JPH0955380A - Method for manufacturing MOS semiconductor device - Google Patents

Method for manufacturing MOS semiconductor device

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JPH0955380A
JPH0955380A JP22727895A JP22727895A JPH0955380A JP H0955380 A JPH0955380 A JP H0955380A JP 22727895 A JP22727895 A JP 22727895A JP 22727895 A JP22727895 A JP 22727895A JP H0955380 A JPH0955380 A JP H0955380A
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JP
Japan
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oxide film
silicon substrate
silicon
ion
film
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Application number
JP22727895A
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Japanese (ja)
Inventor
Takeshi Hino
威 日野
Hiroshi Miura
博 三浦
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Ricoh Co Ltd
Original Assignee
Ricoh Co Ltd
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Publication date
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Publication of JPH0955380A publication Critical patent/JPH0955380A/en
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 異種原子をシリコン基板の表面に浅く導入し
て高品質な極薄酸化膜を形成する。 【解決手段】 シリコン基板401を酸化して熱酸化膜
402を約350Åの厚さに形成した後、SiFイオン
403を熱酸化膜402を通して注入エネルギー20K
eV、ドーズ量1×1015/cm2で注入する。これに
より熱酸化膜402の下にフッ素原子を含んだアモルフ
ァス層404が形成される。緩衝フッ酸溶液に浸漬して
熱酸化膜402を除去した後、シリコン基板401を酸
素中で熱酸化することにより、シリコン基板401の表
面に膜厚約70Åの酸化膜405を形成した。
(57) Abstract: Heterogeneous atoms are shallowly introduced into the surface of a silicon substrate to form a high quality ultrathin oxide film. SOLUTION: A silicon substrate 401 is oxidized to form a thermal oxide film 402 with a thickness of about 350 Å, and SiF ions 403 are injected through the thermal oxide film 402 with an implantation energy of 20K.
Implantation is performed at eV and a dose amount of 1 × 10 15 / cm 2 . As a result, an amorphous layer 404 containing fluorine atoms is formed under the thermal oxide film 402. After removing the thermal oxide film 402 by immersing it in a buffered hydrofluoric acid solution, the silicon substrate 401 was thermally oxidized in oxygen to form an oxide film 405 with a film thickness of about 70Å on the surface of the silicon substrate 401.

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MOS型半導体装置
の製造方法に関し、特に、そのゲート酸化膜を形成する
工程に特徴をもつ製造方法に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for manufacturing a MOS type semiconductor device, and more particularly to a manufacturing method characterized by the step of forming a gate oxide film thereof.

【0002】[0002]

【従来の技術】MOS型半導体装置を構成するゲート酸
化膜として、シリコン基板を熱酸化することによって形
成したシリコン酸化膜(SiO2;以下単に酸化膜とい
う)が通常使用されている。MOS型素子の微細化と高
集積化にともなって、ゲート酸化膜の薄膜化が進行して
いる。ゲート酸化膜の膜厚は、例えば0.35μmプロ
セス技術の64MDRAMでは100Å、0.25μm
プロセス技術の256MDRAMでは80Åのものが使
用されている。また、高性能化をめざすCMOSロジッ
ク半導体装置では、DRAMよりも1世代早い薄膜化が
要求され、0.25μmプロセス技術のCMOSでは6
0Åの厚さのゲート酸化膜が使用されている。このよう
な極薄酸化膜では、膜中に存在するある種の欠陥(構造
欠陥)の影響が無視できなくなる。このために、従来の
厚いゲート酸化膜ではみられなかった問題が発生し、素
子の信頼性を確保することが困難になってきている。
2. Description of the Related Art A silicon oxide film (SiO 2 ; hereinafter simply referred to as an oxide film) formed by thermally oxidizing a silicon substrate is usually used as a gate oxide film forming a MOS semiconductor device. With the miniaturization and high integration of MOS devices, the gate oxide film is becoming thinner. The film thickness of the gate oxide film is, for example, 100Å, 0.25 μm in 64M DRAM of 0.35 μm process technology.
In the process technology 256M DRAM, the one of 80Å is used. In addition, CMOS logic semiconductor devices aiming at higher performance are required to be thinned one generation earlier than DRAMs, and CMOS of 0.25 μm process technology requires 6 layers.
A 0Å thick gate oxide film is used. In such an ultra-thin oxide film, the influence of certain defects (structural defects) existing in the film cannot be ignored. For this reason, a problem that has not been observed in the conventional thick gate oxide film occurs, and it becomes difficult to secure the reliability of the device.

