JPH11288933A

JPH11288933A - 絶縁膜の形成方法及びｐ形半導体素子の製造方法

Info

Publication number: JPH11288933A
Application number: JP10057592A
Authority: JP
Inventors: Toyotaka Kataoka; 豊隆片岡
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1998-02-04
Filing date: 1998-03-10
Publication date: 1999-10-19

Abstract

(57)【要約】【課題】ボロン原子の突き抜け現象を確実に防止でき、
且つ、ｐチャネル型ＭＯＳ半導体素子の電流駆動能力の
低下が生じるといった問題の発生を回避でき、しかも、
極薄の絶縁膜の形成を可能にする絶縁膜の形成方法を提
供する。【解決手段】絶縁膜の形成方法は、（イ）雰囲気温度２
００乃至５００゜Ｃの窒化性雰囲気中で半導体層１０を
熱処理（窒化処理）する第１の工程、及び、（ロ）酸化
性雰囲気中で半導体層１０を熱処理（酸化処理）する第
２の工程から成り、以て、半導体層１０の表面に絶縁膜
１２を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、絶縁膜の形成方
法、及び、かかる絶縁膜の形成方法を適用したｐ形半導
体素子の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、シリコン半導体基板を基にした
ＭＯＳ半導体装置の製造においては、例えばシリコン酸
化膜から成るゲート絶縁膜をシリコン半導体基板の表面
に形成する必要がある。また、薄膜トランジスタ（ＴＦ
Ｔ）の製造においても、絶縁性基板の上に設けられたシ
リコン層の表面に、例えばシリコン酸化膜から成るゲー
ト絶縁膜を形成する必要がある。このようなシリコン酸
化膜は、半導体装置の信頼性を担っているといっても過
言ではない。従って、シリコン酸化膜には、常に、高い
絶縁破壊耐圧及び長期信頼性が要求される。特に、デザ
インルールが０．１３μｍ以降のＭＯＳ半導体装置にお
いては、ゲート絶縁膜の膜厚を４ｎｍ以下にすることが
要求され、このような極薄のゲート絶縁膜には一層優れ
た特性が要求される。

【０００３】近年、ＣＭＯＳトランジスタにおいては、
低消費電力化のために低電源電圧化が図られており、そ
のために、ｐチャネル型ＭＯＳ半導体素子（以下、ｐＭ
ＯＳ半導体素子と呼ぶ）とｎチャネル型ＭＯＳ半導体素
子に対して、十分に低く、しかも対称な閾値電圧が要求
される。このような要求に対処するために、ｐＭＯＳ半
導体素子においては、これまでのｎ形不純物を含むポリ
シリコン薄膜から構成されたゲート電極に替わり、ｐ形
不純物を含むポリシリコン薄膜から構成されたゲート電
極が用いられるようになっている。ところが、通常用い
られるｐ形不純物であるボロン原子（Ｂ）は、ゲート電
極形成後の半導体装置製造工程における各種の熱処理に
よってゲート電極からゲート絶縁膜を通過し、シリコン
半導体基板にまで容易に到達し、ｐＭＯＳ半導体素子の
閾値電圧を変動させる。このような現象は、低電源電圧
化のためにゲート絶縁膜を一層薄くした場合、一層顕著
に現れる。

【０００４】シリコン半導体基板を窒化処理し、その
後、シリコン半導体基板に対して酸化処理を行うことに
よって、窒素原子をゲート絶縁膜中へ導入する技術が、
例えば、文献１ "Evaluation of Interfacial Nitrogen
Concentration of RTP Oxynitrides by Reoxidation",
Y. Okada, et al., J. Electrochem. Soc., Vol. 140,
No. 6, June 1993, ppL87-L89 に開示されている。ま
た、ボロン原子（Ｂ）がゲート電極からゲート絶縁膜を
通過し、シリコン半導体基板にまで到達する現象（ボロ
ン原子の突き抜け現象と呼ぶ）を抑制するための技術と
して、窒素原子をゲート絶縁膜中に導入する技術が、例
えば、文献２「極薄Ｓｉ直接窒化・酸化ゲート絶縁膜
の評価」, 青山敬幸他、信学技報 SDM93-58, 1993-0
7, pp15-22に開示されている。

【０００５】通常、窒素原子のゲート絶縁膜中への導入
は、窒素原子を構成原子の１つとする反応性ガス雰囲気
中でシリコン半導体基板を熱処理することによって行わ
れる。具体的には、先ず、シリコン半導体基板の表面に
シリコン酸化膜を形成し、その後、ＮＨ₃ガスあるいは
Ｎ₂Ｏガス雰囲気中でシリコン酸化膜を熱処理する。以
下、このような方法を、便宜上、従来の第１の方法と呼
ぶ。あるいは又、上述の文献１においては、先ず、雰囲
気温度１１００゜ＣのＮ₂Ｏガス１００％雰囲気中で、
シリコン半導体基板を熱処理（窒化処理）し、その後、
シリコン半導体基板に対して８５分間、酸化処理を行
う。以下、このような方法を、便宜上、従来の第２の方
法と呼ぶ。上述の文献２においては、先ず、例えば、５
％−ＮＨ₃／Ａｒ（７６０トル）、５５０゜Ｃの雰囲気
中でシリコン半導体基板を１０分間、窒化処理し、次い
で、１０％−Ｏ₂／Ａｒ（７６０トル）、１０００゜Ｃ
の雰囲気中で、６０〜９０分間、酸化処理を行う。以
下、このような方法を、便宜上、従来の第３の方法と呼
ぶ。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、従来の第１
の方法にて得られるゲート絶縁膜においては、図６にＳ
ＩＭＳ分析結果を示すように、ゲート絶縁膜とシリコン
半導体基板表面の界面（即ち、ゲート絶縁膜とチャネル
形成領域の界面）近傍のゲート絶縁膜中に窒素原子が多
く存在し、これに起因して、ｐＭＯＳ半導体素子の電流
駆動能力の低下が生じるという問題がある。

