも外気に晒さずに
連続的に行えば、平坦性の高い半導体表面を外気に晒き
ずに、後工程の処理を続行することが可能となり、半導
体表面の汚染による絶縁膜の絶縁破壊耐性劣化や配線層
と半導体表面とのコンタクト不良など、電気的特性の劣
化を防止できる。
FIG. 28A shows the basic configuration of a semiconductor manufacturing apparatus according to the present invention. By continuously performing the buffer oxidation and the oxide film removal according to the present invention without exposing the semiconductor device to at least the outside air, it is possible to continue the post-process without exposing the highly flat semiconductor surface to the outside air. Thus, it is possible to prevent deterioration of electrical characteristics such as deterioration of dielectric breakdown resistance of the insulating film due to contamination of the semiconductor surface and poor contact between the wiring layer and the semiconductor surface.

【0381】図28(b)は、本発明をゲート酸化膜形
成工程に適用した半導体製造装置の例である。各処理容
器には、例えば図16のように、各処理に必要なガス配
管、加熱装置、活性種発生装置などが適宜接続されてい
る。なお、図16中の不要な配管を除いても良い。
FIG. 28B shows an example of a semiconductor manufacturing apparatus in which the present invention is applied to a gate oxide film forming step. For example, as shown in FIG. 16, gas pipes, heating devices, active species generation devices, and the like necessary for each process are connected to each process container. Note that unnecessary piping in FIG. 16 may be omitted.

【0382】例えば、素子分離された半導体基板を酸化
前処理室に設置し、図26(e)に示すように、例えば
光励起塩素ラジカル雰囲気および/或いは無水フッ化水
素蒸気雰囲気を用いて基板表面を洗浄する。
For example, a semiconductor substrate from which an element has been separated is placed in an oxidation pretreatment chamber, and as shown in FIG. 26E, the substrate surface is cleaned using, for example, a photoexcited chlorine radical atmosphere and / or an anhydrous hydrogen fluoride vapor atmosphere. Wash.

【0383】例えば、流量概ね800sccmの酸素ガ
ス流に対して、放電周波数2.45GHz、出力200
Wのマイクロ波プラズマを立て、このダウンフロー雰囲
気中に、例えば温度900℃に加熱したシリコン基板を
例えば30分間晒した。雰囲気圧力は例えば例えば5T
orrとし、形成されたシリコン酸化膜の厚さは例えば
10nmであった。
For example, for an oxygen gas flow at a flow rate of approximately 800 sccm, a discharge frequency of 2.45 GHz and an output of 200
A microwave plasma of W was set up, and a silicon substrate heated to, for example, a temperature of 900 ° C. was exposed to the downflow atmosphere for, for example, 30 minutes. Atmospheric pressure is, for example, 5T
and the thickness of the formed silicon oxide film was, for example, 10 nm.

【0384】次に、基板をバッファ酸化室に搬送し、図
26(f)に示すように、先に述べた酸素活性種を用い
た酸化により、酸化膜を形成し、平坦な酸化膜/基板界
面を形成する。
Next, the substrate is transferred to a buffer oxidation chamber, and as shown in FIG. 26 (f), an oxide film is formed by oxidation using the above-described oxygen active species, and a flat oxide film / substrate is formed. Form an interface.

【0385】次に、基板を酸化膜除去室に搬送し、図2
6(g)に示すように、例えば無水フッ化水素蒸気雰囲
気を用いて、バッファ酸化により形成された酸化膜を除
去し、平坦な基板表面を露出させる。
Next, the substrate is transported to the oxide film removal chamber,
As shown in FIG. 6 (g), the oxide film formed by the buffer oxidation is removed using, for example, an anhydrous hydrogen fluoride vapor atmosphere to expose a flat substrate surface.

【0386】基板を、窒素希釈の7%無水フッ化水窒蒸
気雰囲気に、例えば1分間晒す。酸化膜のエッチングを
促進するために、基板を概ね100℃に加熱することが
好ましい。酸化膜除去後、基板表面に残留するF原子を
除くため、好ましくは、例えば200℃の減圧雰囲気中
に、基板を例えば10分間保持する。
The substrate is exposed to a 7% anhydrous hydrogen fluoride / nitrogen vapor atmosphere diluted with nitrogen for, eg, 1 minute. In order to accelerate the etching of the oxide film, it is preferable to heat the substrate to approximately 100 ° C. After removing the oxide film, in order to remove F atoms remaining on the substrate surface, the substrate is preferably kept in, for example, a reduced pressure atmosphere at 200 ° C. for 10 minutes, for example.

【0387】次に、基板をゲート酸化室に鞭送し、図2
6(h)に示すように、平坦化された基板表面を酸化し
てゲート酸化を行う。ゲート酸化には、例えば、酸素ラ
ジカルを用いた。流量概ね800sccmの酸素ガス流
に対して、周波数2.45GHz、出力200Wのマイ
クロ波プラズマを立て、このダウンフロー雰囲気中に、
例えば温度900℃に加熱したシリコン基板を例えば1
分間晒して行った。雰囲気圧力は例えば例えば5Tor
rとし、形成されたシリコン酸化膜の厚さは例えば3n
mであった。なお、ゲート酸化の代わりに例えば窒化や
オキシナイトライド化を行い、酸化膜やオキシナイトラ
イド膜など、他の材質のゲート絶縁膜も形成してもよ
い。
Next, the substrate is fed into the gate oxidation chamber,
As shown in FIG. 6H, the planarized substrate surface is oxidized to perform gate oxidation. For the gate oxidation, for example, an oxygen radical was used. A microwave plasma with a frequency of 2.45 GHz and an output of 200 W is set up for an oxygen gas flow at a flow rate of approximately 800 sccm, and in this down-flow atmosphere,
For example, a silicon substrate heated to a temperature of 900.degree.
Exposure for a minute. The ambient pressure is, for example, 5 Torr.
r, the thickness of the formed silicon oxide film is, for example, 3n
m. Note that, for example, nitridation or oxynitride may be performed instead of gate oxidation, and a gate insulating film of another material such as an oxide film or an oxynitride film may be formed.

【0388】次に、基板をゲート電極層堆積室に搬送
し、例えばシランを用いて低圧CVD法により砒素をド
ープしたポリシリコン膜を基板全面に堆積させる。ゲー
ト電極層堆積工程は、ゲート酸化後に連続的に行うこと
が好ましいが、バッファ酸化−酸化膜除去−ゲート酸化
までとは別の装置で行ってもよい。
Next, the substrate is transferred to a gate electrode layer deposition chamber, and an arsenic-doped polysilicon film is deposited on the entire surface of the substrate by, for example, low pressure CVD using silane. The gate electrode layer deposition step is preferably performed continuously after the gate oxidation, but may be performed by a different apparatus from the buffer oxidation to the oxide film removal to the gate oxidation.

【0389】最後に、ゲート酸化膜およびポリシリコン
膜が形成された基板をゲート電極層堆積室から取り出
し、例えばこれらの膜の選択的エッチングなど次工程を
行う装置に基板を持って行く。
Finally, the substrate on which the gate oxide film and the polysilicon film have been formed is taken out of the gate electrode layer deposition chamber, and the substrate is taken to an apparatus for performing the next step such as selective etching of these films.

【0390】図28(c)は、本発明を絶縁膜堆積工程
に適用した半導体製造装置の例である。各処理容器に
は、例えば図16のように、各処理に必要なガス配管、
加熱装置、活性種発生装置などが適宜接続されている。
FIG. 28 (c) shows an example of a semiconductor manufacturing apparatus in which the present invention is applied to an insulating film deposition step. In each processing vessel, for example, as shown in FIG.
A heating device, an active species generation device, and the like are appropriately connected.

【0391】例えば、選択的に反応性イオンエッチング
された半導体基板を酸化前処理室に設置し、図25
(a)〜図25(c)に示すように、図28(b)と同
様に、酸化前処理室での前処理、バッファ酸化室での酸
化処理、および酸化膜除去室での酸化膜除去を順次行
い、素子分離用のトレンチ溝内壁を平坦化する。
For example, a semiconductor substrate selectively etched by reactive ion is set in an oxidation pre-treatment chamber, and FIG.
25A to 25C, as in FIG. 28B, pretreatment in an oxidation pretreatment chamber, oxidation treatment in a buffer oxidation chamber, and removal of an oxide film in an oxide film removal chamber. Are sequentially performed to flatten the inner wall of the trench for element isolation.

【0392】次に、基板を絶縁膜堆積室に搬送し、図2
5(d)に示すように、液相CVDなどのCVD法を用
いて絶縁膜を堆積させ、トレンチ溝を埋め込む。
Next, the substrate was transported to the insulating film deposition chamber,
As shown in FIG. 5D, an insulating film is deposited using a CVD method such as liquid phase CVD, and the trench is filled.