【0003】酸化膜中の構造欠陥について説明すると、
酸化膜はSi−O4正四面体構造(テトラヘドラ)の短
距離秩序をもつアモルファス構造であるが、構造欠陥は
この短距離秩序が破壊されて四面体構造からずれた部分
を指している。その構造欠陥部分ではシリコン原子の間
を架橋する酸素原子の化学結合が切断されたシリコンダ
ングリングボンドや、Si−Si、Si−OH結合など
の不完全な結合が存在する。このような構造欠陥の生成
原因は明らかではないが、酸化前のシリコン基板の表面
状態が影響していると指摘されている。バルクシリコン
は非常に高品質な単結晶であるが、その表面には多くの
制御できない要因(表面欠陥)が存在している。例え
ば、ごく微小な凹凸、自然酸化膜、表面に吸着した不純
物(水分、重金属、炭化物、パーティクル、薬品残渣、
可動イオンなど)が挙げられる。基板表面の状態を完璧
に仕上げることは不可能であり、各種化学薬品による前
処理後にも表面欠陥は残留する。酸化によりこのような
表面欠陥が膜中に取り込まれ構造欠陥が形成されると考
えられる。この種の不安定な結合は高電界ストレス印加
により分断される。その結果、生成されたダングリング
ボンドは電子のトラップサイトとなり、特性の経時変化
を引き起こし信頼性を低下させる。
Explaining structural defects in the oxide film,
Although oxide film is an amorphous structure having a short range order of Si-O 4 tetrahedral structure (tetrahedra), structural defects points to the portion where the short-range order is shifted from the tetrahedral structure is destroyed. In the structural defect portion, there exist silicon dangling bonds in which the chemical bonds of oxygen atoms bridging between silicon atoms are broken, and incomplete bonds such as Si—Si and Si—OH bonds. Although the cause of generation of such structural defects is not clear, it has been pointed out that the surface state of the silicon substrate before oxidation has an influence. Bulk silicon is a very high quality single crystal, but there are many uncontrollable factors (surface defects) on its surface. For example, very small irregularities, natural oxide film, impurities adsorbed on the surface (water, heavy metals, carbides, particles, chemical residues,
Mobile ions). It is impossible to perfect the surface condition of the substrate, and surface defects remain even after pretreatment with various chemicals. It is considered that such surface defects are incorporated into the film by oxidation to form structural defects. This type of unstable bond is broken by the application of high electric field stress. As a result, the generated dangling bonds serve as electron trap sites, causing a change in characteristics over time and reducing reliability.

【0004】以上のように、酸化膜の薄膜化にともなっ
て、シリコン基板と酸化膜界面の構造が酸化膜の特性に
大きな影響を与えるようになり、界面構造が酸化膜の特
性を支配する。したがって、信頼性に優れた極薄酸化膜
を得るには、界面の構造を原子レベルで制御する必要が
ある。このような目的を達成するために幾つかの方法が
提案されている。
As described above, as the thickness of the oxide film is reduced, the structure of the interface between the silicon substrate and the oxide film has a great influence on the characteristics of the oxide film, and the interface structure controls the characteristics of the oxide film. Therefore, in order to obtain a highly reliable ultrathin oxide film, it is necessary to control the interface structure at the atomic level. Several methods have been proposed to achieve such an objective.

【0005】例えば、特開平6−45320号公報、特
開平5−315318号公報及び特開平3−25782
8号公報には、酸化膜とシリコン界面に窒素原子を導入
する方法が開示されている。特開平6−45320号公
報には励起状態の窒素を酸化雰囲気中に添加して酸化膜
中に導入する方法が開示されている。特開平6−315
318号公報には酸化前のシリコン基板表面にイオン注
入法により窒素原子を注入し、その表面を酸化して酸化
膜中に窒素原子を導入する方法が開示されている。特開
平6−257828号公報にはシリコン基板の熱酸化後
に窒素雰囲気中で熱処理し、酸化膜中に窒素原子を導入
する方法が開示されている。特開平6−85278号公
報、特開平6−13372号公報及び特開平5−747
62号公報には、酸化膜中にシリコンと結合力の強いフ
ッ素原子又は塩素原子を気相から導入する方法が開示さ
れている。
For example, JP-A-6-45320, JP-A-5-315318 and JP-A-3-25782.
Japanese Patent Publication No. 8 discloses a method of introducing nitrogen atoms into the interface between an oxide film and silicon. Japanese Unexamined Patent Publication No. 6-45320 discloses a method in which excited nitrogen is added to an oxidizing atmosphere and introduced into an oxide film. JP-A-6-315
Japanese Patent No. 318 discloses a method of implanting nitrogen atoms into the surface of a silicon substrate before oxidation by an ion implantation method and oxidizing the surface to introduce nitrogen atoms into an oxide film. Japanese Unexamined Patent Publication No. 6-257828 discloses a method in which a silicon substrate is thermally oxidized and then heat-treated in a nitrogen atmosphere to introduce nitrogen atoms into an oxide film. JP-A-6-85278, JP-A-6-13372, and JP-A-5-747.
Japanese Patent Laid-Open No. 62-62 discloses a method of introducing a fluorine atom or a chlorine atom, which has a strong bonding force to silicon, into an oxide film from a vapor phase.