【０００７】一方、従来の第２の方法にて得られるゲー
ト絶縁膜においては、文献１の Fig.4 に示されている
ように、窒素原子を多く含むゲート絶縁膜の領域がシリ
コン半導体基板側よりもゲート絶縁膜表面側に位置する
ものの、ゲート絶縁膜の厚さは２０ｎｍ程度もある。従
って、前述の文献１に記載された従来の第２の方法で
は、ゲート絶縁膜を薄膜化することは困難である。従来
の第３の方法にて得られるゲート絶縁膜においては、文
献２の図２に示されているように、ゲート絶縁膜とシリ
コン半導体基板表面の界面（即ち、ゲート絶縁膜とチャ
ネル形成領域の界面）近傍まで、ゲート絶縁膜の深さ方
向に窒素原子が均一に含まれているため、ゲート絶縁膜
の形成条件に依っては、ｐＭＯＳ半導体素子の電流駆動
能力の低下が生じる虞がある。

【０００８】従って、本発明の目的は、ボロン原子の突
き抜け現象を確実に防止でき、且つ、ｐチャネル型ＭＯ
Ｓ半導体素子の電流駆動能力の低下が生じるといった問
題の発生を回避でき、しかも、極薄の絶縁膜の形成を可
能にする絶縁膜の形成方法、及び、かかる絶縁膜の形成
方法を適用したｐ形半導体素子の製造方法を提供するこ
とにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明の第１の態様に係る絶縁膜の形成方法は、
（イ）雰囲気温度２００乃至５００゜Ｃの窒化性雰囲気
中で半導体層を熱処理する第１の工程、及び、（ロ）酸
化性雰囲気中で該半導体層を熱処理する第２の工程から
成り、以て、半導体層表面に絶縁膜を形成することを特
徴とする。

【００１０】上記の目的を達成するための本発明の第１
の態様に係るｐ形半導体素子の製造方法は、（Ａ）半導
体層の表面にゲート絶縁膜を形成する工程、及び、
（Ｂ）該ゲート絶縁膜上にｐ形不純物を含む半導体薄膜
から成るゲート電極を形成する工程を含み、上記工程
（Ａ）は、（イ）雰囲気温度２００乃至５００゜Ｃの窒
化性雰囲気中で半導体層を熱処理する第１の工程、及
び、（ロ）酸化性雰囲気中で該半導体層を熱処理する第
２の工程から成ることを特徴とする。

【００１１】上記の目的を達成するための本発明の第２
の態様に係る絶縁膜の形成方法は、（イ）窒化性雰囲気
中で半導体層にパルスレーザを照射する第１の工程、及
び、（ロ）酸化性雰囲気中で該半導体層を熱処理する第
２の工程から成り、以て、半導体層表面に絶縁膜を形成
することを特徴とする。

【００１２】上記の目的を達成するための本発明の第２
の態様に係るｐ形半導体素子の製造方法は、（Ａ）半導
体層の表面にゲート絶縁膜を形成する工程、及び、
（Ｂ）該ゲート絶縁膜上にｐ形不純物を含む半導体薄膜
から成るゲート電極を形成する工程を含み、上記工程
（Ａ）は、（イ）窒化性雰囲気中で半導体層にパルスレ
ーザを照射する第１の工程、及び、（ロ）酸化性雰囲気
中で該半導体層を熱処理する第２の工程から成ることを
特徴とする。

【００１３】本発明の第１若しくは第２の態様に係るｐ
形半導体素子の製造方法においては、ｐ形不純物を含む
半導体薄膜（例えばポリシリコン薄膜やアモルファスシ
リコン薄膜といったシリコン薄膜やＳｉ−Ｇｅ混晶系）
から成るゲート電極の形成は、例えば、ｐ形不純物（例
えば、ボロン）を含むシリコン薄膜をＣＶＤ法に基づき
成膜した後にかかるシリコン薄膜をパターニングする方
法、不純物を含まないシリコン薄膜をＣＶＤ法にて形成
した後にｐ形不純物（例えばボロンやＢＦ₂）をイオン
注入法にてシリコン薄膜に注入し、次いでシリコン薄膜
をパターニングする方法、不純物を含まないシリコン薄
膜をＣＶＤ法にて形成した後にパターニングを行い、次
いで、ｐ形不純物（例えばボロンやＢＦ₂）をイオン注
入法にてシリコン薄膜に注入する方法を挙げることがで
きる。尚、工程（Ｂ）において、ｐ形不純物を含むシリ
コン薄膜から成る半導体薄膜を形成した後、この半導体
薄膜上にシリサイド層を形成し、次いで、シリサイド層
及び半導体薄膜をパターニングすることによって、ポリ
サイド構造を有するゲート電極を形成してもよい。ある
いは又、ｐ形不純物を含むシリコン薄膜から成る半導体
薄膜を形成した後、この半導体薄膜上にタングステン等
の高融点金属層を形成し、次いで、高融点金属層及び半
導体薄膜をパターニングすることによって、高融点金属
層と半導体薄膜の２層構造を有するゲート電極を形成し
てもよい。更には、半導体薄膜やシリサイド層、高融点
金属層の上に、所謂オフセット酸化膜が形成されていて
もよい。

