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JP2000164868A - Gate film formation method and semiconductor device - Google Patents

Gate film formation method and semiconductor device

Info

Publication number
JP2000164868A
JP2000164868A JP10346662A JP34666298A JP2000164868A JP 2000164868 A JP2000164868 A JP 2000164868A JP 10346662 A JP10346662 A JP 10346662A JP 34666298 A JP34666298 A JP 34666298A JP 2000164868 A JP2000164868 A JP 2000164868A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
silicon substrate
nitrogen
film
oxide film
implanted
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
JP10346662A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Eiji Hasegawa
英司 長谷川
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.)
NEC Corp
Original Assignee
NEC 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 NEC Corp filed Critical NEC Corp
Priority to JP10346662A priority Critical patent/JP2000164868A/en
Publication of JP2000164868A publication Critical patent/JP2000164868A/en
Pending legal-status Critical Current

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  • Formation Of Insulating Films (AREA)
  • Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for forming a gate film, wherein when a nitrogen is implanted in a silicon substrate for suppressing an oxidation speed, the thickness of oxide film formed by the oxidation process can be made smaller with good controllability. SOLUTION: In a thermal process within a rapid thermal process furnace, wherein an ion comprising nitrogen element is implanted into a semiconductor substrate before its thin insulating film is formed on the substrate, a step wherein relatively hot and very short (1-several seconds) annealing process is performed in a nitrogen, argon, or other inert gas atmospheres, and a step wherein a desired insulating film is formed in a short thermal process in oxidizing gas, nitriding/oxidizing gas, or nitriding gas atmosphere, are provided.

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、酸化膜、窒化酸化
膜または窒化膜の形成技術に関する。
The present invention relates to a technique for forming an oxide film, a nitrided oxide film or a nitride film.

【0002】[0002]

【従来の技術】半導体装置の心臓部であるゲート絶縁膜
を、いかに高信頼性、高制御性で形成するかが半導体装
置開発における最も重要な課題である。そのような中
で、近年のロジック系MIS(Metal Insul
ator Semiconductor:金属−絶縁膜
−半導体)型デバイスでは、トランジスタのゲート絶縁
膜の膜厚は急速に薄くなり、3.0nm以下の酸化膜が
使われるようになっている。さらに研究段階では約1.
5nmの超薄膜の検討が進められている。
2. Description of the Related Art How to form a gate insulating film, which is the heart of a semiconductor device, with high reliability and high controllability is the most important issue in semiconductor device development. Under such circumstances, a recent logic MIS (Metal Insul)
In an attor semiconductor (metal-insulator-semiconductor) type device, the thickness of a gate insulating film of a transistor is rapidly reduced, and an oxide film having a thickness of 3.0 nm or less is used. At the research stage, about 1.
The study of ultra-thin films of 5 nm is underway.

【0003】そのような状況下、従来からゲート絶縁膜
として用いられてきたシリコン酸化膜の形成を、その良
好な絶縁性、界面特性を保持しながら、いかに制御良く
非常に薄く成膜するかという新たな課題が発生してきて
いる。このような非常に薄い酸化膜を形成する方法の一
つとして、酸化温度を下げることが考えられる。
[0003] Under such circumstances, how to form a silicon oxide film, which has been conventionally used as a gate insulating film, in a very thin film with good control while maintaining good insulating properties and interface characteristics. New challenges are emerging. One of the methods for forming such an extremely thin oxide film is to lower the oxidation temperature.

【0004】しかし、温度の低減は良好な信頼性を有す
る酸化膜の形成とは全く逆のスタンスであり、高温のま
ま酸化したいという要望がある。その要求を満たす方法
の一つとして、シリコン基板中に窒素原子を注入する方
法が提案されている。酸化中にSi−N結合が発生して
酸化種の拡散が抑制され、酸化速度が遅くなる現象を用
いたゲート膜形成方法である(従来技術)。この従来技
術のゲート膜形成方法で形成されるSi−N結合は、ゲ
ート電極からのボロンの拡散を抑制できる効果も持ち、
非常に注目をされている方法である。
However, the reduction in temperature is a completely opposite stance to the formation of an oxide film having good reliability, and there is a demand to oxidize at a high temperature. As one of the methods satisfying the demand, a method of implanting nitrogen atoms into a silicon substrate has been proposed. This is a method of forming a gate film using a phenomenon in which a Si—N bond is generated during oxidation to suppress diffusion of an oxidizing species, and the oxidation rate is reduced (prior art). The Si—N bond formed by the conventional gate film forming method also has the effect of suppressing the diffusion of boron from the gate electrode,
This is a very popular method.

【0005】図8は、従来技術のゲート膜形成方法にお
いて、基板に窒素を注入した時としない時での酸化速度
の差を調べたものである。横軸は酸化温度(単位は
[℃])、縦軸は酸化膜の膜厚(単位は[nm])であ
る。窒素原子の導入は、加速エネルギー約10KeV、
ドーズ量3×1014atoms/cm2であり、酸化
は急速熱処理炉を用いて約900℃のドライ酸素雰囲気
で行っている。図8より、窒素注入により酸化速度が抑
制されていることがわかる。ところが、よく観察してみ
ると、時間にして5秒以上、膜厚にして約1.5nm以
上では確かに酸化速度が遅いが、それ以下の領域ではほ
とんど差がなく、むしろ酸化速度が増速されていること
がわかる。これでは、膜厚約1.5nm以下の酸化膜形
成にこの方法を用いることはできない。ところが、いろ
いろと調べていくうちに、この方法の欠点に気づいた。
FIG. 8 shows the difference in oxidation rate between when nitrogen is injected into a substrate and when nitrogen is not injected into a substrate in a conventional gate film forming method. The horizontal axis represents the oxidation temperature (unit: [° C.]), and the vertical axis represents the thickness of the oxide film (unit: [nm]). The introduction of a nitrogen atom has an acceleration energy of about 10 KeV,
The dose is 3 × 10 14 atoms / cm 2, and the oxidation is performed in a dry oxygen atmosphere at about 900 ° C. using a rapid heat treatment furnace. FIG. 8 shows that the oxidation rate was suppressed by nitrogen implantation. However, a close observation shows that the oxidation rate is certainly slow at a time of 5 seconds or more and a film thickness of about 1.5 nm or more, but there is almost no difference in the area below that, and the oxidation rate is rather increased. You can see that it is done. In this case, this method cannot be used for forming an oxide film having a thickness of about 1.5 nm or less. However, as I did some research, I noticed the disadvantages of this method.