【0006】以上の方法は、シリコン及び酸素以外の原
子(以下、異種原子という)を酸化膜中に導入し、ダン
グリングボンドの終端又はより安定な結合状態を形成す
ることにより、界面の構造欠陥を改質し、信頼性に優れ
た酸化膜を得ようとするものである。これらの方法にお
いて、異種原子は酸化後の熱処理やイオン注入などの方
法により酸化膜中に導入されている。
The above method introduces atoms other than silicon and oxygen (hereinafter referred to as "heteroatoms") into the oxide film to form terminal ends of dangling bonds or a more stable bond state, whereby structural defects at the interface are formed. Is intended to obtain a highly reliable oxide film. In these methods, the heteroatoms are introduced into the oxide film by a method such as heat treatment after oxidation or ion implantation.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】酸化後の熱処理により
異種原子を気相から酸化膜表面を通して酸化膜中に導入
する方法では、結合手の終端化が最も必要なSi/Si
2界面付近までは熱拡散に頼ることになる。これは、
Si/SiO2界面付近に異種原子を効率的に供給でき
る方法とはいえない。また酸化膜の厚さなどにより熱処
理条件が変わる可能性もある。さらに、今後、デバイス
の微細化及びプロセスの低温化が進んでいく上で、熱処
理工程が増えるのは好ましくない。
In the method of introducing a heteroatom from the gas phase into the oxide film through the surface of the oxide film by the heat treatment after oxidation, Si / Si, which requires the termination of the bond, is most necessary.
Up to near the O 2 interface, it depends on thermal diffusion. this is,
It cannot be said that it is a method of efficiently supplying different kinds of atoms near the Si / SiO 2 interface. Further, the heat treatment conditions may change depending on the thickness of the oxide film. Furthermore, it is not preferable to increase the number of heat treatment steps in the future because device miniaturization and process temperature reduction will progress.

【0008】イオン注入により異種原子をシリコン基板
に導入した後に酸化を行なう方法では、異種原子をほぼ
希望する深さで希望する量を導入できるという点で優れ
ているといえる。極薄酸化膜形成への利用を考えた場
合、異種原子はシリコン基板の表面に浅く導入されるこ
とが望ましく、しかも酸化膜を形成した際にSi/Si
2界面となる付近に集中していることが望ましい。し
かし、イオン注入法ではイオン注入の際のシリコン基板
中における注入イオンの飛程とその広がりは、注入エネ
ルギーが決まればイオン種の質量によりほぼ決まってし
まう。イオン注入機によるイオンエネルギーが通常20
〜200KeVであることから、窒素、塩素又はフッ素
といった異種原子をイオン注入すると、深く注入されて
しまい、上記の状態を形成することは難しい。シリコン
基板中に深く導入されてしまった異種原子は、注入され
る際に結晶中に欠陥を発生し、また酸化膜の改質にも寄
与しない。
It can be said that the method in which the heteroatoms are introduced into the silicon substrate by ion implantation and then oxidized is excellent in that the desired amount of the heteroatoms can be introduced at a substantially desired depth. Considering the use for forming an ultra-thin oxide film, it is desirable that foreign atoms are introduced shallowly into the surface of the silicon substrate, and Si / Si is formed when the oxide film is formed.
It is desirable to concentrate in the vicinity of the O 2 interface. However, in the ion implantation method, the range and the spread of the implanted ions in the silicon substrate during the ion implantation are almost determined by the mass of the ion species when the implantation energy is determined. Ion energy by ion implanter is usually 20
Since it is up to 200 KeV, when a heteroatom such as nitrogen, chlorine or fluorine is ion-implanted, it is deeply implanted, and it is difficult to form the above state. The heteroatoms that have been deeply introduced into the silicon substrate generate defects in the crystal when they are injected, and do not contribute to modification of the oxide film.