【００１４】本発明の第１若しくは第２の態様に係る絶
縁膜の形成方法あるいは第１若しくは第２の態様に係る
ｐ形半導体素子の製造方法（以下、これらを総称して、
本発明と呼ぶ場合がある）における窒化性雰囲気は、Ｎ
Ｈ₃ガス雰囲気、ＮＯガス雰囲気あるいはＮ₂Ｏガス雰囲
気とすることが好ましく、中でも、ＮＨ₃ガス雰囲気と
することが望ましい。窒化性雰囲気は、これらのガス
と、Ｎ₂やＡｒ等の不活性ガスとの混合ガス雰囲気であ
ってもよく、あるいは又、窒化性雰囲気を減圧雰囲気と
してもよい。これによって、一層薄い窒化膜（例えば、
シリコン窒化膜）を膜厚制御性良く形成することができ
る。

【００１５】本発明の第１の態様に係る絶縁膜の形成方
法あるいは第１の態様に係るｐ形半導体素子の製造方法
においては、第１の工程における熱処理を、炉熱処理法
に基づき行うこともできるが、極薄の窒化膜を半導体層
表面に形成するといった観点からは、急速熱処理法（Ra
pid Thermal Processing）に基づき行うことが望まし
い。第１の工程における熱処理の温度（半導体層の温
度）は、２００゜Ｃ〜５００゜Ｃである。第１の工程に
おける熱処理を急速熱処理法に基づき行う場合、かかる
熱処理温度に達してからの熱処理時間を０．１秒〜１０
秒とすることが、極薄の窒化膜を膜厚制御性良く形成す
るといった観点から望ましい。尚、第１の工程における
熱処理温度が２００゜Ｃ未満では、半導体層表面を窒化
することが困難となる場合がある。一方、熱処理温度が
５００゜Ｃを越える場合、半導体層表面に形成される窒
化膜の厚さが厚くなり過ぎ、第２の工程で半導体層に酸
化膜を膜厚制御性良く形成することが困難となり、ある
いは又、極薄の絶縁膜あるいはゲート絶縁膜（以下、こ
れらを総称して絶縁膜等と呼ぶ場合がある）を形成する
ことが困難となる虞がある。

【００１６】本発明の第２の態様に係る絶縁膜の形成方
法あるいは第２の態様に係るｐ形半導体素子の製造方法
において、半導体層に照射するパルスレーザは、半導体
層を極めて短時間に昇温させ、半導体層表面を窒化する
ことができるようなパルスレーザであればよく、例えば
エキシマレーザを用いることができる。尚、レーザの波
長の範囲として２０ｎｍ〜５００ｎｍ、照射エネルギー
密度として０．１〜１Ｊ／ｃｍ²、照射時間として０．
０１〜０．１ｎ秒を例示することができる。

【００１７】また、シリコン半導体基板を基にしてＭＯ
Ｓ半導体装置を製造する場合、従来、ゲート絶縁膜を成
膜する前に、ＮＨ₄ＯＨ／Ｈ₂Ｏ₂水溶液で洗浄し更にＨ
Ｃｌ／Ｈ₂Ｏ₂水溶液で洗浄するというＲＣＡ洗浄により
シリコン半導体基板の表面を洗浄し、その表面から微粒
子や金属不純物を除去する。ところで、ＲＣＡ洗浄を行
うと、シリコン半導体基板の表面は洗浄液と反応し、厚
さ０．５〜１ｎｍ程度のシリコン酸化膜が形成される。
かかるシリコン酸化膜の膜厚は不均一であり、しかも、
このシリコン酸化膜中には洗浄液成分が残留する。そこ
で、フッ化水素酸水溶液にシリコン半導体基板を浸漬し
て、かかるシリコン酸化膜を除去し、更に純水で薬液成
分を除去する。これによって、大部分が水素で終端さ
れ、極一部がフッ素で終端されたシリコン半導体基板の
表面を得ることができる。尚、このような工程によっ
て、大部分が水素で終端され、極一部がフッ素で終端さ
れたシリコン半導体基板の表面を得ることを、本明細書
では、シリコン半導体基板の表面を露出させると表現す
る。その後、かかるシリコン半導体基板の表面に絶縁膜
等を形成する。ところで、絶縁膜等を形成する前の雰囲
気を高温の非酸化雰囲気とすると、シリコン半導体基板
の表面に荒れ（凹凸）が生じる。このような現象は、フ
ッ化水素酸水溶液及び純水での洗浄によってシリコン半
導体基板の表面に形成されたＳｉ−Ｈ結合の一部あるい
は又Ｓｉ−Ｆ結合の一部が、水素やフッ素の昇温脱離に
よって失われ、シリコン半導体基板の表面にエッチング
現象が生じることに起因すると考えられている。例え
ば、アルゴンガス中でシリコン半導体基板を６００゜Ｃ
以上に昇温するとシリコン半導体基板の表面に激しい凹
凸が生じることが、培風館発行、大見忠弘著「ウルトラ
クリーンＵＬＳＩ技術」、第２１頁に記載されている。
本発明の第１の態様に係る絶縁膜の形成方法あるいは第
１の態様に係るｐ形半導体素子の製造方法では、第１の
工程において雰囲気温度２００乃至５００゜Ｃの窒化性
雰囲気中で半導体層を熱処理するが故に、このような半
導体層（例えばシリコン半導体基板）の表面に荒れ（凹
凸）が発生するといった現象の発生を確実に回避するこ
とができる。

【００１８】本発明においては、第１の工程で形成され
る窒化膜の厚さを０．５ｎｍ〜２．０ｎｍ、好ましくは
０．５ｎｍ〜１．５ｎｍ、一層好ましくは０．５ｎｍ〜
１．０ｎｍとすることが、極薄の絶縁膜等を形成すると
いった観点から望ましい。尚、窒化膜の厚さは、例えば
二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ法）にて測定すること
ができる。ここで、窒化膜の厚さとは、ＳＩＭＳ法にて
得られた分析結果において、窒化膜を構成する組成（例
えば、シリコン窒化膜、ＳｉＮ）のピークを含む測定カ
ーブの部分における半値幅が得られるときの絶縁膜等の
表面からの深さの内の深い方の深さを意味する。