【0393】例えば0.5μm、深さ0.4μmの素子
分離用の溝の内壁及び底面を、ラジカル酸化をバッファ
酸化に用いて平坦化し、この溝に対して、例えばTEO
S(Si(OC)を用いたCVD法により、
シリコン酸化膜を埋め込んだ。例えば、TEOSの流量
は500sccm、圧力は概ね1Torrとし、700
℃に加熱した基板を例えば、30分間晒して、溝をシリ
コン酸化膜で埋め込んだ。
For example, the inner wall and bottom surface of the trench for device isolation having a thickness of 0.5 μm and a depth of 0.4 μm are flattened using radical oxidation as a buffer oxidation.
By a CVD method using S (Si (OC 2 H 5 ) 4 ),
A silicon oxide film was embedded. For example, the flow rate of TEOS is 500 sccm, the pressure is approximately 1 Torr, and 700
The substrate heated to ° C. was exposed, for example, for 30 minutes to fill the groove with a silicon oxide film.

【0394】最後に、絶縁膜が形成された基板を取り出
し、例えば、フッ酸やCMP法などで素子領域上の膜を
除去する次工程を行う。なお、次工程を行う容器を図2
8(c)に接続し、基板を外気に晒さずに、次工程を絶
縁膜堆積から連続的に行ってもよい。また、絶縁膜堆稚
室内で次工程を行ってもよい。
Finally, the substrate on which the insulating film is formed is taken out, and the next step of removing the film on the element region by, for example, hydrofluoric acid or the CMP method is performed. The container for performing the next step is shown in FIG.
8 (c), the next step may be performed continuously from the deposition of the insulating film without exposing the substrate to the outside air. Further, the next step may be performed in the insulating film nursery.

【0395】図28(d)は、本発明を配撫層と半導体
層とのコンタクト形成工程に適用した半導体製造装置の
例である。各処理容器には、例えば図16のように、各
処理に必要なガス配管、加熱装置、活性種発生装置など
が適宜接続されている。
FIG. 28D shows an example of a semiconductor manufacturing apparatus in which the present invention is applied to a step of forming a contact between a care layer and a semiconductor layer. For example, as shown in FIG. 16, gas pipes, heating devices, active species generation devices, and the like necessary for each process are connected to each process container.

【0396】例えば、絶縁膜にコンタクトホールが開口
された半導体基板を酸化前処理室に設置し、図23(a
1)〜図23(c1)に示すように、図28(b)と同
様に、酸化前処理室での前処理、バッファ酸化室での酸
化処理、および酸化膜除去室での酸化膜除去を順次行
い、コンタクトホール底面のシリコン表面を平坦化す
る。コンタクトホールの幅は例えば0.3μm、深さは
例えば500nmとした。
For example, a semiconductor substrate having a contact hole opened in an insulating film is placed in an oxidation pretreatment chamber, and a semiconductor substrate shown in FIG.
1) to 23 (c1), as in FIG. 28 (b), the pretreatment in the oxidation pretreatment chamber, the oxidation treatment in the buffer oxidation chamber, and the removal of the oxide film in the oxide film removal chamber are performed. Then, the silicon surface at the bottom of the contact hole is planarized. The width of the contact hole was, for example, 0.3 μm, and the depth was, for example, 500 nm.

【0397】次に、基板を導電膜形成室に搬送し、図2
3(d1)に示すように、例えばマグネトロンスパッタ
リング法によって、平坦化されたシリコン表面を含む基
板全面に例えば厚さ200nmのAl層を形成する。
Next, the substrate was transferred to a conductive film forming chamber,
As shown in FIG. 3 (d1), an Al layer having a thickness of, for example, 200 nm is formed on the entire surface of the substrate including the planarized silicon surface by, for example, magnetron sputtering.

【0398】最後に、導電膜が形成された基板を取り出
し、例えば、Al層の選択的エッチング工程を行う。な
お、この工程を導電膜形成に引き続いて連続的に行うた
め、次工程に用いる容器を導電膜形成室に接続してもよ
い。
[0398] Finally, the substrate on which the conductive film is formed is taken out, and for example, a selective etching step of an Al layer is performed. Note that since this step is performed continuously after the formation of the conductive film, a container used in the next step may be connected to the conductive film formation chamber.

【0399】図28(e)は、本発明を配線層と半導体
層とのコンタクト形成工程に適用した半導体製造装置の
例である。図28(d)と同様に、酸化前処理室での前
処理、バッファ酸化までの酸化処理、および酸化膜除去
室での酸化膜除去を順次行い、コンタクトホール底面の
シリコン表面を平坦化する。
FIG. 28E shows an example of a semiconductor manufacturing apparatus in which the present invention is applied to a step of forming a contact between a wiring layer and a semiconductor layer. As in FIG. 28D, the pretreatment in the oxidation pretreatment chamber, the oxidation treatment up to the buffer oxidation, and the removal of the oxide film in the oxide film removal chamber are sequentially performed to flatten the silicon surface on the bottom surface of the contact hole.

【0400】次に、基板を金属シリサイド形成室に搬送
し、平坦化されたコンタクトホール底面のシリコン表面
に金属シリサイド層を形成する。シリサイド層は、例え
ば、厚さ20nmのチタン層をマグネトロンスパッタ法
によって基板上に堆積し、続いて、例えば700℃、3
0秒の熱処理を行って形成した。
Next, the substrate is transferred to a metal silicide formation chamber, and a metal silicide layer is formed on the flattened silicon surface at the bottom of the contact hole. The silicide layer is formed, for example, by depositing a titanium layer having a thickness of 20 nm on the substrate by a magnetron sputtering method.
It was formed by performing a heat treatment for 0 second.

【0401】最後に、金属シリサイド層が形成された基
板を取り出し、例えば、基板全面にAl層を形成する。
なお、このような次工程を金属シリサイド形成に引き続
いて連続的に行うため、次工程に用いる容器を金属シリ
サイド形成室に接続してもよい。
Finally, the substrate on which the metal silicide layer is formed is taken out, and for example, an Al layer is formed on the entire surface of the substrate.
In addition, since the next step is performed continuously after the formation of the metal silicide, a container used in the next step may be connected to the metal silicide formation chamber.

【0402】図28(f)は、本発明を表面の凹凸が大
きい半導体表面の平坦化工程に適用した半導体製造装置
の例である。各処理容器には、例えば図16のように、
各処理に必要なガス配管、加熱装置、活性種発生装置な
どが適宜接続されている。
FIG. 28 (f) shows an example of a semiconductor manufacturing apparatus in which the present invention is applied to a step of flattening a semiconductor surface having large surface irregularities. In each processing container, for example, as shown in FIG.
Gas pipes, heating devices, active species generation devices, and the like required for each process are appropriately connected.

【0403】例えば、図22(a)に示すような素子分
離された半導体基板を、前処理後、バッファ酸化室
(1)に設置し、図22(b)に示すように、半導体表
面に1回目の酸化を行う。より好ましくは、1回目のバ
ッファ酸化の前処理は本バッファ酸化と連続的に行う。
1回目のバッファ酸化は、酸素活性種を用いた酸化のみ
ならず、乾燥酸化、水蒸気雰囲気でのwet酸化、塩酸
雰囲気での酸化、オゾンあるいは過酸化水素を含む液相
での酸化など、従来法による酸化でもよい。
For example, after preprocessing, a semiconductor substrate having been subjected to element isolation as shown in FIG. 22A is placed in a buffer oxidation chamber (1), and as shown in FIG. A second oxidation is performed. More preferably, the pretreatment of the first buffer oxidation is performed continuously with the main buffer oxidation.
The first buffer oxidation includes conventional methods such as oxidation using active oxygen species, dry oxidation, wet oxidation in a steam atmosphere, oxidation in a hydrochloric acid atmosphere, and oxidation in a liquid phase containing ozone or hydrogen peroxide. Oxidation may be used.

【0404】次に、基板を酸化膜除去室(1)に搬送
し、図28(c)に示すように、例えば無水フッ化水素
蒸気雰囲気で酸化膜を除去する。1回目のバッファ酸化
により、平坦性がある程度高まった半導体表面が形成さ
れる。
Next, the substrate is transferred to the oxide film removing chamber (1), and the oxide film is removed, for example, in an anhydrous hydrogen fluoride vapor atmosphere, as shown in FIG. By the first buffer oxidation, a semiconductor surface having a somewhat improved flatness is formed.

【0405】次に、基板をバッファ酸化室(2)に搬送
し、図22(d)に示すように、2回目のバッファ酸化
を行う。酸化膜除去後の半導体表面の平坦性を高めるた
め、この2回目のバッファ酸化には酸素活性種を用いる
ことが好ましい。
Next, the substrate is transferred to the buffer oxidation chamber (2), and a second buffer oxidation is performed as shown in FIG. In order to improve the flatness of the semiconductor surface after removing the oxide film, it is preferable to use oxygen active species for the second buffer oxidation.