【0009】このように、従来から酸化膜を改質するた
めに異種原子を導入する方法による提案がなされている
が、導入する異種原子の量とその導入位置は制御性の高
いものでなければならない。この点で従来の方法は不十
分なものであるといえる。本発明は酸化膜を改質するた
めに異種原子を導入する方法ではあるが、異種原子をシ
リコン基板の表面に浅く導入し、しかも酸化膜を形成し
た際にSi/SiO2界面付近となるように集中させる
ことにより、高品質な極薄酸化膜を形成する方法を提供
するものである。
As described above, conventionally, a method of introducing a heteroatom to modify an oxide film has been proposed, but the amount of the heteroatom to be introduced and its introduction position must be highly controllable. I won't. In this respect, it can be said that the conventional method is insufficient. Although the present invention is a method of introducing a heteroatom to modify an oxide film, the heteroatom is introduced shallowly on the surface of a silicon substrate, and when the oxide film is formed, it is near the Si / SiO 2 interface. The present invention provides a method for forming a high quality ultrathin oxide film by concentrating on

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】本発明は、ゲート酸化膜
を形成するために、シリコン基板表面にハロゲン化シリ
コンをイオン注入する工程と、そのイオン注入後のシリ
コン基板を酸化性ガス雰囲気中で加熱処理してシリコン
基板表面を酸化する工程とを備えている。ハロゲン化シ
リコンの例はSiFとSiClの一方又は両方である。
従来の提案された方法においても窒素、塩素、フッ素原
子などを酸化前のシリコン基板表面にイオン注入してい
るが、本発明では異種原子をシリコン基板に導入する際
に異種原子単独ではなくハロゲン化シリコンイオンとし
てイオン注入している点で異なる。
According to the present invention, in order to form a gate oxide film, a step of ion-implanting a silicon halide on the surface of a silicon substrate, and the silicon substrate after the ion implantation in an oxidizing gas atmosphere. And a step of oxidizing the surface of the silicon substrate by heat treatment. An example of a silicon halide is one or both of SiF and SiCl.
In the conventionally proposed method, nitrogen, chlorine, fluorine atoms, etc. are ion-implanted into the surface of the silicon substrate before oxidation.However, in the present invention, when the heteroatom is introduced into the silicon substrate, it is halogenated instead of the heteroatom alone. The difference is that ion implantation is performed as silicon ions.

【0011】図1に、シリコン基板にSiFイオンを注
入エネルギー20KeV、ドーズ量1×1015/cm2
で注入した場合(実線)と、フッ素イオンを同じ条件で
注入した場合(破線)とについて、深さ方向での濃度分
布を比較した結果を示す。Fイオンに比べてSiFイオ
ンの方が表面から浅い領域に高濃度に分布していること
が分かる。これは、注入イオンの飛程は注入イオンの質
量数により決まるからである。したがって、高品質な極
薄酸化膜を形成するためには、単一のハロゲンイオンよ
りも質量数の大きいハロゲン化シリコンイオンの方が適
しているといえる。また、注入したハロゲン化シリコン
が熱酸化膜中に酸化膜内の未結合手を終端する効果を有
するには、シリコン中でのシリコン化ハロゲンの不純物
濃度が1019〜1020/cm3であることが好ましい。
In FIG. 1, SiF ions are implanted into a silicon substrate at an implantation energy of 20 KeV and a dose of 1 × 10 15 / cm 2.
The results of comparing the concentration distributions in the depth direction are shown for the case of implanting in (2) (solid line) and the case of implanting fluorine ions under the same conditions (broken line). It can be seen that SiF ions are distributed at a higher concentration in a shallower region from the surface than F ions. This is because the range of implanted ions is determined by the mass number of implanted ions. Therefore, it can be said that the silicon halide ion having a large mass number is more suitable than the single halogen ion in order to form a high quality ultrathin oxide film. In order for the implanted silicon halide to have the effect of terminating dangling bonds in the oxide film in the thermal oxide film, the impurity concentration of halogenated silicon in the silicon is 10 19 to 10 20 / cm 3 . It is preferable.

【0012】注入工程後の酸化性ガス雰囲気中での加熱
処理には通常の電気炉を用いるドライ酸化法やウエット
酸化法などの手法を用いることができる。本発明の好ま
しい態様では、ハロゲン化シリコンをイオン注入する前
に、シリコン基板表面に酸化膜を形成しておき、その酸
化膜を通してシリコン基板にハロゲン化シリコンをイオ
ン注入する。これにより、その酸化膜により注入イオン
の注入深さを調整することができ、より薄い酸化膜の形
成に対応することができる。イオン注入の注入深さを調
整するためのその酸化膜は、シリコン基板を酸化して形
成してもよく、CVD法により堆積してもよい。
For the heat treatment in the oxidizing gas atmosphere after the injection step, a method such as a dry oxidation method using an ordinary electric furnace or a wet oxidation method can be used. In a preferred aspect of the present invention, an oxide film is formed on the surface of the silicon substrate before the silicon halide is ion-implanted, and the silicon halide is ion-implanted into the silicon substrate through the oxide film. As a result, the implantation depth of the implanted ions can be adjusted by the oxide film, and a thinner oxide film can be formed. The oxide film for adjusting the implantation depth of the ion implantation may be formed by oxidizing the silicon substrate or may be deposited by the CVD method.