【0006】図9は、従来技術のゲート膜形成方法にお
ける急速熱処理炉による酸化処理のシーケンスを示して
いる。窒素を上記条件で注入した後、室温、窒素ガス中
でそのウエハ(シリコン基板)をチャンバーに導入し、
その後毎秒125℃昇温速度で約900℃まで温度を高
くし、酸素ガス中で所望の時間酸化している。一般に、
窒素原子を注入してから酸化にいたるまでに一切の熱処
理が入っていないのが普通であり、酸化処理も単純に1
ステップの熱処理で行われていることがわかる。
FIG. 9 shows a sequence of an oxidation treatment by a rapid heat treatment furnace in a conventional gate film forming method. After injecting nitrogen under the above conditions, the wafer (silicon substrate) is introduced into the chamber at room temperature in a nitrogen gas,
Thereafter, the temperature is increased to about 900 ° C. at a rate of 125 ° C./sec and oxidized in oxygen gas for a desired time. In general,
Normally, no heat treatment is applied between the implantation of the nitrogen atoms and the oxidation, and the oxidation treatment is simply carried out by one.
It can be seen that the heat treatment is performed in the step.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来技
術のゲート膜形成方法では、シリコン基板中に注入され
た窒素イオンはそのままの状態では活性化しておらず、
シリコン元素との結合(Si−N)も存在しない。ま
た、シリコン基板自体もイオン注入のダメージによって
アモルファス化している状態である。さらに、酸化はS
iと酸素が結合する反応であり、Si−Si結合がしっ
かりと形成された結晶の状態よりも、アモルファス化し
て結合が切れている状態の方が酸化されやすい。その結
果、このような状態では、通常のシリコン基板を酸化す
る時と同じ現象(酸化)が生じるという問題点や、逆に
酸化が加速されるという問題点があった。
However, in the conventional gate film forming method, nitrogen ions implanted into the silicon substrate are not activated as they are,
There is no bond with the silicon element (Si-N). In addition, the silicon substrate itself is in an amorphous state due to damage due to ion implantation. In addition, the oxidation is S
This is a reaction in which i and oxygen are combined, and oxidation is more apt to occur in a state where the bond is amorphous and the bond is broken than in a crystal state where a Si-Si bond is firmly formed. As a result, in such a state, there is a problem that the same phenomenon (oxidation) occurs as when a normal silicon substrate is oxidized, and conversely, there is a problem that the oxidation is accelerated.

【0008】本発明は斯かる問題点を鑑みてなされたも
のであり、その目的とするところは、窒素をシリコン基
板中に注入して酸化速度を抑制しようという試みにおい
て、実際に酸化処理によって形成される酸化膜厚を制御
性良く薄くするためのゲート膜形成方法及び半導体装置
を提供することにある。
The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to reduce the rate of oxidation by injecting nitrogen into a silicon substrate. An object of the present invention is to provide a gate film forming method and a semiconductor device for reducing the thickness of an oxide film to be formed with good controllability.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明の請求項1に記載
の要旨は、窒素を含有するゲート酸化膜を形成するゲー
ト膜形成方法であって、シリコン基板に窒素元素を含む
イオンを注入し、その後前記シリコン基板上に非常に薄
い熱酸化膜を形成するために急速熱処理工程を実行する
際、前記イオン注入されたシリコン基板を不活性ガス雰
囲気中でおおよそ1乃至数秒間高温アニールして、前記
注入イオンされた窒素元素を活性化し、前記シリコン基
板内のシリコン元素と当該窒素原子間の結合を生成し、
前記シリコン基板の再結晶化を行う高温アニール処理工
程と、酸化性雰囲気内で所定の短時間だけ熱処理を実行
して所望の絶縁膜を形成する酸化処理工程とを有するこ
とを特徴とするゲート膜形成方法に存する。また本発明
の請求項2に記載の要旨は、窒素を含有するゲート窒化
酸化膜を形成するゲート膜形成方法であって、シリコン
基板に窒素元素を含むイオンを注入し、その後前記シリ
コン基板上に非常に薄い窒化酸化膜を形成するために急
速熱処理工程を実行する際、前記イオン注入されたシリ
コン基板を不活性ガス雰囲気中でおおよそ1乃至数秒間
高温アニールして、前記注入イオンされた窒素元素を活
性化し、前記シリコン基板内のシリコン元素と当該窒素
原子間の結合を生成し、前記シリコン基板の再結晶化を
行う高温アニール処理工程と、窒化酸化性雰囲気内で所
定の短時間だけ熱処理を実行して所望の絶縁膜を形成す
る酸化処理工程とを有することを特徴とするゲート膜形
成方法に存する。また本発明の請求項3に記載の要旨
は、窒素を含有するゲート窒化膜を形成するゲート膜形
成方法であって、シリコン基板に窒素元素を含むイオン
を注入し、その後前記シリコン基板上に非常に薄い窒化
膜を形成するために急速熱処理工程を実行する際、前記
イオン注入されたシリコン基板を不活性ガス雰囲気中で
おおよそ1乃至数秒間高温アニールして、前記注入イオ
ンされた窒素元素を活性化し、前記シリコン基板内のシ
リコン元素と当該窒素原子間の結合を生成し、前記シリ
コン基板の再結晶化を行う高温アニール処理工程と、窒
化性雰囲気内で所定の短時間だけ熱処理を実行して所定
膜厚の絶縁膜を形成する酸化処理工程とを有することを
特徴とするゲート膜形成方法に存する。また本発明の請
求項4に記載の要旨は、前記酸化処理工程の直前に前記
高温アニール処理工程を連続的に実行することを特徴と
する請求項1乃至3のいずれか一項に記載のゲート膜形
成方法に存する。また本発明の請求項5に記載の要旨
は、前記高温アニール処理工程は、前記イオン注入され
たシリコン基板を不活性ガス雰囲気中でおおよそ100
0℃をおおよそ1乃至数秒間高温アニールして、前記注
入イオンされた窒素元素を活性化し、前記シリコン基板
内のシリコン元素と当該窒素原子間の結合を生成し、前
記シリコン基板の再結晶化を行う工程を含むことを特徴
とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載のゲート膜
形成方法に存する。また本発明の請求項6に記載の要旨
は、前記酸化処理工程において形成される前記絶縁膜の
所定膜厚は、サブナノメートル乃至数ナノメートルであ
ることを特徴とする請求項5に記載のゲート膜形成方法
に存する。また本発明の請求項7に記載の要旨は、シリ
コン基板に窒素元素を含むイオンを注入し、その後前記
シリコン基板上に非常に薄い熱酸化膜を形成するために
急速熱処理工程によって作成された窒素を含有する所定
膜厚のゲート酸化膜を有するする半導体装置であって、
前記シリコン基板表面は結晶性を示すシリコン元素間結
合を有し、前記シリコン基板に窒素元素を含むイオンを
注入し、その後前記シリコン基板上に形成された所定膜
厚のゲート酸化膜は、前記注入された窒素元素がシリコ
ン元素と結合したシリコン元素−窒素元素間結合を有す
ることを特徴とする半導体装置に存する。また本発明の
請求項8に記載の要旨は、前記ゲート酸化膜の所定膜厚
は、サブナノメートル乃至数ナノメートルであることを
特徴とする請求項7に記載の半導体装置に存する。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a method of forming a gate oxide film containing nitrogen, comprising implanting ions containing a nitrogen element into a silicon substrate. Then, when performing a rapid heat treatment step to form a very thin thermal oxide film on the silicon substrate, the ion-implanted silicon substrate is annealed at a high temperature for about 1 to several seconds in an inert gas atmosphere, Activating the implanted ionized nitrogen element to generate a bond between the silicon element in the silicon substrate and the nitrogen atom,
A gate film, comprising: a high-temperature annealing process for recrystallizing the silicon substrate; and an oxidation process for performing a heat treatment for a predetermined short time in an oxidizing atmosphere to form a desired insulating film. It depends on the forming method. The gist of claim 2 of the present invention is a method of forming a gate nitrided oxide film containing nitrogen, the method comprising: implanting ions containing a nitrogen element into a silicon substrate; When performing a rapid heat treatment process to form a very thin nitrided oxide film, the ion-implanted silicon substrate is annealed at a high temperature for about 1 to several seconds in an inert gas atmosphere, and the implanted ion-implanted nitrogen element is removed. A high-temperature annealing step of generating a bond between the silicon element in the silicon substrate and the nitrogen atom to recrystallize the silicon substrate, and performing a heat treatment for a predetermined short time in a nitriding-oxidizing atmosphere. And an oxidizing step of forming a desired insulating film by executing the method. According to a third aspect of the present invention, there is provided a gate film forming method for forming a gate nitride film containing nitrogen, the method comprising: implanting ions containing a nitrogen element into a silicon substrate; When performing a rapid heat treatment process to form a thin nitride film on the substrate, the ion-implanted silicon substrate is annealed at a high temperature for about 1 to several seconds in an inert gas atmosphere to activate the implanted ionized nitrogen element. A high-temperature annealing process for generating a bond between the silicon element and the nitrogen atom in the silicon substrate and recrystallizing the silicon substrate, and performing a heat treatment for a predetermined short time in a nitriding atmosphere. An oxidation treatment step of forming an insulating film having a predetermined thickness. The gist of claim 4 of the present invention is that the high-temperature annealing step is continuously performed immediately before the oxidation step. A method for forming a film. The gist of claim 5 of the present invention is that the high-temperature annealing step includes the step of performing the ion-implanted silicon substrate in an inert gas atmosphere for about 100 hours.
Annealing at 0 ° C. for about 1 to several seconds at a high temperature activates the implanted ionized nitrogen element, generates a bond between the silicon element in the silicon substrate and the nitrogen atom, and recrystallizes the silicon substrate. 5. The method according to claim 1, further comprising the step of: The gist of claim 6 of the present invention is that the predetermined thickness of the insulating film formed in the oxidation treatment step is from sub-nanometer to several nanometers. A method for forming a film. The gist of claim 7 of the present invention is that the ion implantation including a nitrogen element is implanted into a silicon substrate, and then the nitrogen is formed by a rapid heat treatment process to form a very thin thermal oxide film on the silicon substrate. A semiconductor device having a gate oxide film of a predetermined thickness containing
The surface of the silicon substrate has a silicon-element bond exhibiting crystallinity, and ions including a nitrogen element are implanted into the silicon substrate. Thereafter, a gate oxide film having a predetermined thickness formed on the silicon substrate is subjected to the implantation. The present invention resides in a semiconductor device characterized in that the obtained nitrogen element has a silicon element-nitrogen element bond bonded to the silicon element. The gist of claim 8 of the present invention resides in the semiconductor device according to claim 7, wherein the predetermined thickness of the gate oxide film is from sub-nanometer to several nanometers.