【0406】次に、基板を酸化膜除去室(2)に搬送
し、酸化膜を除去すると、図22(e)に示すように、
ラフネスがきらに改善された半導体表面が得られる。
Next, the substrate is transported to the oxide film removal chamber (2), and the oxide film is removed, as shown in FIG.
A semiconductor surface with significantly improved roughness can be obtained.

【0407】次に、基板を酸化膜除去室(2)から取り
出し、例えば絶縁膜堆積工程のような後工程を行う。あ
るいは、後工程を行う容器を酸化膜除去室(2)に接続
し、基板を少なくとも外気に晒さずに連続的に、平坦化
された半導体表面に対する、例えば絶縁膜体積工程のよ
うな後工程を行う。
Next, the substrate is taken out of the oxide film removing chamber (2), and a post-process such as an insulating film deposition process is performed. Alternatively, the container for performing the post-process is connected to the oxide film removal chamber (2), and the post-process such as, for example, the insulating film volume process is continuously performed on the planarized semiconductor surface without exposing the substrate to the outside air. Do.

【0408】バッファ酸化−酸化膜除去−後工程を、半
導体装置を少な<とも外気に晒さずに連続的に行う半導
体製造装置は、バッファ酸化により形成された酸化膜の
除去を行う際に、酸化膜のエッチング作用を有する、F
原子、Cl原子、Br原子、I原子の中の1種以上を有
する分子あるいは活性種を含む気相雰囲気を用いること
が好ましい。
In a semiconductor manufacturing apparatus in which the buffer oxidation-oxide film removal-post-process is continuously performed without exposing the semiconductor device to at least a small amount of outside air, an oxide film formed by the buffer oxidation is removed. F, which has a film etching action
It is preferable to use a gaseous atmosphere containing a molecule or an active species having one or more of atoms, Cl atoms, Br atoms, and I atoms.

【0409】また、上記の種々の酸素ラジカル酸化で
は、例えば酸化温度、ガス流量、雰囲気圧力、励起光強
度、励起光波長、処理時間、プラズマ放電出力などのプ
ロセス条件が異なっていても、平坦性が従来より改善さ
れた半導体/バッファ酸化膜界面を得ることができる。
In the various oxygen radical oxidations described above, even if the process conditions such as the oxidation temperature, the gas flow rate, the atmospheric pressure, the excitation light intensity, the excitation light wavelength, the processing time, the plasma discharge output, etc. are different, the flatness can be improved. Can obtain an improved semiconductor / buffer oxide film interface.

【0410】また、バッファ酸化膜の剥離の際、例えば
剥離方法、エッチング種の種類や濃度、エッチング時間
などが異なっても、平坦性が従来より高い基板表面及び
穴や溝の内面(底面や側壁)を得ることができる。
When the buffer oxide film is peeled off, for example, even if the peeling method, the type and concentration of the etching species and the etching time are different, the substrate surface having higher flatness than the conventional one and the inner surfaces of the holes and grooves (bottom and side walls) are obtained. ) Can be obtained.

【0411】上記のように、酸素ラジカル酸化では、従
来の熱酸化よりも下地の半導体との界面が平坦なバッフ
ァ酸化膜が低温で形成できるので、高温処理による変形
や変質が抑制される。従って、上述したようなゲート酸
化、素子分離用トレンチ埋め込み、コンタクトホール埋
め込み等に対する前処理の他に、半導体が露出した表面
或いは穴や溝の内面の平坦化処理に幅広く用いることが
できる。例えば、トレンチキャパシタ用の穴の底面や側
壁の平坦化処理等にも適用することができる。
[0411] As described above, in the oxygen radical oxidation, a buffer oxide film having a flat interface with the underlying semiconductor can be formed at a lower temperature than in the conventional thermal oxidation, so that deformation and alteration due to high-temperature treatment are suppressed. Therefore, in addition to the above-described pretreatments for the gate oxidation, the burying of the trench for element isolation, the burying of the contact holes, and the like, it can be widely used for the flattening treatment of the surface where the semiconductor is exposed or the inner surface of the hole or groove. For example, the present invention can be applied to a flattening process of a bottom surface and a side wall of a hole for a trench capacitor.

【0412】なお、酸素ラジカル酸化によるバッファ酸
化膜形成処理の対象となる半導体としては、シリコン基
板の他、GaAs基板やInP基板を用いることも可能
である。また、Si、GaAs、InPなどの半導体の
多結晶層やアモルファス層或いはエピタキシャル成長層
などに対しても適用可能である。
As a semiconductor to be subjected to a buffer oxide film forming process by oxygen radical oxidation, it is possible to use a GaAs substrate or an InP substrate in addition to a silicon substrate. The present invention is also applicable to a polycrystalline layer, an amorphous layer, or an epitaxially grown layer of a semiconductor such as Si, GaAs, and InP.

【0413】上記の各実施形態では、バッファ酸化によ
って形成された酸化膜の除去方法としてフッ酸やフッ化
アンモニウム水溶液を挙げているが、これら以外の方法
として、気相雰囲気で酸化膜を除去することが可能であ
る。
In each of the above embodiments, hydrofluoric acid or an aqueous solution of ammonium fluoride is used as a method for removing an oxide film formed by buffer oxidation. However, as another method, the oxide film is removed in a gas phase atmosphere. It is possible.

【0414】酸化膜の除去工程に気相雰囲気を用い、か
つバッファ酸化工程および酸化膜除去後のゲート酸化工
程を気相雰囲気で行えば、半導体装置を少なくとも外気
に晒さずに連続的に、バッファ酸化→酸化膜除去→ゲー
ト酸化工程(或いは、窒化工程、絶縁膜堆積工程、導電
膜堆積工程、金属と半導体との化合物形成工程)を、同
一の半導体製造装置内で行うことが可能となる。このた
め、半導体表面の汚染による絶縁膜の絶縁破壊耐性劣化
や配線層と半導体表面とのコンタクト不良など、電気的
特性の劣化を防止できるので、半導体装置の性能や歩留
まりの向上するとともに、半導体装置製造のスループッ
ト向上および省力化に対して極めて有効である。
[0414] If a gas phase atmosphere is used for the oxide film removing step and the buffer oxidation step and the gate oxidation step after the oxide film removal are performed in a gas phase atmosphere, the semiconductor device is continuously exposed at least without exposing the semiconductor device to the outside air. Oxidation → oxide film removal → gate oxidation step (or nitridation step, insulating film deposition step, conductive film deposition step, compound formation step of metal and semiconductor) can be performed in the same semiconductor manufacturing apparatus. As a result, it is possible to prevent deterioration of electrical characteristics such as deterioration of dielectric breakdown resistance of the insulating film due to contamination of the semiconductor surface and poor contact between the wiring layer and the semiconductor surface, thereby improving the performance and yield of the semiconductor device and improving the semiconductor device. This is extremely effective for improving manufacturing throughput and saving labor.

【0415】バッファ酸化により形成された酸化膜の除
去を行う気相雰囲気は、酸化膜のエッチング作用を有す
る、F原子、Cl原子、Br原子、I原子の中の1種以
上を有する分子あるいは活性種を含むことが好ましい。
例えば、無水フッ化水素の窒素希釈雰囲気(HF/N
〜7%)を用いると,層き約100nmまでの酸化膜な
ら1分間で除去できる。
[0415] The vapor phase atmosphere for removing the oxide film formed by the buffer oxidation may be a molecule having at least one of F atom, Cl atom, Br atom, and I atom having an action of etching the oxide film, or an active gas. Preferably, it contains a species.
For example, a nitrogen dilution atmosphere of anhydrous hydrogen fluoride (HF / N 2
(7%), an oxide film up to about 100 nm can be removed in one minute.

【0416】気相雰囲気での酸化膜の除去は、例えば、
図16に示す装置を用いて行えば良い。すなわち、上記
の実施形態に示した方法により、図16に示す装置の構
成の一部を用いてバッファ酸化を行った後、基板101
を、窒素希釈の7%無水フッ化水窒蒸気雰囲気に、1分
間晒す。フッ化水素は、マスフローコントローラ222
、バルブ223、22315、22318、223
19、及び217を経由して導入し、窒素は、マスフ
ローコントローラ222及びバルブ223を経由し
てフッ化水素と合流させる。この際、基板の温度を概ね
100℃にすると、酸化膜のエッチングが促進される。
好ましくは、酸化膜除去後、基板表面に残留するF原子
を除くため、減圧雰囲気で基板を概ね200℃に加熱す
る。
[0416] The removal of the oxide film in the gas phase atmosphere can be performed, for example, by the following steps.
What is necessary is just to perform using the apparatus shown in FIG. That is, the buffer oxidation is performed using a part of the configuration of the apparatus shown in FIG.
Is exposed to a 7% anhydrous hydrogen fluoride / nitrogen vapor atmosphere diluted with nitrogen for 1 minute. Hydrogen fluoride is supplied to the mass flow controller 222
2 , valve 223 2 , 223 15 , 223 18 , 223
19, and then introduced via 217 5, nitrogen, to merge with hydrogen fluoride through a mass flow controller 222 1 and the valve 223 1. At this time, when the temperature of the substrate is set to approximately 100 ° C., the etching of the oxide film is promoted.
Preferably, after removing the oxide film, the substrate is heated to approximately 200 ° C. in a reduced pressure atmosphere in order to remove F atoms remaining on the substrate surface.