【0013】さらに好ましい態様では、イオン注入の注
入深さを調整するための酸化膜が窒素原子を含んでい
る。これにより、ハロゲン化シリコンイオンの注入の際
に、ハロゲン化シリコンイオンが酸化膜中の窒素原子を
シリコン基板の側にはじき出す、いわゆるノックアウト
現象により、酸化膜中の未結合手を終端する効果のある
窒素原子をシリコン表面から供給することができる。こ
の方法もより薄い酸化膜の形成に対応した方法である。
窒素原子を含んだ酸化膜としては、CVD法により形成
したSiON膜を用いてもよく、熱酸化法により形成し
た熱酸化膜をNH3あるいはN2O雰囲気中において熱ア
ニール若しくはプラズマ処理したものを用いてもよい。
In a further preferred aspect, the oxide film for adjusting the implantation depth of the ion implantation contains nitrogen atoms. This has the effect of terminating dangling bonds in the oxide film by a so-called knockout phenomenon, in which the silicon halide ions repel nitrogen atoms in the oxide film toward the silicon substrate side during implantation of the silicon halide ion. Nitrogen atoms can be supplied from the silicon surface. This method is also a method corresponding to the formation of a thinner oxide film.
As the oxide film containing nitrogen atoms, a SiON film formed by a CVD method may be used, and a thermal oxide film formed by a thermal oxidation method may be subjected to thermal annealing or plasma treatment in an NH 3 or N 2 O atmosphere. You may use.

【0014】[0014]

【実施例】【Example】

(実施例1)請求項1及び請求項2の方法に基づく実施
例を図2に示す。 (a)シリコン基板201を表わしている。 (b)シリコン基板201にSiFイオン202を注入
エネルギー20KeV、ドーズ量1×1015/cm2
注入する。SiFイオンはイオン注入のソースガスとし
てSiF4を用いることにより得ることができる。この
注入により、シリコン基板201の表面にフッ素原子F
を含んだアモルファス層203が形成される。 (c)その後、シリコン基板201を酸素中で熱酸化す
ることによりシリコン基板201の表面に酸化膜204
を形成する。このときの酸化膜204の膜厚は約300
Åであった。シリコン基板201にSiFイオンをイオ
ン注入するソースガスとしてSiF4を用いた場合に取
り出すことのできるイオンの質量分析結果を図3に示
す。図3の結果から、SiFイオンを十分な強度で取り
出すことのできることが分かる。
(Embodiment 1) An embodiment based on the methods of claims 1 and 2 is shown in FIG. (A) shows a silicon substrate 201. (B) SiF ions 202 are implanted into a silicon substrate 201 with an implantation energy of 20 KeV and a dose of 1 × 10 15 / cm 2 . SiF ions can be obtained by using SiF 4 as a source gas for ion implantation. By this implantation, fluorine atoms F are formed on the surface of the silicon substrate 201.
Amorphous layer 203 containing is formed. (C) Thereafter, the oxide film 204 is formed on the surface of the silicon substrate 201 by thermally oxidizing the silicon substrate 201 in oxygen.
To form At this time, the thickness of the oxide film 204 is about 300.
Was Å. FIG. 3 shows the results of mass spectrometric analysis of ions that can be extracted when SiF 4 is used as a source gas for implanting SiF ions into the silicon substrate 201. From the results of FIG. 3, it can be seen that SiF ions can be extracted with sufficient strength.