【0010】[0010]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて詳細に説明する。初めに、本発明のゲート膜
形成方法の各実施形態の基本コンセプトを説明する。以
下の各実施形態の特徴は、窒素を含有するゲート酸化
膜、ゲート窒化酸化膜またはゲート窒化膜のいずれかを
形成するゲート膜形成方法であって、半導体基板に窒素
元素(N)を含むイオンを注入し、その後その基板上に
それらの薄い絶縁膜を形成する際の急速熱処理炉におけ
る熱処理工程において、まず、窒素やアルゴンあるいは
その他の不活性なガス雰囲気中で、比較的温度の高いし
かも非常に時間の短い(1〜数秒)アニール処理を行う
ステップと、酸化性ガスあるいは窒化酸化性ガスまたは
窒化性のガスの雰囲気において短時間の熱処理によって
所望の絶縁膜を形成するステップの、両ステップを行う
ことであり、さらに望ましくは、それら両ステップを連
続で行うことにある。
Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. First, the basic concept of each embodiment of the gate film forming method of the present invention will be described. A feature of each of the following embodiments is a method for forming a gate oxide film containing nitrogen, a gate nitrided oxide film, or a gate nitride film, wherein the semiconductor substrate includes an ion containing nitrogen element (N). In a heat treatment step in a rapid heat treatment furnace for forming these thin insulating films on the substrate after that, first, in a nitrogen, argon or other inert gas atmosphere, a relatively high temperature and very high temperature are required. A short annealing time (1 to several seconds) and a step of forming a desired insulating film by a short-time heat treatment in an atmosphere of an oxidizing gas, a nitriding oxide gas, or a nitriding gas. And, more preferably, to perform both steps continuously.

【0011】このようなゲート膜形成方法によれば、前
半部の極短時間の不活性ガス雰囲気中での高温アニール
によって、注入された窒素原子が活性化して一部シリコ
ン元素(Si)と結合(Si−N結合)をつくる。その
結合の存在により、後に行われる酸化工程、窒化酸化工
程または窒化工程において、酸化種、窒化酸化種または
窒化種とシリコン基板との反応が抑制されるとともに、
酸化種、窒化酸化種または窒化種とシリコン基板とによ
る反応種の拡散も抑制されて初期の反応速度(酸化速
度、窒化酸化速度または窒化速度)が非常に遅くなる。
その結果、非常に薄い絶縁膜の形成が可能になり、しか
も、膜形成の制御性が良くなるといった効果を奏する。
酸化速度、窒化酸化速度または窒化速度が遅くなるとい
う効果は、酸化工程、窒化酸化工程または窒化工程自身
の処理温度を高く設定できるという効果にも通じる。そ
れらの処理によって形成される絶縁膜の信頼性は高温ほ
ど向上するため、この改善効果は大きい。また、不活性
雰囲気アニールは非常に短い時間処理のため、シリコン
表面のラフネス(粗度)が大きくならないこと、シリコ
ン基板中へ既に注入されているボロンやリンなどの不純
物が拡散してしまうことによる再分布を抑制できるとい
うメリットもある。
According to such a gate film forming method, the implanted nitrogen atoms are activated by the high temperature annealing in an inert gas atmosphere for a very short time in the first half, and partially bonded to the silicon element (Si). (Si-N bond). Due to the presence of the bond, in the oxidation step, the nitridation oxidation step or the nitridation step performed later, the reaction between the oxidizing species, the nitriding oxide species or the nitriding species and the silicon substrate is suppressed,
The diffusion of the reactive species by the oxidizing species, the nitriding species or the nitriding species and the silicon substrate is also suppressed, and the initial reaction rate (oxidation rate, nitridation oxidation rate or nitriding rate) becomes very slow.
As a result, it is possible to form an extremely thin insulating film, and it is possible to obtain an effect that the controllability of film formation is improved.
The effect that the oxidation rate, the nitridation oxidation rate, or the nitridation rate is reduced leads to the effect that the processing temperature of the oxidation step, the nitridation oxidation step, or the nitridation step itself can be set high. Since the reliability of the insulating film formed by such a process increases as the temperature increases, the effect of this improvement is great. Further, since the inert atmosphere annealing is performed for a very short time, the roughness (roughness) of the silicon surface is not increased, and impurities such as boron and phosphorus already implanted into the silicon substrate are diffused. There is also an advantage that redistribution can be suppressed.

【0012】(第1実施形態)図1は本発明のゲート膜
形成方法の第1実施形態を説明するための急速熱処理の
温度プロファイルである。例えば、質量数14の窒素イ
オン(元素記号:N)を加速エネルギー約10KeVで
ドーズ量3×1014atoms/cm2注入したシリ
コン基板に対して、極短時間アニールと酸化膜形成を急
速熱処理炉によって実現するときの、プロセスシーケン
ス(温度、ガス、時間)を示している。この場合、両ス
テップを連続して、同一チャンバーで行っている。
(First Embodiment) FIG. 1 is a temperature profile of a rapid heat treatment for explaining a first embodiment of a gate film forming method of the present invention. For example, a rapid heat treatment furnace is used to perform extremely short-time annealing and oxide film formation on a silicon substrate into which nitrogen ions having a mass number of 14 (element symbol: N) have been implanted at an acceleration energy of about 10 KeV and a dose of 3 × 10 14 atoms / cm 2. At this time, the process sequence (temperature, gas, time) is shown. In this case, both steps are performed continuously in the same chamber.