【００１９】本発明においては、酸化性雰囲気を、乾燥
酸素ガス雰囲気あるいは湿式ガス雰囲気とすることがで
きるが、湿式ガス雰囲気とした場合、第２の工程におけ
る熱処理条件に依っては、第１の工程で形成された半導
体層を構成する原子と窒素原子の結合（例えば、Ｓｉ−
Ｎ結合）が第２の工程において切断される効果が大きく
なるため、乾燥酸素ガス雰囲気とすることが望ましい。
酸化性雰囲気は、１００％酸素ガス雰囲気としてもよい
し、Ｎ₂やＡｒ等の不活性ガスで希釈された酸素ガス雰
囲気としてもよい。第２の工程は、炉熱処理法に基づき
行ってもよいし、急速熱処理法に基づき行ってもよい。
第２の工程における熱処理条件は、最終的に要求される
絶縁膜等の厚さに依って決定すればよい。第２の工程を
炉熱処理法に基づき行う場合には、熱処理の温度（半導
体層の温度）として８００゜Ｃ〜１０００゜Ｃ、かかる
熱処理温度に達してからの熱処理時間として１分〜１０
分を例示することができる。一方、急速熱処理法に基づ
き行う場合には、熱処理の温度（半導体層の温度）とし
て９００゜Ｃ〜１１００゜Ｃ、かかる熱処理温度に達し
てからの熱処理時間として１０秒〜５分を例示すること
ができる。

【００２０】通常、シリコン半導体基板の表面に絶縁膜
等を形成する前に、ＮＨ₄ＯＨ／Ｈ₂Ｏ₂水溶液で洗浄し
更にＨＣｌ／Ｈ₂Ｏ₂水溶液で洗浄するというＲＣＡ洗浄
によりシリコン半導体基板の表面を洗浄し、その表面か
ら微粒子や金属不純物を除去した後、フッ化水素酸水溶
液及び純水によるシリコン半導体基板の洗浄を行う。と
ころが、その後、シリコン半導体基板が大気に曝される
と、シリコン半導体基板の表面が汚染され、水分や有機
物がシリコン半導体基板の表面に付着し、あるいは又、
シリコン半導体基板表面のＳｉ原子が水酸基（ＯＨ）と
結合する虞がある（例えば、文献 "Highly-reliable Ga
te Oxide Formation for Giga-Scale LSIs by using Cl
osed Wet Cleaning System and Wet Oxidation with Ul
tra-DryUnloading", J. Yugami, et al., Internationa
l Electron Device Meeting Technical Digest 95, pp
855-858 参照）。このような場合、そのままの状態で絶
縁膜等の形成を開始すると、形成された絶縁膜中に水分
や有機物、あるいは又、例えばＳｉ−ＯＨが取り込ま
れ、形成された絶縁膜等の特性低下あるいは欠陥部分の
発生の原因となり得る。尚、欠陥部分とは、シリコンダ
ングリングボンド（Ｓｉ・）やＳｉ−Ｈ結合といった欠
陥が含まれる絶縁膜等の部分、あるいは又、Ｓｉ−Ｏ−
Ｓｉ結合が応力によって圧縮され若しくはＳｉ−Ｏ−Ｓ
ｉ結合の角度が厚い若しくはバルクのシリコン酸化膜中
のＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合の角度と異なるといったＳｉ−Ｏ
−Ｓｉ結合が含まれた絶縁膜等の部分を意味する。それ
故、このような問題の発生を回避するためには、絶縁膜
等の形成の前に半導体層表面を洗浄する工程を含み、表
面洗浄後の半導体層を大気に曝すことなく（即ち、例え
ば、半導体層表面の洗浄から絶縁膜等の形成工程の開始
までの雰囲気を不活性ガス雰囲気若しくは真空雰囲気と
し）、絶縁膜等の形成を実行することが好ましい。これ
によって、例えば半導体層としてシリコン半導体基板を
用いる場合、大部分が水素で終端され、極一部がフッ素
で終端された表面を有するシリコン半導体基板の表面に
絶縁膜等を形成することができ、形成された絶縁膜等の
特性低下あるいは欠陥部分の発生を防止することができ
る。

【００２１】半導体層としては、シリコン単結晶ウエハ
といったシリコン半導体基板だけでなく、半導体基板上
に形成されたエピタキシャルシリコン層、ポリシリコン
層、あるいはアモルファスシリコン層、更には、シリコ
ン半導体基板やこれらの層に半導体素子が形成されたも
の、Ｓｉ−Ｇｅ混晶等、絶縁膜を形成すべき材料層を意
味する。半導体層に絶縁膜を形成するとは、半導体基板
等の上若しくは上方に形成された半導体層に絶縁膜を形
成する場合だけでなく、半導体基板の表面に絶縁膜を形
成する場合を含む。尚、シリコン単結晶ウエハは、ＣＺ
法、ＭＣＺ法、ＤＬＣＺ法、ＦＺ法等、如何なる方法で
作製されたウエハであってもよく、また、予め水素アニ
ールが加えられたものでもよい。

【００２２】本発明の絶縁膜の形成方法は、例えばＭＯ
Ｓトランジスタのゲート絶縁膜、トップゲート型若しく
はボトムゲート型薄膜トランジスタのゲート絶縁膜の形
成、フラッシュメモリのトンネル絶縁膜の形成等、各種
半導体装置における絶縁膜の形成に適用することができ
る。