【0015】(実施例2)請求項3の本発明に基づく実
施例を図4に示す。 (a)シリコン基板401を表わしている。 (b)シリコン基板401を酸素と水素の混合ガス雰囲
気中で酸化し、シリコン基板401の表面に熱酸化膜4
02を約350Åの厚さに形成する。 (c)次に、SiFイオン403を熱酸化膜402を通
して注入エネルギー20KeV、ドーズ量1×1015
cm2で注入する。これにより熱酸化膜402の下にフ
ッ素原子を含んだアモルファス層404が形成される。 (d)次に、シリコン基板401を緩衝フッ酸溶液に浸
漬し、熱酸化膜402を除去する。 (e)その後、シリコン基板401を酸素中で熱酸化す
ることにより、シリコン基板401の表面に酸化膜40
5を形成した。このときの酸化膜405の膜厚は約70
Åであった。
(Embodiment 2) An embodiment based on the present invention of claim 3 is shown in FIG. (A) shows a silicon substrate 401. (B) The silicon substrate 401 is oxidized in a mixed gas atmosphere of oxygen and hydrogen, and the thermal oxide film 4 is formed on the surface of the silicon substrate 401.
02 is formed to a thickness of about 350Å. (C) Next, SiF ions 403 are implanted through the thermal oxide film 402 with an implantation energy of 20 KeV and a dose of 1 × 10 15 /
Inject at cm 2 . As a result, an amorphous layer 404 containing fluorine atoms is formed under the thermal oxide film 402. (D) Next, the silicon substrate 401 is immersed in a buffered hydrofluoric acid solution to remove the thermal oxide film 402. (E) Then, the silicon substrate 401 is thermally oxidized in oxygen to form an oxide film 40 on the surface of the silicon substrate 401.
5 was formed. At this time, the thickness of the oxide film 405 is about 70.
Was Å.

【0016】(実施例3)請求項4に対応する実施例を
図5を用いて説明する。 (a)シリコン基板501を表わしている。 (b)シリコン基板501にプラズマCVD法によりS
iON膜502を約350Åの厚さに形成する。 (c)次に、SiFイオン503をSiON膜502を
通して注入エネルギー20KeV、ドーズ量1×1015
/cm2で注入する。これにより、SiON膜502の
下にFを含んだアモルファス層504が形成される。そ
して、アモルファス層504のSiON膜502側の界
面付近にはSiON膜502からノックアウトされた窒
素原子Nが含まれている。 (d)次に、シリコン基板501を緩衝フッ酸溶液に浸
漬し、SiON膜502を除去する。 (e)次に、シリコン基板501を酸素中で熱酸化する
ことにより、シリコン基板501の表面に酸化膜505
を形成した。このときの酸化膜505の膜厚は約70Å
であった。
(Embodiment 3) An embodiment corresponding to claim 4 will be described with reference to FIG. (A) shows a silicon substrate 501. (B) S is formed on the silicon substrate 501 by the plasma CVD method.
The iON film 502 is formed to a thickness of about 350Å. (C) Next, SiF ions 503 are implanted through the SiON film 502 with an implantation energy of 20 KeV and a dose of 1 × 10 15.
/ Cm 2 injection. As a result, the amorphous layer 504 containing F is formed under the SiON film 502. Then, near the interface of the amorphous layer 504 on the SiON film 502 side, nitrogen atoms N knocked out from the SiON film 502 are included. (D) Next, the silicon substrate 501 is immersed in a buffered hydrofluoric acid solution to remove the SiON film 502. (E) Next, the silicon substrate 501 is thermally oxidized in oxygen to form an oxide film 505 on the surface of the silicon substrate 501.
Was formed. At this time, the thickness of the oxide film 505 is about 70Å
Met.

【0017】[0017]

【発明の効果】本発明では、シリコン基板の表面にハロ
ゲン化シリコンイオンを注入し、その後に熱酸化を行な
うことによって酸化膜を形成する。従来のようにハロゲ
ンイオン単体ではなく、ハロゲン化シリコンイオンを注
入に用いることによって、シリコン基板の表面から浅い
領域に高濃度に注入することが可能になり、従来の方法
よりも薄い膜厚で高品質な酸化膜を形成することが可能
になる。さらに、イオン注入の際に酸化膜を通して基板
に注入を行なうことにより、さらに薄い膜厚で高品質な
酸化膜を形成することが可能となる。その際、酸化膜に
窒素原子を含ませておくことにより、窒素原子がシリコ
ン基板中にノックアウトされ、その後の熱酸化工程にお
いて形成される酸化膜内の未結合手を窒素原子が終端さ
せ、酸化膜の高品質化に効果を発揮する。
According to the present invention, an oxide film is formed by implanting silicon halide ions into the surface of a silicon substrate and then performing thermal oxidation. By using halogenated silicon ions for implantation instead of halogen ions alone as in the conventional method, it is possible to dope at a high concentration into a shallow region from the surface of the silicon substrate, and achieve a higher film thickness and thinner than conventional methods. It becomes possible to form a high quality oxide film. Furthermore, by implanting into the substrate through the oxide film at the time of ion implantation, it becomes possible to form a high-quality oxide film with a thinner film thickness. At that time, if the oxide film contains nitrogen atoms, the nitrogen atoms are knocked out into the silicon substrate, and the dangling bonds in the oxide film formed in the subsequent thermal oxidation step are terminated by the nitrogen atoms, and the oxidation is performed. Effective for improving the quality of the film.