【0013】まず、室温下、窒素雰囲気でシリコンウエ
ハを急速熱処理の炉内に導入する。シリコンウエハ導入
時にチャンバー内に混入した大気成分を除去するために
チャンバー内に一定時間だけ窒素ガスを流す。ここで、
チャンバー内容積の10倍以上の容量の窒素ガスをトー
タルとして流すことが望ましい。例えば、チャンバー容
積が2L(リッター)だとすると、毎分約10Lの流量
で12秒以上窒素ガスを導入する必要がある。
First, a silicon wafer is introduced into a furnace for rapid heat treatment at room temperature in a nitrogen atmosphere. A nitrogen gas is flowed into the chamber for a certain period of time in order to remove atmospheric components mixed into the chamber when the silicon wafer is introduced. here,
It is desirable to flow a total of a nitrogen gas having a capacity of at least 10 times the internal volume of the chamber. For example, if the chamber volume is 2 L (liter), it is necessary to introduce nitrogen gas at a flow rate of about 10 L per minute for 12 seconds or more.

【0014】次に、十分チャンバー内から大気(酸素や
水分)を排除した後、図1の温度プロファイルに示すよ
うに、そのままの窒素ガスN2(またはアルゴンガスA
r)雰囲気中において、おおよそ1000℃まで、毎秒
125℃〜400℃の速さ(昇温速度)で昇温する。そ
しておおよそ1000℃を1〜数秒間程度保持した後、
昇温用のランプヒーターをOFF(滅灯)にして同窒素
ガス(または同アルゴンガス)雰囲気下で急速冷却を行
う。通常、前熱処理がおおよそ1000℃で数秒であれ
ば、わずか10〜30秒で300〜400℃といった温
度まで冷却される。この状態で窒素ガスから酸素ガス
(O2)(またはNOガス)に切り替える。十分酸素ガ
ス(またはNOガス)に置換するためには大気の置換と
同様にチャンバー内容積の10倍以上の容量の酸素ガス
が必要である。
Next, after sufficiently removing the atmosphere (oxygen or moisture) from the chamber, as shown in the temperature profile of FIG. 1, the nitrogen gas N2 (or the argon gas A) is left as it is.
r) In the atmosphere, the temperature is raised to about 1000 ° C. at a rate of 125 ° C. to 400 ° C. per second (temperature rising rate). And after holding about 1000 ° C for about 1 to several seconds,
The lamp heater for raising the temperature is turned off (extinguished), and rapid cooling is performed in the nitrogen gas (or argon gas) atmosphere. Usually, if the pre-heat treatment is performed at about 1000 ° C. for several seconds, it is cooled to a temperature of 300-400 ° C. in only 10-30 seconds. In this state, the gas is switched from nitrogen gas to oxygen gas (O2) (or NO gas). In order to sufficiently replace the gas with oxygen gas (or NO gas), oxygen gas having a capacity of 10 times or more the internal volume of the chamber is required as in the case of replacing the atmosphere.

【0015】次に、この雰囲気状態で所望の酸化温度ま
で昇温(毎秒125℃の昇温速度)して、一定温度の熱
処理により酸化膜を形成する。所定の時間後は雰囲気を
窒素ガス(またはアルゴンガス)に切り替えて室温まで
急速冷却を行う。
Next, the temperature is raised to a desired oxidation temperature (temperature rising rate of 125 ° C./sec) in this atmosphere state, and an oxide film is formed by heat treatment at a constant temperature. After a predetermined time, the atmosphere is switched to nitrogen gas (or argon gas) and rapid cooling to room temperature is performed.

【0016】ここで、本発明の特徴は、酸化処理の直前
に、超短時間の不活性ガス雰囲気中での高温アニール処
理が入っていることにある。この処理により、シリコン
基板内に導入された窒素元素の存在の形態が変化する。
Here, the feature of the present invention resides in that a very short time high-temperature annealing treatment in an inert gas atmosphere is performed immediately before the oxidation treatment. This processing changes the form of the nitrogen element introduced into the silicon substrate.

【0017】図2はそのアニールの有無による構造の違
いを説明するシリコン基板の断面構造概略図であって、
同図(a)は、窒素をシリコン基板中に導入しただけの
場合のシリコン基板の断面構造概略図であり、同図
(b)は、窒素をシリコン基板中に導入した後に熱処理
を行った場合のシリコン基板の断面構造概略図である。
窒素をシリコン基板中に導入しただけでは、図2(a)
に示すように、窒素はシリコン結晶のSi−Si結合の
格子間にあるばかりでなく、Si−Si結合自身が注入
のダメージによりかなりの数切断されている。この状態
ではもはや結晶とは言えず、いわゆるアモルファス状態
である。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a silicon substrate for explaining the difference in the structure depending on the presence or absence of annealing.
FIG. 3A is a schematic cross-sectional view of a silicon substrate when nitrogen is only introduced into a silicon substrate, and FIG. 3B is a diagram when heat treatment is performed after nitrogen is introduced into the silicon substrate. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the silicon substrate of FIG.
If nitrogen is simply introduced into the silicon substrate, it is possible to obtain the structure shown in FIG.
As shown in FIG. 2, nitrogen is not only located between the lattices of the Si--Si bond of the silicon crystal, but the Si--Si bond itself is severely cut by damage due to implantation. In this state, it can no longer be said to be a crystal, but a so-called amorphous state.

【0018】一方、窒素をシリコン基板中に導入した後
に熱処理を行うことによって、図2(b)に示すよう
に、Siは再配列され、Si−Si結合は復活し再び結
晶になるとともに、注入された窒素元素はSi原子と結
合してSi−N結合が作られる。この超短時間の高温処
理は、高温(約900℃以上)のため、再結晶化とSi
−N結合形成には十分であり、かつ長時間でないため
に、シリコン基板中の不純物(ボロンやリンなど、注入
された窒素元素を含む)が拡散して再分布することを抑
制できる。
On the other hand, by performing a heat treatment after introducing nitrogen into the silicon substrate, as shown in FIG. 2B, the Si is rearranged, the Si--Si bond is restored, the crystal is again formed, and the implantation is performed. The nitrogen element thus bonded combines with the Si atom to form a Si—N bond. This ultra-short time high-temperature treatment is performed at a high temperature (about 900 ° C. or higher).
Since it is sufficient for the formation of the -N bond and is not for a long time, the diffusion (redistribution) of impurities (including an implanted nitrogen element such as boron and phosphorus) in the silicon substrate can be suppressed.

【0019】それぞれの状態で酸化雰囲気にて熱処理を
行うと、図2に示したSi表面の結合状態とSi−N結
合の影響により酸化速度が異なることになる。図3は、
超短時間アニールの有無による酸化速度への影響を調べ
た結果であり、酸化速度を示している。横軸は酸化時間
(単位は[秒])、縦軸は酸化膜厚(単位は[nm])
である。アニールありのケースを●で示し、アニールな
しのケースを■でプロットしている。窒素注入は加速エ
ネルギー約10KeV、ドーズ量約3×1014ato
ms/cm2であり、酸化は約900℃でドライ酸素1
00%の雰囲気で行った。超短時間処理はおおよそ10
00℃2秒である。図3より、超短時間アニールを行わ
ない場合(図中■で表記)には酸化時間2秒で約1.2
nmの酸化膜が形成されるが、アニールを行った場合
(図中●で表記)の膜厚は約0.7nmまで薄くなるこ
とがわかる。そしてそれ以降の時間ではその初期膜厚に
影響される形で膜厚はアニールしないものに比べて薄く
推移する。
If heat treatment is performed in an oxidizing atmosphere in each state, the oxidation rate will be different due to the bonding state of the Si surface shown in FIG. 2 and the influence of the Si—N bond. FIG.
This is a result of examining the effect of the presence or absence of ultra-short annealing on the oxidation rate, and shows the oxidation rate. The horizontal axis is the oxidation time (unit is [s]), and the vertical axis is the oxide film thickness (unit is [nm]).
It is. The case with annealing is indicated by ●, and the case without annealing is plotted by △. Nitrogen implantation is performed at an acceleration energy of about 10 KeV and a dose of about 3 × 10 14 at.
ms / cm2 and oxidation at about 900 ° C with dry oxygen 1
The test was performed in an atmosphere of 00%. Ultra-short processing time is about 10
00 ° C. for 2 seconds. From FIG. 3, when the ultra-short annealing is not performed (indicated by ■ in the figure), an oxidation time of about 1.2 seconds
Although an oxide film having a thickness of nm is formed, it can be seen that the film thickness after annealing (indicated by ● in the figure) is reduced to about 0.7 nm. Then, in the subsequent time, the film thickness is thinner than that of the non-annealed film, affected by the initial film thickness.