【0417】気相での酸化膜除去には、無水フッ化水素
蒸気以外にも、例えば、紫外線励起のF/Hガス、
HF/CHCOペーパー、CDE(化学的ドライエッ
チング)、RIE(反応性イオンエッチング)、水素ラ
ジカル雰囲気プラズマによるスパッタリングなどを用い
てもよい。
For removing an oxide film in the gas phase, besides anhydrous hydrogen fluoride vapor, for example, an ultraviolet-excited F 2 / H 2 gas,
HF / CH 3 CO paper, CDE (chemical dry etching), RIE (reactive ion etching), sputtering by hydrogen radical atmosphere plasma, or the like may be used.

【0418】気相雰囲気での基板処理方法として、前記
の酸化膜除去方法と、例えば金属汚染や有機汚染の除去
を主目的とする次の方法とを組み合わせてもよい。例え
ば、紫外線励起Cl、ClF蒸気、HFAC(1,
1,1,5,5,5−へキサフルオロ−2,4−ペンタ
ンジオン)蒸気、TFAA(三フッ化酢酸)蒸気、水素
ラジカル十アンモニア十ヘキサメチルジシラザン(NH
[Si(CH)雰囲気、水素ラジカル雰囲気
などを、前記の酸化膜除去方法の前または後に行う。
[0418] As a substrate processing method in a gaseous-phase atmosphere, the above-described oxide film removing method may be combined with, for example, the following method mainly for removing metal contamination and organic contamination. For example, ultraviolet excitation Cl 2 , ClF 3 vapor, HFAC (1,
1,1,5,5,5-hexafluoro-2,4-pentanedione vapor, TFAA (trifluoroacetic acid) vapor, hydrogen radical deammonia hexahexamethyldisilazane (NH
[Si (CH 3 ) 3 ] 2 ) atmosphere or hydrogen radical atmosphere is performed before or after the above oxide film removing method.

【0419】基板の気相雰囲気処理に用いるガスをプラ
ズマ放電などによって励起する場合には、ガスをバルブ
22316、22317経由とし、電極202や励起光
源203を用いる。また、処理の必要に応じて基板を加
熱してもよい。
[0419] When the gas used for the gas-phase atmosphere treatment of the substrate excited by plasma discharge, the gas and through valve 223 16, 223 17, using the electrode 202 and the excitation light source 203. Further, the substrate may be heated as required for the processing.

【0420】また、上記の実施形態における半導体表面
の平坦化に用いる半導体製造方法および製造装置では、
平坦性を高めるため、酸化に好ましい活性種O(D)
を主成分とする雰囲気をバッファ酸化に用いることが好
ましい。
In the semiconductor manufacturing method and apparatus used for flattening the semiconductor surface in the above embodiment,
To enhance the flatness, preferably the oxidation active species O (1 D)
It is preferable to use an atmosphere containing as a main component for buffer oxidation.

【0421】(第11の実施形態)本実施形態では、第
3の実施形態で形成された酸化膜について、ゲート電極
から酸化膜を経由して基板にホウ素が突き抜けるのを防
止するため、酸化表面に窒素原子を導入した例を述べ
る。ここで、ホウ素は、ゲート電極用ポリシリコン膜の
ドーパントとして用いられるものである。
(Eleventh Embodiment) In the present embodiment, the oxide film formed in the third embodiment is oxidized to prevent boron from penetrating from the gate electrode through the oxide film to the substrate. An example in which a nitrogen atom has been introduced into the above will be described. Here, boron is used as a dopant for the polysilicon film for the gate electrode.

【0422】例えば、図8(a)のように、素子分離さ
れたシリコン基板表面を酸素ラジカルで酸化し、図8
(b)のように、シリコン酸化膜103を形成した。
For example, as shown in FIG. 8A, the surface of a silicon substrate from which an element is separated is oxidized with oxygen radicals,
As shown in (b), a silicon oxide film 103 was formed.

【0423】酸素ラジカルは、例えば、放電周波数2.
45GHz、放電出力200Wのマイクロ波放電を低圧
の酸素ガスに印加して形成した。このダウンフロー雰囲
気中にシリコン基板を晒し、酸素ラジカルO(P)に
よる酸化を行った。酸素流量は例えば、800scc
m、雰囲気圧力は例えば例えば5Torrとした。例え
ば温度900℃、酸化時間5分で、例えば厚さ6nmの
シリコン酸化膜を形成した。
Oxygen radicals are produced, for example, at a discharge frequency of 2.
It was formed by applying a microwave discharge of 45 GHz and a discharge output of 200 W to a low-pressure oxygen gas. Exposing the silicon substrate in the downflow atmosphere, it was oxidized by oxygen radical O (3 P). The oxygen flow rate is, for example, 800 scc
m and the atmospheric pressure were, for example, 5 Torr. For example, a silicon oxide film having a thickness of, for example, 6 nm was formed at a temperature of 900 ° C. and an oxidation time of 5 minutes.

【0424】酸化膜形成直後、導入ガスを酸素ガスから
窒素ガスに切り替え、窒素ラジカル雰囲気を用いて、シ
リコン酸化膜表面への窒素原子導入を行った。例えば、
放電周波数2.45GHz、放電出力100Wのマイク
ロ波放電を流量800sccmぼ窒素ガスに印加し、窒
素ガスプラズマのダウンフロー雰囲気中にシリコン基板
を晒した。圧力は例えば例えば5Torrであった。基
板温度は例えば温度900℃、処理時間は例えば30分
でとした。この表面窒化処理後、酸化表面をX線光電子
分光法(XPS)で調べると、酸化膜の表面近傍に概ね
1%のN原子が導入されていた。
Immediately after the formation of the oxide film, the introduced gas was changed from oxygen gas to nitrogen gas, and nitrogen atoms were introduced into the surface of the silicon oxide film using a nitrogen radical atmosphere. For example,
A microwave discharge with a discharge frequency of 2.45 GHz and a discharge output of 100 W was applied to a nitrogen gas at a flow rate of 800 sccm, and the silicon substrate was exposed to a nitrogen gas plasma downflow atmosphere. The pressure was, for example, 5 Torr. The substrate temperature was, for example, 900 ° C., and the processing time was, for example, 30 minutes. After the surface nitriding, the oxidized surface was examined by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). As a result, approximately 1% of N atoms had been introduced near the surface of the oxide film.

【0425】参考資料として、従来の乾燥酸化を用いた
ねつ酸化膜の、別の基板表面に形成した。例えば、20
l/分、900℃の乾燥酸素雰囲気に、シリコン基板を
例えば10分間晒し、例えば厚さ6nmのシリコン酸化
膜を形成する次に、これらの基板の全面に、ホウ素をド
ープしたポリシリコン層を、例えばジシラン及びジボラ
ンを原料とする低圧CVD法を用いて、例えば、温度4
50℃中で堆積した、ポリシリコンの厚さは、概ね20
0nm、ホウ素濃度は概ね3×1020atoms/c
であった。
[0425] As a reference, a conventional oxide film formed by dry oxidation was formed on another substrate surface. For example, 20
The silicon substrate is exposed to a dry oxygen atmosphere at 900 ° C. for 1 minute, for example, for 10 minutes to form a silicon oxide film having a thickness of, for example, 6 nm. Next, a boron-doped polysilicon layer is formed on the entire surface of the substrate. For example, using a low pressure CVD method using disilane and diborane as raw materials, for example, at a temperature of 4
The thickness of the polysilicon deposited at 50 ° C. is approximately 20
0 nm, boron concentration is approximately 3 × 10 20 atoms / c
It was m 3.

【0426】この後、MOSトランジスタ形成用とホウ
素突き抜け検討用とに基板を分けた、MOSトランジス
タ形成用基板には、ポリシリコン層のアニール用とし
て、例えば、窒素ガス中で900℃、30秒の熱処理を
行った。この後、図27(i)〜図27(k)に示すよ
うに、第9の実施形態と同様に、MOSトランジスタを
形成した。
Thereafter, the substrates for forming the MOS transistor and for examining the penetration of boron are separated from each other. The substrate for forming the MOS transistor is subjected to annealing at 900 ° C. for 30 seconds in nitrogen gas for annealing the polysilicon layer. Heat treatment was performed. Thereafter, as shown in FIGS. 27 (i) to 27 (k), a MOS transistor was formed as in the ninth embodiment.