【００２３】本発明においては、第１の工程が完了した
時点で、半導体層の表面に窒化膜が形成される。そし
て、本発明の第１の態様に係る絶縁膜の形成方法あるい
は第１の態様に係るｐ形半導体素子の製造方法において
は、第１の工程において、雰囲気温度２００乃至５００
゜Ｃの窒化性雰囲気中で半導体層を熱処理（窒化処理）
するので、また、本発明の第２の態様に係る絶縁膜の形
成方法あるいは第２の態様に係るｐ形半導体素子の製造
方法においては、窒化性雰囲気中で半導体層にパルスレ
ーザを照射して窒化処理を行うので、半導体層の表面に
極薄の窒化膜を形成することが可能となる。その後、第
２の工程において酸化性雰囲気中で半導体層を熱処理
（酸化処理）することによって、窒化膜（例えばシリコ
ン窒化膜）を突き抜けた酸化種によって半導体層の酸化
が進行し、窒化膜と半導体層の界面における半導体層に
酸化膜（例えばシリコン酸化膜）が形成される。即ち、
巨視的には、半導体層の表面に、下から酸化膜、窒化膜
が形成される。また、窒化膜の一部には酸化窒化物が含
まれる。例えばシリコン窒化膜の一部にはシリコン窒化
酸化物（ＳｉＯＮ）が含まれる。このように、絶縁膜等
の形成を２段階とすることによって、窒素原子を多く含
む絶縁膜等の領域は絶縁膜等の表面近傍に形成され、一
方、チャネル形成領域である半導体層の表面近傍の絶縁
膜等に含まれる窒素原子の量を少なくすることができ
る。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、発明の実
施の形態（以下、実施の形態と略称する）に基づき本発
明を説明する。

【００２５】（実施の形態１）実施の形態１は、本発明
の第１の態様に係る絶縁膜の形成方法及びｐ形半導体素
子の製造方法に関する。実施の形態１においては、半導
体層としてシリコン半導体基板を用いる。また、第１の
工程をＮＨ₃ガス１００％雰囲気にて行う。実施の形態
１における絶縁膜の形成方法及びｐ形半導体素子の製造
方法を、以下、シリコン半導体基板等の模式的な一部断
面図である図１及び図２を参照して説明する。

【００２６】［工程−１００］先ず、リンをドープした
直径８インチのｎ型シリコンウエハ（ＣＺ法にて作製）
であるシリコン半導体基板１０に、公知の方法でＬＯＣ
ＯＳ構造を有する素子分離領域１１を形成し、次いでウ
エルイオン注入、チャネルストップイオン注入、閾値調
整イオン注入を行う。尚、素子分離領域はトレンチ構造
を有していてもよいし、ＬＯＣＯＳ構造とトレンチ構造
の組み合わせであってもよい。その後、ＲＣＡ洗浄によ
りシリコン半導体基板１０の表面の微粒子や金属不純物
を除去し、次いで、０．１％フッ化水素酸水溶液及び純
水によるシリコン半導体基板１０の表面洗浄を行い、シ
リコン半導体基板１０の表面を露出させる（図１の
（Ａ）参照）。尚、シリコン半導体基板１０の表面は大
半が水素で終端しており、極一部がフッ素で終端されて
いる。

【００２７】［工程−１１０］次に、シリコン半導体基
板１０を、図示しない急速熱処理装置内に搬入し、以下
の表１に例示する条件にて第１の工程である窒化処理を
実行し、シリコン窒化膜を形成する（図１の（Ｂ）参
照）。

【００２８】

【表１】ＮＨ₃流量：２ＳＬＭ雰囲気温度：４００゜Ｃ雰囲気圧力：１．０１×１０⁵Ｐａ（１気圧）熱処理時間：１秒

【００２９】［工程−１２０］その後、同じ急速熱処理
装置内で、以下の表２に例示する条件にて第２の工程で
ある酸化処理を実行する。酸化種である酸素原子は、
［工程−１１０］にて形成されたシリコン窒化膜を通過
して半導体層（シリコン半導体基板１０）に到達し、半
導体層を構成するシリコン原子と反応してＳｉＯ₂が形
成される。こうして、図１の（Ｃ）に示すように、半導
体層に相当するシリコン半導体基板１０の表面にゲート
絶縁膜１２を形成することができる。ここで、絶縁膜の
総厚を約４ｎｍとした。尚、絶縁膜１２は、巨視的に
は、半導体層（シリコン半導体基板１０）の表面に形成
された、シリコン酸化膜及びシリコン窒化膜の２層構成
（シリコン窒化膜が上層）であり、シリコン窒化膜中に
はシリコン酸化窒化物が含まれるが、図では１層で表し
た。

【００３０】

【表２】乾燥酸素流量：２ＳＬＭ雰囲気温度：１０００゜Ｃ雰囲気圧力：１．０１×１０⁵Ｐａ（１気圧）熱処理時間：６０秒

【００３１】［工程−１３０］その後、急速熱処理装置
から半導体層に相当するシリコン半導体基板１０を搬出
し、次いで、公知のＣＶＤ装置にシリコン半導体基板１
０を搬入する。そして、全面に不純物を含んでいないシ
リコン薄膜（実施の形態１においてはポリシリコン薄
膜）から成る半導体薄膜をＣＶＤ法にて成膜する。次い
で、フォトリソグラフィ技術及びドライエッチング技術
に基づき半導体薄膜をパターニングする。そして、半導
体薄膜及びシリコン半導体基板にボロンイオンをイオン
注入法にて注入する。これによって、ゲート絶縁膜１２
上にｐ形不純物を含む半導体薄膜（具体的にはポリシリ
コン薄膜）から成るゲート電極１３を形成することがで
き、併せて、ＬＤＤ構造を形成することができる（図２
の（Ａ）参照）。