【0020】熱酸化とはSi−Si基板の結合を切っ
て、その間に酸素原子が入り込みSi−O−Si結合を
作る反応である。したがって、結合が切れているアモル
ファス状態よりも結晶状態の方が酸化され難い。加え
て、Si−N結合は切断するにはさらに強固であり、し
かも、その結合には酸化種である酸素の拡散を抑制する
効果がある。以上の理由により、超短時間高温アニール
の有無によって酸化速度が抑制される。
The thermal oxidation is a reaction in which a bond between a Si—Si substrate is broken, and oxygen atoms enter between them to form a Si—O—Si bond. Therefore, the crystalline state is less likely to be oxidized than the amorphous state in which the bond is broken. In addition, the Si—N bond is more firm to break, and the bond has the effect of suppressing the diffusion of oxygen, which is an oxidizing species. For the above reasons, the oxidation rate is suppressed by the presence or absence of the ultra-short time high-temperature annealing.

【0021】以上第1実施形態によれば、非常に薄い酸
化膜(厳密にいえば、酸化膜の中に窒素原子が混入して
結合したSi−Nを含むので「窒化酸化膜」とも言え
る)の形成が可能である。この第1〜第4実施形態にお
いては、1.0nmの極薄膜が形成可能であるし、約
1.5nm厚の酸化膜であれば、約20秒の酸化時間で
あり制御性はかなり良くなると判断できる。
As described above, according to the first embodiment, an extremely thin oxide film (strictly speaking, since the oxide film contains Si-N bonded by mixing nitrogen atoms, it can also be referred to as an "nitride oxide film"). Can be formed. In the first to fourth embodiments, it is possible to form an extremely thin film of 1.0 nm, and if the thickness of the oxide film is about 1.5 nm, the oxidation time is about 20 seconds and the controllability is considerably improved. I can judge.

【0022】なお、アニールの効果はその雰囲気が窒素
であることに限定されない。あらゆる不活性ガスによっ
ても同様に実現できる。アルゴンガス(Ar)やヘリウ
ム(He)などは窒素に比べてさらに不活性であり、ア
ニールによる表面への影響がさらに少ない。また、酸化
としてドライ酸素を用いた例を示したが、酸素と水素を
燃やすことによってできる水蒸気や、水に通した窒素ガ
スによる酸化でも本発明の効果が損なわれないことは、
原理から考えて明らかである。
The effect of annealing is not limited to that the atmosphere is nitrogen. The same can be achieved with any inert gas. Argon gas (Ar), helium (He), and the like are more inert than nitrogen, and the influence of annealing on the surface is further reduced. In addition, although an example using dry oxygen as the oxidation has been described, it is understood that the effects of the present invention are not impaired even by oxidation using water vapor or nitrogen gas passed through water by burning oxygen and hydrogen.
It is clear from the principle.

【0023】(第2実施形態)本実施形態の窒化酸化膜
の形成方法を以下に説明する。第1実施形態では酸化に
ついて示したが、超短時間高温アニール後の絶縁膜成長
速度抑制効果は、窒化酸化膜の形成においても同様に見
ることができる。例えば、超短時間アニール後の成膜の
ための熱処理にNOガスを使うことが考えられる。NO
ガスは窒素による窒化と酸素による酸化が同時に起こ
り、窒化酸化膜を形成するためのガスとして、既に良く
知られている。図4は窒化酸化膜の成膜速度を調べた結
果である。横軸はNOガス雰囲気中でのアニール時間
(単位は[秒])、縦軸は窒化酸化膜の膜厚(単位は
[nm])である。アニールありのケースを●で示し、
アニールなしのケースを■でプロットしている。図3に
示したケースと同様に、超短時間高温アニールによって
初期成膜の膜厚が低減されること、全体に膜厚が薄く成
膜できることが確認できる。そして図3と比較すると、
さらに成長速度が抑制されていることがわかる。これ
は、窒化酸化のガスNOによってさらに積極的にSi−
N結合ができて、酸化が起こりにくくなっているためで
あると解釈できる。
(Second Embodiment) A method for forming a nitrided oxide film according to this embodiment will be described below. Although oxidation is described in the first embodiment, the effect of suppressing the growth rate of the insulating film after the ultra-short time high-temperature annealing can be similarly observed in the formation of the nitrided oxide film. For example, it is conceivable to use NO gas for heat treatment for film formation after ultra-short annealing. NO
As the gas, nitridation by nitrogen and oxidation by oxygen occur simultaneously, and it is already well known as a gas for forming a nitrided oxide film. FIG. 4 shows the result of examining the film forming speed of the nitrided oxide film. The horizontal axis indicates the annealing time (unit: [second]) in the NO gas atmosphere, and the vertical axis indicates the thickness of the nitrided oxide film (unit: [nm]). The case with annealing is indicated by ●,
The case without annealing is plotted with ■. Similar to the case shown in FIG. 3, it can be confirmed that the ultra-short high-temperature annealing reduces the initial film thickness and that the entire film can be formed thin. And comparing with FIG.
It can be seen that the growth rate was further suppressed. This is because Si-
It can be interpreted that N-bonds are formed and oxidation is less likely to occur.

【0024】なお、窒化酸化膜形成に関わる反応ガスは
NOガスに限るものではない。N2OガスやNO2ガス
さらにNOや酸素の混合ガス、N2Oと酸素、NOの混
合ガスなど、窒化酸化膜を形成することのできるあらゆ
るガス雰囲気においても、本実施形態は有効である。
The reaction gas involved in the formation of the nitrided oxide film is not limited to NO gas. The present embodiment is effective in any gas atmosphere in which a nitrided oxide film can be formed, such as a N2O gas, a NO2 gas, a mixed gas of NO and oxygen, and a mixed gas of N2O, oxygen, and NO.

【0025】(第3実施形態)本実施形態では、窒化酸
化のためのガスの代わりに、窒化性のガスによる窒化膜
形成にも本発明は有効であることを付け加える。アモル
ファス状態のシリコン基板は窒化に対しても促進効果に
なり、薄膜の形成ができないが、超短時間高温アニール
により結晶化すると窒化速度は抑制される。さらに、こ
の場合には、純粋な窒化膜の成膜が可能になる。つま
り、表面が酸化に対して活性であると窒化時にわずかに
混入してしまう酸素によって酸化膜が形成され純粋な窒
化膜の形成が不可能であるが、超短時間高温アニールに
より酸化に対する抑制効果が現れる場合には、窒化膜そ
のもののみでの薄いゲート絶縁膜を形成することが可能
になる。このことは、非常に薄い絶縁膜の作製を可能に
する。つまり、酸化膜換算膜厚が非常に薄いものを実現
するとき、比誘電率の大きい窒化膜のみで形成する方
が、比較して比誘電率が低い酸化膜を混在させるより有
利に働く。
(Third Embodiment) In the present embodiment, it is added that the present invention is also effective for forming a nitride film using a nitriding gas instead of a gas for nitriding oxidation. An amorphous silicon substrate also has an effect of promoting nitridation and cannot form a thin film. However, when crystallized by ultra-short high-temperature annealing, the nitridation rate is suppressed. Further, in this case, a pure nitride film can be formed. In other words, if the surface is active against oxidation, an oxide film is formed by oxygen that is slightly mixed in during nitridation, and it is impossible to form a pure nitride film. Appears, it becomes possible to form a thin gate insulating film using only the nitride film itself. This allows the production of very thin insulating films. That is, when realizing an extremely thin oxide film equivalent film, it is more advantageous to form only a nitride film having a large relative dielectric constant than to mix an oxide film having a relatively low dielectric constant.