【0427】ホウ素突き抜け検討用基板には、突き抜け
量を多くして観測しやすくするため、ポリシリコン層の
アニール処理お強い条件とした。例えば、窒素ガス中
で、1000℃、90分の熱処理を行った。この熱処理
後、ポリシリコン層を化学的ドライエッチング法(CD
E)を用いて除去し、熱処理によって酸化膜を通過し
て、基板に突き抜けたホウ素の量を、二次イオン質量分
析法(SIMS)を用いて調べた。
In the substrate for boron penetration study, in order to increase the amount of penetration and make it easier to observe, the annealing condition of the polysilicon layer was set to a strong condition. For example, heat treatment was performed at 1000 ° C. for 90 minutes in a nitrogen gas. After this heat treatment, the polysilicon layer is chemically dry-etched (CD
E), the amount of boron that passed through the oxide film by heat treatment and penetrated the substrate was examined using secondary ion mass spectrometry (SIMS).

【0428】図29は、ゲート電極から酸化膜を透過し
て基板に突き抜けたホウ素の方向分布を、種々の酸化膜
に対して、SIMSを用いて調べた結果である。図29
は、酸素ラジカルを用いて形成したシリコン酸化膜の表
面に窒素ラジカル導入した絶縁膜であり、図30は、従
来の熱酸化膜である図29及び図30はいずれも、ポリ
シリコン形成後、1000℃、90分のアニール処理を
行った後であり、図31では、アニール処理しない場合
である。表面近傍に窒素原子を導入したラジカル酸化膜
では、図29に示すように、基板内のホウ素濃度が、ア
ニール前の図31とほぼ同等であり、ホウ素の突き抜け
が抑制されていることを示している。一方、従来の熱酸
化膜では、アニール前の図31に対して、図29に示す
ように、アニール処理によって、基板内のホウ素濃度が
高くなっており、ホウ素が大量に突き抜けたことを示し
ている。なお、一方、従来の熱酸化膜では、アニールの
前の図31に対し、図30に示すように、アニール処理
によって基板内のホウ素濃度が高くなっており、ホウ素
が酸化膜を大量に突き抜けたことを示している。なお、
表面近傍に窒素原子を導入しないラジカル酸化酸化膜の
突き抜け濃度は、図29と図30の中間であった。
FIG. 29 shows the result of using SIMS to examine the directional distribution of boron penetrating the oxide film through the gate electrode and penetrating the substrate for various oxide films. FIG.
Is an insulating film in which nitrogen radicals are introduced into the surface of a silicon oxide film formed using oxygen radicals. FIG. 30 is a conventional thermal oxide film. FIG. 31 shows a case where the annealing process is not performed after the annealing process at 90 ° C. for 90 minutes. As shown in FIG. 29, in the radical oxide film having nitrogen atoms introduced near the surface, the boron concentration in the substrate is almost equal to that in FIG. 31 before annealing, indicating that penetration of boron is suppressed. I have. On the other hand, in the conventional thermal oxide film, as shown in FIG. 29, as compared with FIG. 31 before the annealing, the boron concentration in the substrate was increased by the annealing treatment, indicating that a large amount of boron penetrated. I have. On the other hand, in the conventional thermal oxide film, as shown in FIG. 30, the boron concentration in the substrate was increased by the annealing treatment, as compared with FIG. 31 before the annealing, and a large amount of boron penetrated the oxide film. It is shown that. In addition,
The penetration concentration of the radical oxidized oxide film into which nitrogen atoms were not introduced near the surface was intermediate between FIGS. 29 and 30.

【0429】一方、これらの酸化膜をゲート酸化膜に用
いて形成したMOSトランジスタを調べたところ、窒素
原子を導入したラジカル酸化膜では、従来の熱酸化膜に
対し、ホウ素突き抜け耐性の向上を反映して、しきい値
電圧が安定化した。
On the other hand, when a MOS transistor formed using these oxide films as a gate oxide film was examined, it was found that a radical oxide film in which nitrogen atoms were introduced reflects an improvement in boron penetration resistance as compared with a conventional thermal oxide film. As a result, the threshold voltage was stabilized.

【0430】また、半導体装置を形成する基板は、酸化
を1原子層ずつ(layer-by-layer)進行させ、原子レベ
ルで平坦な酸化膜/半導体基板界面を得るため、基板の
結晶方位のオフセット角が0°に近く(例えば基板表面
とSi(100)面とが平行)、また基板表面の平坦性
が高いものが好ましい。
The substrate on which the semiconductor device is formed is oxidized one atomic layer at a time (layer-by-layer) to obtain a flat oxide film / semiconductor substrate interface at the atomic level. Preferably, the angle is close to 0 ° (for example, the substrate surface is parallel to the Si (100) plane) and the substrate surface has high flatness.

【0431】本実施形態における半導体の酸化や酸化膜
除去や窒化に用いる活性種は、プラズマ放電や励起光や
触媒によって原料ガスを分解した雰囲気中の活性種をそ
のまま用いるだけでなく、この活性種と他の原料ガス、
あるいは他の化学種とを反応させ、生成する活性種を用
いてもよい。
The active species used for the oxidation of the semiconductor, the removal of the oxide film, and the nitridation in this embodiment are not limited to the active species in the atmosphere in which the source gas is decomposed by the plasma discharge, the excitation light, or the catalyst. And other feed gas,
Alternatively, an active species generated by reacting with another chemical species may be used.

【0432】本発明は、上記の発明の実施の形態に限定
されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲で
種々変形して実施できるのは勿論である。
[0432] The present invention is not limited to the above embodiments of the present invention, and it is needless to say that various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

【0433】[0433]

【発明の効果】本発明によれば次のような効果が得られ
る。
According to the present invention, the following effects can be obtained.

【0434】(1) 酸化ガス源として、一重項状態の
酸素ラジカルを主成分とするものをシリコン層に供給し
ているので、酸化が効率よく進行し、従来より低温での
シリコン酸化膜の形成が可能となるとともに、シリコン
酸化膜中の格子欠陥などのトラップサイトが解消されて
緻密な膜質となり、シリコン層とシリコン酸化膜との界
面が平坦化され、シリコン酸化膜の電気的信頼性を向上
することができる。
(1) Since an oxidizing gas source containing oxygen radicals in a singlet state as a main component is supplied to the silicon layer, oxidation proceeds efficiently, and a silicon oxide film is formed at a lower temperature than before. As well as eliminating trap sites such as lattice defects in the silicon oxide film, resulting in dense film quality, flattening the interface between the silicon layer and the silicon oxide film, and improving the electrical reliability of the silicon oxide film. can do.

【0435】(2) 酸素活性種を含む雰囲気で半導体
の表面を酸化してバッファ酸化膜を形成することによ
り、半導体とバッファ酸化膜との界面を極めて平坦化す
ることができ、バッファ酸化膜を除去した後の半導体の
表面も平坦化される。したがって、バッファ酸化膜を除
去した後に露出した半導体の表面に絶縁層や導電層を形
成した場合、両者の界面も極めて平坦化され、信頼性や
特性に優れた半導体装置を作製することができる。
(2) By oxidizing the surface of the semiconductor in an atmosphere containing active oxygen species to form a buffer oxide film, the interface between the semiconductor and the buffer oxide film can be extremely flattened. The surface of the semiconductor after the removal is also flattened. Therefore, when an insulating layer or a conductive layer is formed on the surface of the semiconductor exposed after removing the buffer oxide film, the interface between the two is extremely flattened, and a semiconductor device having excellent reliability and characteristics can be manufactured.

【0436】(3) 酸素活性種を含む雰囲気で最適な
温度による半導体基板の酸化を行うことができるので、
(2)と同様の効果が得られる。
(3) Since the semiconductor substrate can be oxidized at an optimum temperature in an atmosphere containing oxygen active species,
The same effect as (2) can be obtained.

【0437】(4) 一連の工程を外気に晒さないで行
うことができるので、半導体表面の汚染による絶縁膜の
絶縁破壊耐性劣化や配線層と半導体表面とのコンタクト
不良など、電気的特性の劣化防止による、半導体装置の
性能や歩留まりの向上とともに、半導体装置製造のスル
ープット向上および省力化に対して極めて有効である。
(4) Since a series of steps can be performed without exposing to the outside air, deterioration of electrical characteristics such as deterioration of insulation breakdown resistance of an insulating film due to contamination of a semiconductor surface and poor contact between a wiring layer and a semiconductor surface. Prevention is very effective in improving the performance and yield of the semiconductor device, as well as improving the throughput and saving labor in the manufacture of the semiconductor device.