【0018】本発明の酸化膜形成方法が酸化膜の特性に
与える効果について具体的に説明する。図6は酸化膜の
X線光電子分光法(XPS)のSi−2pスペクトルを
表わしたものである。横軸は結合エネルギー、縦軸は光
電子強度を表わし、大きな2つのピークのうちSi+4
酸化膜からのシリコンを表わし、Si0は基板のシリコ
ン担体からの寄与を表わしている。Si0とSi+4の間
の領域の強度はSi+3、Si+2などの寄与であり、これ
は酸化膜中にシリコンの未結合手が存在していることを
表わしている。図6で、2つのピーク間の領域で破線で
示されているのは図2の実施例1による本発明の結果で
あり、実線は同実施例と同じ条件でフッ素イオンを注入
した場合の結果である。その領域の斜線で示された部分
が本発明による効果であり、未結合手が減少しているこ
とを表わしていてる。
The effect of the oxide film forming method of the present invention on the characteristics of the oxide film will be specifically described. FIG. 6 shows the Si-2p spectrum of the oxide film by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The horizontal axis represents the binding energy and the vertical axis represents the photoelectron intensity. Of the two large peaks, Si +4 represents silicon from the oxide film, and Si 0 represents the contribution from the silicon carrier of the substrate. The intensity of the region between Si 0 and Si +4 is a contribution of Si +3 , Si +2, etc., which means that dangling bonds of silicon exist in the oxide film. In FIG. 6, what is indicated by a broken line in the region between the two peaks is the result of the present invention according to Example 1 of FIG. 2, and the solid line is the result when fluorine ions are implanted under the same conditions as in Example 1. Is. The shaded portion of the region is the effect of the present invention, and represents that dangling bonds are reduced.

【0019】こうした酸化膜中のシリコンの未結合手は
酸化膜劣化の原因になっていると考えられる。そこで、
酸化膜中のシリコンの未結合手の量を評価するために、
Si+4ピークの面積積分と、光電子強度の全強度(全面
積積分)からSi0とSi+4の面積積分を引いた残りの
強度(サブオキサイド;Sub)との比Sub/Si+4
の比較を行なった結果を図7に示す。従来例は実施例1
と同じ条件でフッ素イオンをイオン注入したものであ
る。図7の結果から、本発明により酸化膜中のシリコン
の未結合手を減らすことのできることが分かる。図8は
界面準位密度について従来法と本発明方法との比較を行
なったものである。図8の結果から、本発明により界面
準位密度も減少していることが分かる。界面準位密度の
減少は、しきい値のシフトによるデバイス特性の劣化防
止に効果がある。
It is considered that such dangling bonds of silicon in the oxide film cause deterioration of the oxide film. Therefore,
To evaluate the amount of dangling bonds of silicon in the oxide film,
Ratio of the area integral of the Si +4 peak and the remaining intensity (suboxide; Sub) obtained by subtracting the area integral of Si 0 and Si +4 from the total intensity of the photoelectron intensity (total area integral) Sub / Si +4
FIG. 7 shows the result of the comparison of the above. Example 1 is a conventional example
Fluorine ions are ion-implanted under the same conditions as. From the results of FIG. 7, it is understood that the present invention can reduce dangling bonds of silicon in the oxide film. FIG. 8 is a comparison of the interface state density between the conventional method and the method of the present invention. From the results of FIG. 8, it can be seen that the interface state density is also reduced by the present invention. The reduction of the interface state density is effective in preventing the deterioration of device characteristics due to the shift of the threshold value.

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

【図1】シリコン基板に注入エネルギー20KeV、ド
ーズ量1×1015/cm2でイオン注入した場合のSi
FイオンとFイオンの深さ方向への濃度分布を比較する
図である。
FIG. 1 is Si when ion implantation is performed on a silicon substrate with an implantation energy of 20 KeV and a dose amount of 1 × 10 15 / cm 2.
It is a figure which compares the concentration distribution in the depth direction of F ion and F ion.

【図2】第1の実施例を説明する工程断面図である。2A to 2C are process cross-sectional views illustrating a first embodiment.

【図3】SiF4ガスをイオンソースとした場合に取り
出すことのできるイオンビームを示すマススペクトルで
ある。
FIG. 3 is a mass spectrum showing an ion beam that can be taken out when SiF 4 gas is used as an ion source.

【図4】第2の実施例を示す工程断面図である。FIG. 4 is a process cross-sectional view showing a second embodiment.