【0026】(第4実施形態)前述の第1〜第3実施形
態は、超短時間高温アニールを行うプロセスとその後の
酸化あるいは窒化酸化あるいは窒化のプロセスが連続的
に行われた実施形態であるが、この両プロセスを別々に
行うことでも本発明の効果は実現できる。つまり、図5
に示すように、超短時間高温アニールのプロセス(図中
でProcess1と表記)のみを行い、別の装置など
で酸化、窒化酸化あるいは窒化プロセス(図中でPro
cess2と表記)を行うことにより、連続プロセスと
同様の薄い絶縁膜を制御良く成膜することができる。
(Fourth Embodiment) The above-described first to third embodiments are embodiments in which a process of performing ultra-short-time high-temperature annealing and a subsequent oxidation, nitridation, or nitridation process are continuously performed. However, the effects of the present invention can be realized by separately performing these two processes. That is, FIG.
As shown in the figure, only the ultra-short time high temperature annealing process (indicated as Process 1 in the figure) is performed, and the oxidation, nitridation or nitridation process (Pro
cess2), a thin insulating film similar to that in a continuous process can be formed with good control.

【0027】なお、本発明の効果を得るためには、以上
の第1〜第4実施形態における各構成部の膜厚や製造条
件、数値は上述に限定されるものではない。
In order to obtain the effects of the present invention, the film thickness, manufacturing conditions, and numerical values of each component in the first to fourth embodiments are not limited to the above.

【0028】以下、上記第1〜第4実施形態の効果を述
べる。第1〜第4実施形態は、膜厚約1.5nm以下の
酸化膜、窒化酸化膜、窒化膜を制御良く成膜できるとい
った効果を有している。第1〜第4実施形態で示したよ
うに、従来では1.2nm以下の膜厚の酸化膜の形成が
ほとんど不可能であったが、第1〜第4実施形態により
十分な制御性を有したまま0.8〜1.0nm厚の酸化
膜形成が可能である。また、窒化酸化膜、窒化膜におい
てはさらに薄い(酸化膜の膜厚に換算した場合にはそれ
ぞれ0.6〜1.0nm、0.3〜0.8nm)絶縁膜
の成膜が可能になる。
Hereinafter, the effects of the first to fourth embodiments will be described. The first to fourth embodiments have an effect that an oxide film, a nitrided oxide film, and a nitride film having a thickness of about 1.5 nm or less can be formed with good control. As described in the first to fourth embodiments, it has been almost impossible to form an oxide film having a thickness of 1.2 nm or less in the related art. However, the first to fourth embodiments have sufficient controllability. An oxide film having a thickness of 0.8 to 1.0 nm can be formed as it is. Further, in the case of a nitrided oxide film and a nitride film, a thinner insulating film (0.6 to 1.0 nm and 0.3 to 0.8 nm, respectively, in terms of the oxide film thickness) can be formed. .

【0029】逆の見方をすれば、成長速度が遅くなる効
果を利用して、酸化などの熱処理をさらに高温で行うこ
とができ、高信頼性を有した薄膜形成が可能になる。
In other words, heat treatment such as oxidation can be performed at a higher temperature by utilizing the effect of slowing the growth rate, and a highly reliable thin film can be formed.

【0030】図6は、窒素注入の有無による酸化速度へ
の影響を調べた結果であり、酸化速度を示すグラフであ
る。横軸は酸化時間(単位は[秒])、縦軸は酸化膜の
膜厚(単位は[nm])である。窒素注入ありのケース
を●で示し、窒素注入なしのケースを■でプロットして
いる。例えば、図6に示すように、超短時間高温アニー
ルを行わない場合には、約900℃,10秒で1.8n
mの酸化膜が形成されるが、超短時間高温アニールを事
前に行えば10秒で1.8nmの酸化膜を形成するに
は、温度を952℃に設定すればよい。一般的に、酸
化、窒化酸化または窒化のいずれのプロセスにおいて
も、高温で成膜する方が緻密な膜が形成され、電気的な
信頼性も向上する。事実、上記2条件で形成した酸化膜
に関してTDDB特性という信頼性寿命を行うと、明ら
かな差を見ることができる。図7はそのひとつの例であ
り、一定の電気的ストレス(−5V stress)を
印加して酸化膜(膜厚1.8nm)が破壊するまでの時
間について調べた結果である。縦軸は累積故障率をワイ
ブルプロットした値(単位は[Weibull])であ
り、横軸は破壊時間、測定チップ数は各々40個であ
る。■でプロットされる曲線が酸化温度900℃、●で
プロットされる曲線が酸化温度952℃のケースを示し
ている。破壊時間が長い方が(つまりプロットが右にあ
るほど)信頼性が高いと判断するが、超短時間高温アニ
ールを行い高温で酸化した酸化膜の方が寿命が長いこと
がわかる。
FIG. 6 is a graph showing the result of examining the effect of the presence or absence of nitrogen on the oxidation rate, and is a graph showing the oxidation rate. The horizontal axis indicates the oxidation time (unit is [second]), and the vertical axis indicates the thickness of the oxide film (unit is [nm]). The case with nitrogen injection is indicated by ●, and the case without nitrogen injection is plotted by ■. For example, as shown in FIG. 6, when the ultra-short time high-temperature annealing is not performed, 1.8 n at about 900 ° C. for 10 seconds.
Although an oxide film of m is formed, if an ultra-short high-temperature annealing is performed in advance, a temperature of 952 ° C. may be set to form an oxide film of 1.8 nm in 10 seconds. In general, in any of the oxidation, nitridation, and nitridation processes, a film formed at a high temperature forms a denser film and improves electrical reliability. In fact, when the reliability life of the TDDB characteristic is performed on the oxide film formed under the above two conditions, a clear difference can be seen. FIG. 7 shows one example of the result, and is a result of examining a time required until an oxide film (thickness: 1.8 nm) is broken by applying a constant electric stress (−5 V stress). The vertical axis is a value obtained by Weibull plotting the cumulative failure rate (the unit is [Weibull]), and the horizontal axis is the destruction time and the number of measurement chips is 40 each. The curve plotted by (2) shows the case where the oxidation temperature is 900 ° C., and the curve plotted by ● shows the case where the oxidation temperature is 952 ° C. It is determined that the longer the breakdown time is, the higher the reliability is (i.e., the closer to the right of the plot).

【0031】また、超短時間高温アニールはシリコン表
面にダメージを与えることはないというメリットもあ
る。長時間高温アニールを行うと、シリコン基板中の不
純物のプロファイルが変化したり、シリコン表面のラフ
ネスが増加したりする悪影響があるが、本発明に用いて
いる1〜数秒の超短時間処理ではそのような悪影響が発
生することを抑制できる。
Another advantage is that ultra-short time high temperature annealing does not damage the silicon surface. When the high-temperature annealing is performed for a long time, the profile of the impurities in the silicon substrate changes, or the roughness of the silicon surface is increased. However, in the ultra-short processing of 1 to several seconds used in the present invention, the The occurrence of such adverse effects can be suppressed.