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

【図1】 本発明の第1の実施形態に係わるEEPRO
Mのメモリセルの素子構造を示す断面図。
FIG. 1 shows an EEPRO according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a cross-sectional view illustrating an element structure of an M memory cell.

【図2】 図1のメモリセルの製造方法を示す工程断面
図。
FIG. 2 is a process sectional view illustrating the method of manufacturing the memory cell in FIG. 1;

【図3】 図1のメモリセルの製造方法を示す工程断面
図。
3 is a process sectional view illustrating the method for manufacturing the memory cell of FIG.

【図4】 トンネル酸化膜の形成に用いる酸化装置を示
す模式図。
FIG. 4 is a schematic view showing an oxidation device used for forming a tunnel oxide film.

【図5】 酸化種の違いによるゲート酸化膜とシリコン
基板との界面の平坦性の違いを示す。。
FIG. 5 shows a difference in flatness of an interface between a gate oxide film and a silicon substrate due to a difference in oxidizing species. .

【図6】 酸化種の違いによりゲート酸化膜とシリコン
基板との界面の平坦性が異なる理由を説明するための
図。
FIG. 6 is a view for explaining the reason why the flatness of the interface between the gate oxide film and the silicon substrate is different depending on the type of oxidization.

【図7】 O(D)酸化による酸化膜−下地基板界面
の平坦化を示す図。
FIG. 7 is a view showing flattening of an interface between an oxide film and a base substrate by O ( 1 D) oxidation.

【図8】 面方位の違いによるO(D)のSi−Si
結合の入り込みかたの違いを示す図。
FIG. 8: O ( 1 D) Si-Si due to difference in plane orientation
The figure which shows the difference in the way of joining.

【図9】 酸素分子Oから種々の酸素活性種を形成す
るために必要なエネルギーを示す図。
FIG. 9 is a diagram showing energy required to form various oxygen active species from oxygen molecules O 2 .

【図10】 酸素原子の基底状態O(P)を励起する
ために必要なエネルギーを示す図。
FIG. 10 is a diagram showing energy required to excite the ground state O ( 3 P) of an oxygen atom.

【図11】 励起状態の酸素分子O(aΔ)を励
起するために必要なエネルギーを示す図。
FIG. 11 is a diagram showing energy required to excite oxygen molecules O 2 (a 1 Δ g ) in an excited state.

【図12】 励起状態の酸素分子O(bΣ )を
励起するために必要なエネルギーを示す図。
12 is a diagram illustrating the energy required to excite the oxygen molecule O 2 excited state (b 1 Σ g +).

【図13】 本発明の第2の実施形態に係わるEEPR
OMのメモリセルの製造方法を示す工程断面図。
FIG. 13 shows an EEPR according to the second embodiment of the present invention.
Sectional drawing which shows the manufacturing method of the memory cell of OM.

【図14】 酸化種の違いによる酸化膜形成速度の違い
を示す図。
FIG. 14 is a diagram showing a difference in an oxide film formation rate depending on a difference in oxidizing species.

【図15】 酸化種の違いによる酸化膜の絶縁破壊耐性
の違いを示す図。
FIG. 15 is a view showing a difference in dielectric breakdown resistance of an oxide film due to a difference in oxidizing species.

【図16】 本発明の第3の実施形態に係る半導体製造
装置の概略構成を示す図。
FIG. 16 is a view showing a schematic configuration of a semiconductor manufacturing apparatus according to a third embodiment of the present invention.

【図17】 本発明の第4の実施形態に係わるEEPR
OMのメモリセルの製造方法を示す工程断面図。
FIG. 17 shows an EEPR according to a fourth embodiment of the present invention.
Sectional drawing which shows the manufacturing method of the memory cell of OM.

【図18】 本発明の第5の実施形態と従来技術を対比
して示した図。
FIG. 18 is a diagram showing a fifth embodiment of the present invention in comparison with a conventional technique.

【図19】 本発明の第6の実施形態と従来技術を対比
して示した図。
FIG. 19 is a diagram showing a sixth embodiment of the present invention in comparison with a conventional technique.

【図20】 シリコン酸化膜/シリコン基板界面ラフネ
スの酸化膜厚依存性を示す図。
FIG. 20 is a view showing the oxide film thickness dependency of the silicon oxide film / silicon substrate interface roughness.

【図21】 酸化膜厚の酸化時間依存性を示す図。FIG. 21 is a graph showing dependence of an oxide film thickness on an oxidation time.

【図22】 本発明の第7の実施形態に係る製造工程の
一部を示した工程断面図。
FIG. 22 is a process cross-sectional view showing a part of the manufacturing process according to the seventh embodiment of the present invention.

【図23】 本発明の第8の実施形態をと従来技術を対
比して示した図。
FIG. 23 is a diagram showing an eighth embodiment of the present invention in comparison with a conventional technique.

【図24】 本発明の第9の実施形態の工程によって作
製される半導体装置の概略を示した断面図。
FIG. 24 is a sectional view schematically showing a semiconductor device manufactured by the steps of the ninth embodiment of the present invention.

【図25】 本発明の第9の実施形態に係る製造工程の
一部を示した工程断面図。
FIG. 25 is a process cross-sectional view showing a part of the manufacturing process according to the ninth embodiment of the present invention.

【図26】 本発明の第9の実施形態に係る製造工程の
一部を示した工程断面図。
FIG. 26 is a process cross-sectional view showing a part of the manufacturing process according to the ninth embodiment of the present invention.

【図27】 本発明の第9の実施形態に係る製造工程の
一部を示した工程断面図。
FIG. 27 is a process cross-sectional view showing a part of the manufacturing process according to the ninth embodiment of the present invention.

【図28】 本発明の第10の実施形態に係る半導体製
造装置の概略形態を示す図。
FIG. 28 is a view showing a schematic configuration of a semiconductor manufacturing apparatus according to a tenth embodiment of the present invention.

【図29】 酸化膜の種類によるゲート電極から基板へ
の硼素突き抜け量の相違を示す図。
FIG. 29 is a diagram showing a difference in the amount of boron penetration from a gate electrode to a substrate depending on the type of an oxide film.

【図30】 酸化膜の種類によるゲート電極から基板へ
の硼素突き抜け量の相違を示す図。
FIG. 30 is a view showing a difference in the amount of boron penetration from a gate electrode to a substrate depending on the type of an oxide film.

【図31】 酸化膜の種類によるゲート電極から基板へ
の硼素突き抜け量の相違を示す図。
FIG. 31 is a diagram showing a difference in the amount of boron penetration from a gate electrode to a substrate depending on the type of an oxide film.

【図32】 酸化種の違いによる酸化速度の違いを示す
図。
FIG. 32 is a view showing a difference in oxidation rate due to a difference in oxidizing species.

【図33】 酸化種の違いによるゲート電圧シフトΔV
の違いを示す図。
FIG. 33: Gate voltage shift ΔV due to difference in oxidizing species
FIG.

【図34】 酸化種の違いによるQbdの違いを示す
図。
FIG. 34 is a view showing a difference in Qbd due to a difference in oxidizing species.

【図35】 酸化種の違いによるシリコン基板上に形成
したシリコン酸化膜の基板側界面における電子移動度の
違いを示す図。
FIG. 35 is a view showing a difference in electron mobility at a substrate-side interface of a silicon oxide film formed on a silicon substrate due to a difference in oxidizing species.

【図36】 酸化種の違いによるシリコン基板とシリコ
ン酸化膜との界面の平坦性の違いを示す図。
FIG. 36 is a view showing a difference in flatness of an interface between a silicon substrate and a silicon oxide film due to a difference in oxidizing species.