【００３２】［工程−１４０］次に、全面に絶縁層を形
成し、異方性ドライエッチング技術に基づき絶縁層をエ
ッチングして、ゲート電極１３の側壁にサイドウオール
１４を形成する。次いで、ソース／ドレイン領域１５を
形成するために、シリコン半導体基板にボロンイオンを
イオン注入法にて注入した後、イオン注入された不純物
の活性化熱処理を行う。その後、全面に層間絶縁層１６
をＣＶＤ法にて成膜し、ソース／ドレイン領域１５の上
方の層間絶縁層１６に開口部を設け、かかる開口部内を
含む層間絶縁層１６の上に配線材料層をスパッタ法にて
形成し、配線材料層をパターニングすることによって配
線１７を形成し、図２の（Ｂ）に模式的な一部断面図を
示すｐ形半導体素子を得ることができる。

【００３３】実施の形態１にて形成された絶縁膜のＳＩ
ＭＳ分析結果を図３に示す。図３から明らかなように、
ＳＩＭＳ法にて得られた分析結果において、絶縁膜等の
表面からＳｉＮの測定カーブのピークまでの深さは約
０．５ｎｍであり、極薄のシリコン窒化膜が形成されて
いる。また、絶縁膜の総厚は約４ｎｍであり、半導体層
であるシリコン半導体基板との界面近傍の絶縁膜には窒
素原子は殆ど含まれていない。

【００３４】（実施の形態２）実施の形態２において
は、第１の工程である窒化処理の条件を、以下の表３に
示す条件とした。即ち、実施の形態２においては、第１
の工程の雰囲気を窒素ガスで希釈されたＮＨ₃雰囲気と
する。あるいは又、表４に例示するように、第１の工程
の雰囲気を減圧ＮＨ₃雰囲気とすることもできる。これ
らの点を除き、実施の形態２における絶縁膜等の形成は
実施の形態１にて説明したと同様とすることができる。

【００３５】

【表３】ＮＨ₃流量：０．２ＳＬＭＮ₂流量：１．８ＳＬＭ雰囲気圧力：１．０１×１０⁵Ｐａ（１気圧）雰囲気温度：４５０゜Ｃ熱処理時間：１秒

【００３６】

【表４】ＮＨ₃流量：２ＳＬＭ雰囲気温度：４５０゜Ｃ雰囲気圧力：１．０×１０⁴Ｐａ熱処理時間：１秒

【００３７】（実施の形態３）実施の形態３は、本発明
の第２の態様に係る絶縁膜の形成方法及びｐ形半導体素
子の製造方法に関する。実施の形態３においても、半導
体層としてシリコン半導体基板を用いる。また、第１の
工程をＮＨ₃ガス１００％雰囲気にて行う。

【００３８】レーザ照射装置の概念図を図４に示す。こ
のレーザ照射装置は、エキシマレーザ発振装置２０と、
アッテネータ２１と、ビームホモジナイザ２２と、反応
室２３と、反応室２３内に配設されたＸ−Ｙテーブル２
４から構成されている。エキシマレーザ発振装置２０か
ら射出されたレーザビームは、アッテネータ２１を通過
し、ミラーで反射され、ビームホモジナイザ２２を通過
し、所望のレーザビームエネルギー密度であって５％以
内に均一化された方形レーザビームに形成される。この
レーザビームは、反応室２３の上部に設けられた石英製
の窓２５を通過し、Ｘ−Ｙテーブル２４上に載置された
シリコン半導体基板１０に入射する。反応室２３には、
シリコン半導体基板１０の搬入出のためにゲートバルブ
２６が配設されている。また、反応室２３には、反応室
２３の雰囲気を窒化性雰囲気とするためにＮＨ₃ガスを
導入するための配管２７Ａ及びパージガス（Ｎ₂ガス）
を導入するための配管２７Ｂが配設されている。反応室
２３内のガスは排気部２８から系外に排気される。

【００３９】実施の形態３における絶縁膜の形成方法及
びｐ形半導体素子の製造方法を、以下、シリコン半導体
基板等の模式的な一部断面図である図１及び図２を再び
参照して説明する。

【００４０】［工程−３００］先ず、実施の形態１の
［工程−１００］と同様にして、シリコン半導体基板１
０に、公知の方法で素子分離領域１１を形成し、次いで
ウエルイオン注入、チャネルストップイオン注入、閾値
調整イオン注入を行う。その後、ＲＣＡ洗浄によりシリ
コン半導体基板１０の表面の微粒子や金属不純物を除去
し、次いで、０．１％フッ化水素酸水溶液及び純水によ
るシリコン半導体基板１０の表面洗浄を行い、シリコン
半導体基板１０の表面を露出させる（図１の（Ａ）参
照）。尚、シリコン半導体基板１０の表面は大半が水素
で終端しており、極一部がフッ素で終端されている。

【００４１】［工程−３１０］次に、シリコン半導体基
板１０を、図４に概念図を示すレーザ照射装置内に搬入
し、以下の表５に例示する条件にて第１の工程であるパ
ルスレーザの照射に基づく窒化処理を実行する（図１の
（Ｂ）参照）。尚、シリコン窒化膜の膜厚を０．５ｎｍ
とした。

【００４２】

【表５】ＮＨ₃流量：２ＳＬＭ雰囲気圧力：１．３×１０³Ｐａ使用レーザ：ＸｅＣｌエキシマレーザ（３０８
ｎｍ）レーザパルス幅：４４ナノ秒レーザビームエネルギー密度：６００ｍＪ／ｃｍ² ビームサイズ：２０ｍｍ×２０ｍｍ