【図5】第3の実施例を示す工程断面図である。FIG. 5 is a process sectional view showing a third embodiment.

【図6】従来法と本発明方法とにおいて酸化膜のXPS
により得られるSi−2pスペクトルを比較する図であ
る。
FIG. 6 shows the XPS of an oxide film in the conventional method and the method of the present invention.
It is a figure which compares the Si-2p spectrum obtained by.

【図7】XPSのSi−2pスペクトルのサブオキサイ
ド量SubとSi+4量との比Sub/Si+4を本発明方
法と従来法とで比較した図である。
FIG. 7 is a diagram comparing the ratio Sub / Si +4 between the sub oxide amount Sub and the Si +4 amount in the Si-2p spectrum of XPS between the method of the present invention and the conventional method.

【図8】酸化膜の界面準位密度を本発明方法と従来法と
で比較した図である。
FIG. 8 is a diagram comparing the interface state density of an oxide film between the method of the present invention and the conventional method.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

201,401,501 シリコン基板 202,403,503 SiFイオンビーム 203,404,504 イオン注入によりアモルフ
ァス化されたシリコン層 204,405,505 酸化膜 402 イオン注入深さを調整するための酸化膜
201, 401, 501 Silicon substrate 202, 403, 503 SiF ion beam 203, 404, 504 Silicon layer amorphized by ion implantation 204, 405, 505 Oxide film 402 Oxide film for adjusting ion implantation depth

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 シリコン基板表面にゲート酸化膜を形成
し、そのゲート酸化膜を構成要素とするMOS型半導体
装置を製造する方法において、 ゲート酸化膜を形成するために、シリコン基板表面にハ
ロゲン化シリコンをイオン注入する工程と、そのイオン
注入後のシリコン基板を酸化性ガス雰囲気中で加熱処理
してシリコン基板表面を酸化する工程とを備えているこ
とを特徴とするMOS型半導体装置の製造方法。
1. A method of manufacturing a MOS type semiconductor device comprising forming a gate oxide film on a surface of a silicon substrate and using the gate oxide film as a constituent element, wherein a halogenated film is formed on the surface of the silicon substrate to form the gate oxide film. A method of manufacturing a MOS type semiconductor device, comprising: a step of ion-implanting silicon; and a step of oxidizing the surface of the silicon substrate by heat-treating the ion-implanted silicon substrate in an oxidizing gas atmosphere. .
【請求項2】 ハロゲン化シリコンはSiFとSiCl
の一方又は両方である請求項1に記載のMOS型半導体
装置の製造方法。
2. Silicon halides are SiF and SiCl.
2. The method for manufacturing a MOS semiconductor device according to claim 1, wherein one or both of them.
【請求項3】 シリコン基板表面にゲート酸化膜を形成
し、そのゲート酸化膜を構成要素とするMOS型半導体
装置を製造する方法において、 ゲート酸化膜を形成するために、シリコン基板表面にシ
リコン酸化膜を形成する工程と、そのシリコン酸化膜を
通してシリコン基板にハロゲン化シリコンをイオン注入
する工程と、前記シリコン酸化膜を除去する工程と、そ
の後、シリコン基板を酸化性ガス雰囲気中で加熱処理し
てシリコン基板表面を酸化する工程とを備えていること
を特徴とするMOS型半導体装置の製造方法。
3. A method of manufacturing a MOS type semiconductor device, comprising forming a gate oxide film on a surface of a silicon substrate and using the gate oxide film as a constituent element, wherein a silicon oxide is formed on the surface of the silicon substrate to form the gate oxide film. A step of forming a film, a step of ion-implanting silicon halide into the silicon substrate through the silicon oxide film, a step of removing the silicon oxide film, and then a heat treatment of the silicon substrate in an oxidizing gas atmosphere. And a step of oxidizing the surface of the silicon substrate.
【請求項4】 前記シリコン酸化膜が窒素原子を含んで
いる請求項3に記載のMOS型半導体装置の製造方法。
4. The method for manufacturing a MOS semiconductor device according to claim 3, wherein the silicon oxide film contains nitrogen atoms.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11354648A (en) * 1998-06-04 1999-12-24 Internatl Business Mach Corp <Ibm> Method for simultaneously producing oxides of different thicknesses on the same semiconductor substrate
EP1052686A3 (en) * 1999-05-14 2001-09-19 Lucent Technologies Inc. Oxidation of silicon using fluorine implants
EP1052685A3 (en) * 1999-05-14 2001-11-07 Lucent Technologies Inc. Integrated circuit device having a fluorine implanted oxide layer

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