【図37】 酸化種の違いによりシリコン酸化膜とシリ
コン基板との界面の平坦性が異なる理由を説明するため
の図。
FIG. 37 is a view for explaining the reason why the flatness of the interface between the silicon oxide film and the silicon substrate is different depending on the type of oxidized species.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

101…p型シリコン基板 102…シリコン酸化膜 103…トンネル酸化膜 103…ゲート電極間絶縁膜 104…フローティングゲート電極 104…コントロールゲート電極 105…ソース領域 106…ドレイン領域 107…シリコン酸化膜 108…ソース電極 109…ゲート電極配線 110…ドレイン電極DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... p-type silicon substrate 102 ... silicon oxide film 103 1 ... tunnel oxide film 103 2 ... insulating film between gate electrodes 104 1 ... floating gate electrode 104 2 ... control gate electrode 105 ... source region 106 ... drain region 107 ... silicon oxide film 108: Source electrode 109: Gate electrode wiring 110: Drain electrode

Claims (40)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 550℃を越える温度において酸素活性
種を含む雰囲気で半導体層の表面を酸化して酸化膜を形
成する工程を備えたことを特徴とする半導体装置の製造
方法。
1. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising: oxidizing a surface of a semiconductor layer in an atmosphere containing oxygen active species at a temperature exceeding 550 ° C. to form an oxide film.
【請求項2】 請求項1に記載の半導体装置の製造方法
において、前酸素活性種を含む雰囲気は酸素原子を有す
る分子を含むガスのプラズマ雰囲気を用いることを特徴
とする半導体装置の製造方法。
2. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the atmosphere containing the pre-oxygen active species is a plasma atmosphere of a gas containing molecules having oxygen atoms.
【請求項3】 請求項1に記載の半導体装置の製造方法
において、前記酸素活性種を含む雰囲気はオゾン分子を
備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
3. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the atmosphere containing the oxygen active species includes ozone molecules.
【請求項4】 請求項1に記載の半導体装置の製造方法
において、前記酸素活性種は酸素原子を有する分子を含
むガスに対する光照射によって生成することを特徴とす
る半導体装置の製造方法。
4. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the oxygen active species is generated by irradiating a gas containing a molecule having an oxygen atom with light.
【請求項5】 請求項1に記載の半導体装置の製造方法
において、前記酸素活性種は酸素原子を有する分子を含
むガスに金属あるいは金属酸化物を晒して生成すること
を特徴とする半導体装置の製造方法。
5. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein said oxygen-active species is generated by exposing a metal or a metal oxide to a gas containing a molecule having an oxygen atom. Production method.
【請求項6】 550℃を越える温度において酸素活性
種を含む雰囲気で半導体層の表面を酸化して酸化膜を形
成することを特徴とする半導体製造装置。
6. A semiconductor manufacturing apparatus, wherein an oxide film is formed by oxidizing a surface of a semiconductor layer in an atmosphere containing oxygen active species at a temperature exceeding 550 ° C.
【請求項7】 請求項6に記載の半導体製造装置におい
て、前記酸素活性種を含む雰囲気は酸素原子を有する分
子を含むガスのプラズマ雰囲気を用いることを特徴とす
る半導体製造装置。
7. The semiconductor manufacturing apparatus according to claim 6, wherein the atmosphere containing the oxygen active species is a plasma atmosphere of a gas containing molecules having oxygen atoms.
【請求項8】 請求項6に記載の半導体製造装置におい
て、前記酸素活性種を含む雰囲気はオゾン分子を有する
ことを特徴とする半導体製造装置。
8. The semiconductor manufacturing apparatus according to claim 6, wherein the atmosphere containing the active oxygen species contains ozone molecules.
【請求項9】 請求項6に記載の半導体製造装置におい
て、前記酸素活性種は酸素原子を有する分子を含むガス
に対する光照射によって生成することを特徴とする半導
体製造装置。
9. The semiconductor manufacturing apparatus according to claim 6, wherein the oxygen active species is generated by irradiating a gas containing a molecule having an oxygen atom with light.
【請求項10】 請求項6に記載の半導体製造装置にお
いて、前記酸素活性種は酸素原子を有する分子を含むガ
スに金属あるいは金属酸化物を晒して生成することを特
徴とする半導体製造装置。
10. The semiconductor manufacturing apparatus according to claim 6, wherein said oxygen active species is generated by exposing a metal or a metal oxide to a gas containing a molecule having an oxygen atom.
【請求項11】酸素活性種を含む雰囲気で半導体の表面
を酸化して酸化膜を形成する工程と、 前記酸化膜を除去して前記半導体の表面を露出させる工
程とを備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
11. A method comprising: oxidizing a surface of a semiconductor in an atmosphere containing oxygen active species to form an oxide film; and removing the oxide film to expose a surface of the semiconductor. Semiconductor device manufacturing method.
【請求項12】 請求項11記載の半導体装置の製造方
法において、前記露出した半導体の表面を酸化または窒
化して絶縁膜を形成する工程を更に具備することを特徴
とする半導体装置の製造方法。
12. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 11, further comprising a step of forming an insulating film by oxidizing or nitriding the exposed surface of the semiconductor.
【請求項13】 請求項11記載の半導体装置の製造方
法において、前記露出した半導体の表面に絶縁膜を堆積
する工程を更に具備することを特徴とする半導体装置の
製造方法。
13. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 11, further comprising a step of depositing an insulating film on the exposed surface of the semiconductor.
【請求項14】 請求項11記載の半導体装置の製造方
法において、前記露出した半導体の表面に導電膜を堆積
する工程を更に具備することを特徴とする半導体装置の
製造方法。
14. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 11, further comprising a step of depositing a conductive film on the exposed surface of the semiconductor.
【請求項15】 請求項11記載の半導体装置の製造方
法において、前記露出した半導体の表面に該半導体と所
望の金属とを主成分とする層を形成する工程を更に具備
することを特徴とする半導体装置の製造方法。
15. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 11, further comprising a step of forming a layer containing the semiconductor and a desired metal as main components on the exposed surface of the semiconductor. A method for manufacturing a semiconductor device.
【請求項16】 請求項11〜請求項15に記載の半導
体装置の製造方法において、前記酸素活性種を含む半導
体で半導体の表面を酸化して第1の酸化膜を形成する工
程と、この第1の酸化膜を除去して前記半導体の表面を
露出させる工程とともに、半導体の表面を酸化して第2
の酸化膜を形成する工程と、この第2の酸化膜を除去し
て前記半導体の表面を露出させる工程とを1回以上行う
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
16. A method for manufacturing a semiconductor device according to claim 11, wherein a first oxide film is formed by oxidizing a surface of the semiconductor with the semiconductor containing the oxygen active species. Removing the oxide film and exposing the surface of the semiconductor;
Forming a second oxide film and exposing a surface of the semiconductor by removing the second oxide film one or more times.
【請求項17】 請求項11〜請求項16に記載の半導
体装置の製造方法において、前記酸化膜を除去して前記
半導体の表面を露出させる工程は気相雰囲気で酸化膜を
除去する工程を更に備えたことを特徴とする半導体装置
の製造方法。
17. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 11, wherein the step of removing the oxide film and exposing the surface of the semiconductor further comprises removing the oxide film in a gas phase atmosphere. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
【請求項18】 請求項17に記載の半導体装置の製造
方法において、前記気相雰囲気はF原子、Cl原子、B
r原子、I原子の中の1種以上を有する分子あるいは活
性種を含む気相雰囲気を用いることを特徴とする半導体
装置の製造方法。
18. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 17, wherein said gaseous phase atmosphere includes F atoms, Cl atoms, and B atoms.
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising using a gaseous atmosphere containing a molecule having at least one of r atoms and I atoms or an active species.
【請求項19】 酸素活性種を含む雰囲気で半導体の表
面を酸化して酸化膜を形成する工程と、この酸化膜を除
去して前記半導体の表面を露出させる工程とを少なくと
も外気に晒さないで連続的に行うことを特徴とする半導
体製造装置。
19. A method for forming an oxide film by oxidizing the surface of a semiconductor in an atmosphere containing oxygen active species, and exposing the surface of the semiconductor by removing the oxide film without exposing the semiconductor device to at least outside air. A semiconductor manufacturing apparatus characterized by being continuously performed.
【請求項20】 請求項19に記載の半導体製造装置に
おいて、少なくとも外気に晒さない状態を維持しながら
前記露出した半導体の表面を酸化または窒化して絶縁膜
を形成する工程を更に具備することを特徴とする半導体
製造装置。
20. The semiconductor manufacturing apparatus according to claim 19, further comprising a step of forming an insulating film by oxidizing or nitriding the surface of the exposed semiconductor while maintaining at least a state of not being exposed to the outside air. Characteristic semiconductor manufacturing equipment.
【請求項21】 請求項19に記載の半導体製造装置に
おいて、少なくとも外気に晒さない状態を維持しながら
前記露出した半導体の表面に絶縁膜を堆積する工程を更
に具備することを特徴とする半導体製造装置。
21. The semiconductor manufacturing apparatus according to claim 19, further comprising a step of depositing an insulating film on the exposed surface of the semiconductor while maintaining at least a state of not being exposed to the outside air. apparatus.
【請求項22】 請求項19に記載の半導体製造装置に
おいて、少なくとも外気に晒さない状態を維持しながら
前記露出した半導体の表面に導電膜を堆積する工程を更
に具備することを特徴とする半導体製造装置。