【００４３】［工程−３２０］その後、シリコン半導体
基板１０をレーザ照射装置から搬出し、急速熱処理装置
に搬入する。そして、表２に例示したと同様の条件にて
第２の工程である酸化処理を実行する。酸化種である酸
素原子は、［工程−３１０］にて形成されたシリコン窒
化膜を通過して半導体層（シリコン半導体基板１０）に
到達し、半導体層を構成するシリコン原子と反応してＳ
ｉＯ₂が形成される。こうして、図１の（Ｃ）に示すよ
うに、半導体層に相当するシリコン半導体基板１０の表
面にゲート絶縁膜１２を形成することができる。ここ
で、絶縁膜の総厚を約３ｎｍとした。

【００４４】［工程−３３０］その後、急速熱処理装置
から半導体層に相当するシリコン半導体基板１０を搬出
し、次いで、実施の形態１の［工程−１３０］及び［工
程−１４０］を実行することによって、ｐ形半導体素子
を得ることができる。

【００４５】以上、本発明を好ましい実施の形態に基づ
き説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定され
るものではない。実施の形態にて説明した各種の条件は
例示であり、適宜変更することができる。

【００４６】実施の形態においては、専らシリコン半導
体基板の表面に絶縁膜を形成したが、本発明の絶縁膜の
形成方法に基づき、基板の上に成膜されたエピタキシャ
ルシリコン層に絶縁膜を形成することもできるし、基板
の上に形成された絶縁層の上に成膜されたポリシリコン
層あるいはアモルファスシリコン層等の表面に絶縁膜を
形成することもできる。あるいは又、ＳＯＩ構造におけ
るシリコン層の表面に絶縁膜を形成してもよいし、半導
体素子や半導体素子の構成要素が形成された基板やこれ
らの上に成膜されたシリコン層の表面に絶縁膜を形成し
てもよい。更には、半導体素子や半導体素子の構成要素
が形成された基板やこれらの上に成膜された下地絶縁層
の上に形成されたシリコン層の表面に絶縁膜を形成して
もよい。また、Ｓｉ−Ｇｅ混晶系に対しても本発明の絶
縁膜の形成方法を適用することができる。

【００４７】あるいは又、実施の形態において０．１％
フッ化水素酸水溶液及び純水により半導体層を構成する
シリコン半導体基板の表面洗浄を行った後、半導体層を
構成するシリコン半導体基板を急速熱処理装置あるいは
レーザ照射装置の反応室に搬入したが、半導体層の表面
洗浄から急速熱処理装置あるいはレーザ照射の反応室へ
の搬入までの雰囲気を、不活性ガス（例えば窒素ガス）
雰囲気としてもよい。尚、このような雰囲気は、例え
ば、半導体層の表面洗浄装置の雰囲気を不活性ガス雰囲
気とし、且つ、不活性ガスが充填された搬送用ボックス
内に半導体層（例えばシリコン半導体基板）を納めて急
速熱処理装置あるいはレーザ照射の反応室に搬入する方
法や、図５に模式図を示すように、表面洗浄装置、例え
ば急速熱処理装置、搬送路、ローダー及びアンローダー
から構成されたクラスターツール装置を用い、表面洗浄
装置から急速熱処理装置までを搬送路で結び、かかる表
面洗浄装置、搬送路及び急速熱処理装置の処理室の雰囲
気を不活性ガス雰囲気とする方法によって達成すること
ができる。

【００４８】あるいは又、０．１％フッ化水素酸水溶液
及び純水により半導体層を構成するシリコン半導体基板
の表面洗浄を行う代わりに、表６に例示する条件にて、
無水フッ化水素ガスを用いた気相洗浄法によって半導体
層を構成するシリコン半導体基板の表面洗浄を行っても
よい。尚、パーティクルの発生防止のためにメタノール
を添加する。あるいは又、表７に例示する条件にて、塩
化水素ガスを用いた気相洗浄法によって半導体層を構成
するシリコン半導体基板の表面洗浄を行ってもよい。
尚、半導体層の表面洗浄開始前あるいは表面洗浄完了後
における表面洗浄装置内の雰囲気や搬送路等内の雰囲気
は、不活性ガス雰囲気としてもよいし、例えば１．３×
１０^-1Ｐａ（１０^-3Torr）程度の真空雰囲気としてもよ
い。尚、搬送路等内の雰囲気を真空雰囲気とする場合に
は、半導体層を搬入する際の急速熱処理装置あるいはレ
ーザ照射の反応室の雰囲気を例えば１．３×１０^-1Ｐａ
（１０^-3Torr）程度の真空雰囲気としておき、半導体層
の搬入完了後、急速熱処理装置あるいはレーザ照射装置
の反応室の雰囲気を、必要に応じて一旦不活性ガス（例
えば窒素ガス）雰囲気とし、その後、第１の工程を実行
すればよい。

【００４９】

【表６】無水フッ化水素ガス：３００ＳＣＣＭメタノール蒸気：８０ＳＣＣＭ窒素ガス：１０００ＳＣＣＭ圧力：０．３Ｐａ温度：６０゜Ｃ

【００５０】

【表７】塩化水素ガス／窒素ガス：１容量％温度：８００゜Ｃ

【００５１】これらの方法を採用することによって、絶
縁膜の形成前に半導体層の表面を汚染等の無い状態に保
つことができる結果、形成された絶縁膜中に水分や有機
物、あるいは又、例えばＳｉ−ＯＨが取り込まれ、形成
された絶縁膜の特性が低下しあるいは欠陥部分が発生す
ることを、効果的に防ぐことができる。