【0032】なお、上記構成部材の数、位置、形状等は
上記実施の形態に限定されず、本発明を実施する上で好
適な数、位置、形状等にすることができる。また、各図
において、同一構成要素には同一符号を付している。
The number, position, shape, and the like of the above-mentioned constituent members are not limited to those in the above-described embodiment, but may be any number, position, shape, and the like suitable for carrying out the present invention. In each drawing, the same components are denoted by the same reference numerals.

【0033】[0033]

【発明の効果】本発明は、膜厚約1.5nm以下の酸化
膜、窒化酸化膜、窒化膜を制御良く成膜できる。従来で
は1.2nm以下の酸化膜形成がほとんど不可能であっ
たが、本発明により十分な制御性を有したまま0.8〜
1.0nm厚の酸化膜形成が可能である。窒化酸化膜、
窒化膜においてはさらに薄い(酸化膜の膜厚に換算した
場合にはそれぞれおおよそ0.6〜1.0nm、0.3
〜0.8nm)絶縁膜の成膜が可能になる。
According to the present invention, an oxide film, a nitrided oxide film and a nitride film having a thickness of about 1.5 nm or less can be formed with good control. Conventionally, it has been almost impossible to form an oxide film having a thickness of 1.2 nm or less.
An oxide film having a thickness of 1.0 nm can be formed. Oxide nitride film,
In the case of a nitride film, it is even thinner (approximately 0.6 to 1.0 nm or 0.3
(〜0.8 nm) An insulating film can be formed.

【0034】換言すれば、成長速度が遅くなる効果を利
用して、酸化などの熱処理をさらに高温で行うことがで
き、高信頼性を有した薄膜形成が可能になる。
In other words, heat treatment such as oxidation can be performed at a higher temperature by utilizing the effect of reducing the growth rate, and a highly reliable thin film can be formed.

【0035】また、酸化、窒化酸化、窒化のどのプロセ
スにおいても、高温で成膜する方が緻密な膜が形成さ
れ、電気的な信頼性も向上する。
Further, in any of the oxidation, nitridation and oxidation processes, a film formed at a high temperature forms a denser film and improves electrical reliability.

【0036】また、超短時間高温アニールはシリコン表
面にダメージを与えることはないというメリットもあ
る。長時間高温アニールを行うと、シリコン基板中の不
純物のプロファイルが変化したり、シリコン表面のラフ
ネスが増加したりする悪影響があるが、本発明に用いて
いる1〜数秒の超短時間処理ではそのような悪影響が発
生することを抑制できる。
Another advantage is that ultra-short time high temperature annealing does not damage the silicon surface. When the high-temperature annealing is performed for a long time, the profile of the impurities in the silicon substrate changes, or the roughness of the silicon surface is increased. However, in the ultra-short processing of 1 to several seconds used in the present invention, the The occurrence of such adverse effects can be suppressed.

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

【図1】本発明のゲート膜形成方法の第1実施形態を説
明するための急速熱処理の温度プロファイルである。
FIG. 1 is a temperature profile of a rapid heat treatment for explaining a first embodiment of a gate film forming method of the present invention.

【図2】そのアニールの有無による構造の違いを説明す
るシリコン基板の断面構造概略図であって、同図(a)
は、窒素をシリコン基板中に導入しただけの場合のシリ
コン基板の断面構造概略図であり、同図(b)は、窒素
をシリコン基板中に導入した後に熱処理を行った場合の
シリコン基板の断面構造概略図である。
FIG. 2 is a schematic sectional view of a silicon substrate for explaining a difference in structure depending on the presence or absence of annealing, and FIG.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a silicon substrate when nitrogen is only introduced into the silicon substrate, and FIG. 2B is a cross-sectional view of the silicon substrate when heat treatment is performed after nitrogen is introduced into the silicon substrate. It is a structure schematic diagram.

【図3】超短時間アニールの有無による酸化速度への影
響を調べた結果であり、酸化速度を示すグラフである。
FIG. 3 is a graph showing the results of examining the effect of the presence or absence of ultra-short time annealing on the oxidation rate, and showing the oxidation rate.

【図4】窒化酸化膜の成膜速度を調べた結果を示すグラ
フである。
FIG. 4 is a graph showing a result of examining a film forming speed of a nitrided oxide film.

【図5】同図(a)は、超短時間高温アニールを行うプ
ロセスの温度プロファイルであり、同図(b)は、別の
装置などで酸化、窒化酸化あるいは窒化プロセスを行う
ときの温度プロファイルである。
FIG. 5A is a temperature profile of a process for performing ultra-short high-temperature annealing, and FIG. 5B is a temperature profile for performing an oxidation, nitridation, or nitridation process using another apparatus. It is.

【図6】窒素注入の有無による酸化速度への影響を調べ
た結果であり、酸化速度を示すグラフである。
FIG. 6 is a graph showing the results of examining the effect of the presence or absence of nitrogen injection on the oxidation rate, and showing the oxidation rate.

【図7】一定の電気的ストレス(−5V)を印加して酸
化膜が破壊するまでの時間について調べたTDDB特性
図である。
FIG. 7 is a TDDB characteristic diagram obtained by examining a time required until an oxide film is broken by applying a constant electric stress (−5 V).

【図8】従来技術のゲート膜形成方法において、基板に
窒素を注入した時としない時での酸化速度の差を調べた
グラフである。
FIG. 8 is a graph showing a difference in oxidation rate between when nitrogen is injected into a substrate and when nitrogen is not injected into a substrate in a conventional gate film forming method.

【図9】従来技術のゲート膜形成方法における急速熱処
理炉による酸化処理のシーケンスを示している。
FIG. 9 shows a sequence of an oxidation treatment by a rapid heat treatment furnace in a conventional gate film forming method.