22. The semiconductor manufacturing apparatus according to claim 19, further comprising a step of depositing a conductive film on the exposed surface of the semiconductor while maintaining at least a state of not being exposed to outside air. apparatus.
【請求項23】 請求項19に記載の半導体製造装置に
おいて、少なくとも外気に晒さない状態を維持しながら
前記露出した半導体の表面に該半導体と所望の金属とを
主成分とする層を形成する工程を具備することを特徴と
する半導体製造装置。
23. The semiconductor manufacturing apparatus according to claim 19, wherein a layer mainly composed of the semiconductor and a desired metal is formed on the surface of the exposed semiconductor while maintaining at least a state of not being exposed to the outside air. A semiconductor manufacturing apparatus comprising:
【請求項24】 前記酸素活性種を含む雰囲気で半導体
の表面を酸化して第1の酸化膜を形成する工程とこの第
1の酸化膜を除去して前記半導体の表面を露出させる工
程とともに、半導体の表面を酸化して第2の酸化膜を形
成する工程と、この第2の酸化膜を除去して前記半導体
の表面を露出させる工程とを1回以上、少なくとも外気
に晒きないで連続的に行うことを特徴とする半導体製造
装置。
24. A step of forming a first oxide film by oxidizing a surface of the semiconductor in an atmosphere containing the oxygen active species, and a step of exposing the surface of the semiconductor by removing the first oxide film. The step of oxidizing the surface of the semiconductor to form a second oxide film and the step of removing the second oxide film to expose the surface of the semiconductor are performed at least once at least without exposing to outside air. A semiconductor manufacturing apparatus characterized in that the method is performed in an integrated manner.
【請求項25】 請求項19〜請求項24に記載の半導
体製造装置において、前記酸化膜を除去して前記半導体
の表面を露出させる工程は気相雰囲気で酸化膜を除去す
る工程を有することを特徴とする半導体製造装置。
25. The semiconductor manufacturing apparatus according to claim 19, wherein removing the oxide film and exposing the surface of the semiconductor includes removing the oxide film in a gas phase atmosphere. Characteristic semiconductor manufacturing equipment.
【請求項26】 請求項25に記載の半導体製造装置に
おいて、前記気相雰囲気はF原子、Cl原子、Br原
子、I原子の中の1種以上を有する分子あるいは活性種
を含む気相雰囲気を用いることを特徴とする半導体製造
装置。
26. The semiconductor manufacturing apparatus according to claim 25, wherein the gaseous phase atmosphere is a gaseous phase atmosphere containing molecules or active species having at least one of F atom, Cl atom, Br atom and I atom. A semiconductor manufacturing apparatus characterized by being used.
【請求項27】 請求項11〜請求項16に記載の半導
体装置の製造方法において、前記酸素活性種を含む雰囲
気で半導体の表面を酸化して酸化膜を形成する工程は、
550℃を越える温度で行うことを特徴とする半導体装
置の製造方法。
27. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 11, wherein the step of oxidizing a surface of the semiconductor in an atmosphere containing the oxygen active species to form an oxide film comprises:
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein the method is performed at a temperature exceeding 550 ° C.
【請求項28】 請求項19〜請求項24に記載の半導
体製造装置において、前記酸素活性種を含む雰囲気で半
導体の表面を酸化して酸化膜を形成する工程は、550
℃を越える温度で行うことを特徴とする半導体製造装
置。
28. The semiconductor manufacturing apparatus according to claim 19, wherein the step of oxidizing a surface of the semiconductor in an atmosphere containing the oxygen active species to form an oxide film is performed.
A semiconductor manufacturing apparatus characterized by performing at a temperature exceeding ℃.
【請求項29】 請求項1〜請求項5および請求項11
〜請求項16に記載の半導体装置の製造方法において、
前記酸素活性種は励起状態が一重項状態の酸素原子ラジ
カルを主成分とすることを特徴とする半導体装置の製造
方法。
29. Claims 1 to 5 and 11
17. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 16,
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the oxygen active species is mainly composed of an oxygen atom radical whose excited state is a singlet state.
【請求項30】 請求項6から請求項10および請求項
19〜請求項24に記載の半導体製造装置において、前
記酸素活性種は励起状態が一重項状態の酸素原子ラジカ
ルを主成分とすることを特徴とする半導体製造装置。
30. The semiconductor manufacturing apparatus according to claim 6, wherein the oxygen active species is mainly composed of an oxygen atom radical whose excited state is a singlet state. Characteristic semiconductor manufacturing equipment.
【請求項31】 励起状態が一重項状態の酸素原子ラジ
カルを主成分とする酸化源ガスをシリコン層に供給し、
その表面を酸化してシリコン酸化膜を形成することを特
徴とする半導体装置の製造方法。
31. An oxidizing gas containing an oxygen atom radical in a singlet state as an excited state as a main component is supplied to a silicon layer.
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising oxidizing a surface thereof to form a silicon oxide film.
【請求項32】 請求項28、請求項31に記載の半導
体装置の製造方法において、酸素源ガスに波長175n
m以下の光を照射して、前記一重項状態の酸素原子ラジ
カルを生成することを特徴とする半導体装置の製造方
法。
32. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 28, wherein the oxygen source gas has a wavelength of 175 nm.
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising irradiating light of m or less to generate oxygen atom radicals in the singlet state.
【請求項33】 請求項28、請求項31に記載の半導
体装置の製造方法において、酸素原子を有する分子を含
むガスのプラズマ雰囲気に波長175nm以下の光を照
射して、前記一重項状態の酸素原子ラジカルを生成する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
33. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 28, wherein the singlet state oxygen is irradiated by irradiating a plasma atmosphere of a gas containing a molecule having an oxygen atom with light having a wavelength of 175 nm or less. A method for manufacturing a semiconductor device, characterized by generating atomic radicals.
【請求項34】 請求項33に記載の半導体装置の製造
方法において、前記プラズマ雰囲気は、プラズマ発生領
域と酸化領域とに分かれていることを特徴とする半導体
装置の製造方法。
34. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 33, wherein said plasma atmosphere is divided into a plasma generation region and an oxidation region.
【請求項35】 請求項28、請求項31に記載の半導
体装置の製造方法において、酸素原子を有する分子を含
むガス雰囲気に、前記一重項状態の酸素原子ラジカルの
生成効率が三重項状態の酸素原子ラジカルのそれよりも
高くなる波長の光を照射して、前記一重項状態の酸素原
子ラジカルを生成することを特徴とする半導体装置の製
造方法。
35. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 28, wherein the generation efficiency of the singlet-state oxygen atom radical is reduced to a triplet state in a gas atmosphere containing a molecule having an oxygen atom. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising irradiating light having a wavelength higher than that of an atomic radical to generate the oxygen atom radical in the singlet state.
【請求項36】 請求項28、請求項31に記載の半導
体装置の製造方法において、前記一重項状態の酸素原子
ラジカルを含む酸化源ガスは、前記一重項状態の酸素原
子ラジカルを三重項状態の酸素原子ラジカルに失活させ
る反応の速度定数が温度298Kにおいて4×1011
3 mol-1-1未満となるガス分子を含むことを特徴
とする半導体装置の製造方法。
36. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 28, wherein the oxidizing source gas containing the singlet-state oxygen atom radicals converts the singlet-state oxygen atom radicals into a triplet-state oxygen atom radical. The rate constant of the reaction for deactivating oxygen radicals is 4 × 10 11 c at a temperature of 298K.
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising gas molecules of less than m 3 mol −1 s −1 .
【請求項37】 請求項28、請求項31に記載の半導
体装置の製造方法において、一酸化二窒素ガスを含む雰
囲気に波長341nm以下の光を照射して、前記一重項
状態の酸素原子ラジカルを生成することを特徴とする半
導体装置の製造方法。
37. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 28, wherein the atmosphere containing dinitrogen monoxide gas is irradiated with light having a wavelength of 341 nm or less to convert the oxygen atom radicals in the singlet state. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
【請求項38】 請求項28、請求項31に記載の半導
体装置の製造方法において、前記酸化源ガス中の酸素分
子の分圧を10Torr以下、酸化温度を550℃以下
の条件で前記酸化を行なうことを特徴とする半導体装置
の製造方法。
38. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 28, wherein the oxidation is performed under a condition that a partial pressure of oxygen molecules in the oxidation source gas is 10 Torr or less and an oxidation temperature is 550 ° C. or less. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
【請求項39】 550℃を越える温度において酸素活
性種を含む雰囲気で半導体層の表面を酸化して形成され
た酸化膜を有し、前記半導体層と前記酸化膜との界面が
原子レベルの平坦度を有することを特徴とする半導体装
置。
39. An oxide film formed by oxidizing the surface of a semiconductor layer in an atmosphere containing oxygen active species at a temperature exceeding 550 ° C., and an interface between the semiconductor layer and the oxide film is flat at an atomic level. A semiconductor device having a degree.
【請求項40】 励起状態が一重項状態の酸素原子ラジ
カルを主成分とする酸化源ガスが供給されたシリコン層
の表面を酸化して形成されたシリコン酸化膜を有し、前
記シリコン層と前記シリコン酸化膜との界面が原子レベ
ルの平坦度を有することを特徴とする半導体装置。
40. A silicon oxide film formed by oxidizing a surface of a silicon layer supplied with an oxidizing gas mainly containing oxygen atom radicals in an excited state as a singlet state. A semiconductor device, wherein an interface with a silicon oxide film has an atomic level flatness.
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