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 窒素を含有するゲート酸化膜を形成する
ゲート膜形成方法であって、 シリコン基板に窒素元素を含むイオンを注入し、その後
前記シリコン基板上に非常に薄い熱酸化膜を形成するた
めに急速熱処理工程を実行する際、 前記イオン注入されたシリコン基板を不活性ガス雰囲気
中でおおよそ1乃至数秒間高温アニールして、前記注入
イオンされた窒素元素を活性化し、前記シリコン基板内
のシリコン元素と当該窒素原子間の結合を生成し、前記
シリコン基板の再結晶化を行う高温アニール処理工程
と、 酸化性雰囲気内で所定の短時間だけ熱処理を実行して所
望の絶縁膜を形成する酸化処理工程とを有することを特
徴とするゲート膜形成方法。
1. A method for forming a gate oxide film containing nitrogen, comprising implanting ions containing a nitrogen element into a silicon substrate, and thereafter forming a very thin thermal oxide film on the silicon substrate. In order to perform a rapid heat treatment process, the ion-implanted silicon substrate is annealed at a high temperature for about 1 to several seconds in an inert gas atmosphere to activate the implanted ionized nitrogen element, A high-temperature annealing step of generating a bond between the silicon element and the nitrogen atom to recrystallize the silicon substrate; and performing a heat treatment for a predetermined short time in an oxidizing atmosphere to form a desired insulating film. A method for forming a gate film, comprising: an oxidation treatment step.
【請求項2】 窒素を含有するゲート窒化酸化膜を形成
するゲート膜形成方法であって、 シリコン基板に窒素元素を含むイオンを注入し、その後
前記シリコン基板上に非常に薄い窒化酸化膜を形成する
ために急速熱処理工程を実行する際、 前記イオン注入されたシリコン基板を不活性ガス雰囲気
中でおおよそ1乃至数秒間高温アニールして、前記注入
イオンされた窒素元素を活性化し、前記シリコン基板内
のシリコン元素と当該窒素原子間の結合を生成し、前記
シリコン基板の再結晶化を行う高温アニール処理工程
と、 窒化酸化性雰囲気内で所定の短時間だけ熱処理を実行し
て所望の絶縁膜を形成する酸化処理工程とを有すること
を特徴とするゲート膜形成方法。
2. A method for forming a gate nitrided oxide film containing nitrogen, comprising implanting ions containing a nitrogen element into a silicon substrate, and thereafter forming a very thin nitrided oxide film on the silicon substrate. When performing a rapid heat treatment step for annealing, the ion-implanted silicon substrate is annealed at a high temperature for about 1 to several seconds in an inert gas atmosphere to activate the implanted ionized nitrogen element, A high-temperature annealing step of generating a bond between the silicon element and the nitrogen atom to recrystallize the silicon substrate, and performing a heat treatment for a predetermined short time in a nitridizing and oxidizing atmosphere to form a desired insulating film. Forming an oxidation treatment step.
【請求項3】 窒素を含有するゲート窒化膜を形成する
ゲート膜形成方法であって、 シリコン基板に窒素元素を含むイオンを注入し、その後
前記シリコン基板上に非常に薄い窒化膜を形成するため
に急速熱処理工程を実行する際、 前記イオン注入されたシリコン基板を不活性ガス雰囲気
中でおおよそ1乃至数秒間高温アニールして、前記注入
イオンされた窒素元素を活性化し、前記シリコン基板内
のシリコン元素と当該窒素原子間の結合を生成し、前記
シリコン基板の再結晶化を行う高温アニール処理工程
と、 窒化性雰囲気内で所定の短時間だけ熱処理を実行して所
定膜厚の絶縁膜を形成する酸化処理工程とを有すること
を特徴とするゲート膜形成方法。
3. A method for forming a gate nitride film containing nitrogen, the method comprising: implanting ions containing a nitrogen element into a silicon substrate; and thereafter forming a very thin nitride film on the silicon substrate. When performing the rapid thermal processing step, the ion-implanted silicon substrate is annealed at a high temperature for about 1 to several seconds in an inert gas atmosphere to activate the implanted ionized nitrogen element, A high-temperature annealing process for generating a bond between the element and the nitrogen atom to recrystallize the silicon substrate; and performing a heat treatment for a predetermined short time in a nitriding atmosphere to form an insulating film having a predetermined thickness. A method of forming a gate film, comprising:
【請求項4】 前記酸化処理工程の直前に前記高温アニ
ール処理工程を連続的に実行することを特徴とする請求
項1乃至3のいずれか一項に記載のゲート膜形成方法。
4. The gate film forming method according to claim 1, wherein the high-temperature annealing process is continuously performed immediately before the oxidation process.
【請求項5】 前記高温アニール処理工程は、前記イオ
ン注入されたシリコン基板を不活性ガス雰囲気中でおお
よそ1000℃をおおよそ1乃至数秒間高温アニールし
て、前記注入イオンされた窒素元素を活性化し、前記シ
リコン基板内のシリコン元素と当該窒素原子間の結合を
生成し、前記シリコン基板の再結晶化を行う工程を含む
ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載
のゲート膜形成方法。
5. The high-temperature annealing step includes annealing the ion-implanted silicon substrate at a temperature of about 1000 ° C. for about 1 to several seconds in an inert gas atmosphere to activate the implanted ionized nitrogen element. 5. The gate according to claim 1, further comprising: generating a bond between a silicon element in the silicon substrate and the nitrogen atom to recrystallize the silicon substrate. 6. Film formation method.
【請求項6】 前記酸化処理工程において形成される前
記絶縁膜の所定膜厚は、サブナノメートル乃至数ナノメ
ートルであることを特徴とする請求項5に記載のゲート
膜形成方法。
6. The method according to claim 5, wherein the predetermined thickness of the insulating film formed in the oxidizing process is from sub-nanometer to several nanometers.
【請求項7】 シリコン基板に窒素元素を含むイオンを
注入し、その後前記シリコン基板上に非常に薄い熱酸化
膜を形成するために急速熱処理工程によって作成された
窒素を含有する所定膜厚のゲート酸化膜を有する半導体
装置であって、 前記シリコン基板表面は結晶性を示すシリコン元素間結
合を有し、 前記シリコン基板に窒素元素を含むイオンを注入し、そ
の後前記シリコン基板上に形成された所定膜厚のゲート
酸化膜は、前記注入された窒素元素がシリコン元素と結
合したシリコン元素−窒素元素間結合を有することを特
徴とする半導体装置。
7. A gate of a predetermined thickness containing nitrogen, which is formed by implanting ions containing a nitrogen element into a silicon substrate and then forming a very thin thermal oxide film on the silicon substrate by a rapid heat treatment process. A semiconductor device having an oxide film, wherein the surface of the silicon substrate has a bond between silicon elements exhibiting crystallinity, ions containing a nitrogen element are implanted into the silicon substrate, and then a predetermined number of ions are formed on the silicon substrate. A semiconductor device, wherein the gate oxide film having a thickness has a silicon element-nitrogen element bond in which the implanted nitrogen element is combined with a silicon element.
【請求項8】 前記ゲート酸化膜の所定膜厚は、サブナ
ノメートル乃至数ナノメートルであることを特徴とする
請求項7に記載の半導体装置。
8. The semiconductor device according to claim 7, wherein the predetermined thickness of the gate oxide film is from sub-nanometer to several nanometers.
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1271635A1 (en) * 2001-05-03 2003-01-02 Infineon Technologies AG Process of thermal oxidation of an implanted semiconductor substrate
JP2003068669A (en) * 2001-08-27 2003-03-07 Denso Corp Method and device for heat treatment to semiconductor wafer
JP2005317978A (en) * 2004-04-28 2005-11-10 Internatl Business Mach Corp <Ibm> FinFET semiconductor structure and manufacturing method thereof
WO2007132913A1 (en) * 2006-05-17 2007-11-22 Tokyo Electron Limited Method of measuring nitrogen content, method of forming silicon oxynitride film and process for producing semiconductor device
CN112447517A (en) * 2019-08-30 2021-03-05 株洲中车时代半导体有限公司 Grid electrode annealing and side wall forming method

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1271635A1 (en) * 2001-05-03 2003-01-02 Infineon Technologies AG Process of thermal oxidation of an implanted semiconductor substrate
JP2003068669A (en) * 2001-08-27 2003-03-07 Denso Corp Method and device for heat treatment to semiconductor wafer
JP2005317978A (en) * 2004-04-28 2005-11-10 Internatl Business Mach Corp <Ibm> FinFET semiconductor structure and manufacturing method thereof
WO2007132913A1 (en) * 2006-05-17 2007-11-22 Tokyo Electron Limited Method of measuring nitrogen content, method of forming silicon oxynitride film and process for producing semiconductor device
JP2007311474A (en) * 2006-05-17 2007-11-29 Tokyo Electron Ltd Method for measuring nitrogen concentration, method for forming silicon oxynitride film, and method for manufacturing semiconductor device
KR101032518B1 (en) 2006-05-17 2011-05-04 도쿄엘렉트론가부시키가이샤 Method for measuring nitrogen concentration, method for forming silicon oxynitride film, and method for manufacturing semiconductor device
CN112447517A (en) * 2019-08-30 2021-03-05 株洲中车时代半导体有限公司 Grid electrode annealing and side wall forming method

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