【００５２】尚、本発明の絶縁膜の形成方法あるいはｐ
形半導体素子の製造方法において、酸化性雰囲気中で半
導体層を熱処理する第２の工程の完了後、形成された絶
縁膜に熱処理を施してもよい。この場合、熱処理の雰囲
気を、ハロゲン元素を含有する不活性ガス雰囲気とする
ことが望ましい。ハロゲン元素を含有する不活性ガス雰
囲気中で例えばシリコン酸化膜を熱処理することによっ
て、タイムゼロ絶縁破壊（ＴＺＤＢ）特性及び経時絶縁
破壊（ＴＤＤＢ）特性に優れたシリコン酸化膜を得るこ
とができる。熱処理における不活性ガスとしては、窒素
ガス、アルゴンガス、ヘリウムガスを例示することがで
きる。また、ハロゲン元素として、塩素、臭素、フッ素
を挙げることができるが、なかでも塩素であることが望
ましい。不活性ガス中に含有されるハロゲン元素の形態
としては、例えば、塩化水素（ＨＣｌ）、ＣＣｌ₄、Ｃ₂
ＨＣｌ₃、Ｃｌ₂、ＨＢｒ、ＮＦ₃を挙げることができ
る。不活性ガス中のハロゲン元素の含有率は、分子又は
化合物の形態を基準として、０．００１〜１０容量％、
好ましくは０．００５〜１０容量％、更に好ましくは
０．０２〜１０容量％である。例えば塩化水素ガスを用
いる場合、不活性ガス中の塩化水素ガス含有率は０．０
２〜１０容量％であることが望ましい。熱処理を、枚葉
処理とすることもできるが、炉アニール処理とすること
が好ましい。熱処理の雰囲気温度は、７００〜１２００
゜Ｃ、好ましくは７００〜１０００゜Ｃ、更に好ましく
は７００〜９５０゜Ｃである。また、熱処理を炉アニー
ル処理とする場合の熱処理の時間は、５〜６０分、好ま
しくは１０〜４０分、更に好ましくは２０〜３０分であ
る。一方、熱処理を枚葉処理とする場合の熱処理の時間
は、１〜１０分とすることが好ましい。

【００５３】

【発明の効果】本発明においては、第１の工程において
雰囲気温度２００乃至５００゜Ｃの窒化性雰囲気中で半
導体層を熱処理するので、あるいは又、窒化性雰囲気中
で半導体層にパルスレーザを照射するので、半導体層の
表面に極薄の窒化膜（例えばシリコン窒化膜）を形成す
ることが可能である。また、絶縁膜等の形成を２段階と
するので、窒素原子を多く含む絶縁膜等の領域は絶縁膜
等の表面近傍に形成され、一方、チャネル形成領域であ
る半導体層の表面近傍の絶縁膜等に含まれる窒素原子の
量を少なくすることができる。その結果、従来の技術の
ように、シリコン半導体基板（チャネル形成領域）に窒
素原子が侵入することによる電流駆動能力の低下等の半
導体素子特性への悪影響がない。更には、絶縁膜の表面
領域には窒素原子が含まれるので、例えばゲート電極形
成後の半導体装置製造工程における各種の熱処理によっ
てボロン原子がゲート絶縁膜を通過してシリコン半導体
基板にまで到達し、ｐチャネル型ＭＯＳ半導体素子の閾
値電圧が変動するといった現象を確実に回避することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の絶縁膜の形成方法及びｐ形半導体素子
の製造方法を説明するための、シリコン半導体基板等の
模式的な一部断面図である。

【図２】図１に引き続き、本発明のｐ形半導体素子の製
造方法を説明するための、シリコン半導体基板等の模式
的な一部断面図である。

【図３】発明の実施の形態１にて得られた絶縁膜のＳＩ
ＭＳ分析結果を示すグラフである。

【図４】レーザ照射装置の概念図である。

【図５】表面洗浄装置、急速熱処理装置、搬送路、ロー
ダー及びアンローダーから構成されたクラスターツール
装置の概念図である。

【図６】従来の方法に基づき得られた絶縁膜のＳＩＭＳ
分析結果を示すグラフである。

【符号の説明】

１０・・・シリコン半導体基板、１１・・・素子分離領
域、１２・・・絶縁膜（ゲート絶縁膜）、１３・・・ゲ
ート電極、１４・・・サイドウオール、１５・・・ソー
ス／ドレイン領域、１６・・・層間絶縁層、１７・・・
配線、２０・・・エキシマレーザ発振装置、２１・・・
アッテネータ、２２・・・ビームホモジナイザ、２３・
・・反応室、２４・・・Ｘ−Ｙテーブル、２５・・・石
英製の窓、２６・・・ゲートバルブ、２７Ａ，２７Ｂ・
・・配管、２８・・・排気部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】（イ）雰囲気温度２００乃至５００゜Ｃの
窒化性雰囲気中で半導体層を熱処理する第１の工程、及
び、（ロ）酸化性雰囲気中で該半導体層を熱処理する第２の
工程、から成り、以て、半導体層表面に絶縁膜を形成すること
を特徴とする絶縁膜の形成方法。
【請求項２】窒化性雰囲気はＮＨ₃ガス雰囲気であるこ
とを特徴とする請求項１に記載の絶縁膜の形成方法。
【請求項３】酸化性雰囲気は乾燥酸素ガス雰囲気である
ことを特徴とする請求項１に記載の絶縁膜の形成方法。
【請求項４】第１の工程における熱処理は急速熱処理法
に基づくことを特徴とする請求項１に記載の絶縁膜の形
成方法。
【請求項５】（Ａ）半導体層の表面にゲート絶縁膜を形
成する工程、及び、（Ｂ）該ゲート絶縁膜上にｐ形不純物を含む半導体薄膜
から成るゲート電極を形成する工程、を含むｐ形半導体素子の製造方法であって、上記工程（Ａ）は、（イ）雰囲気温度２００乃至５００゜Ｃの窒化性雰囲気
中で半導体層を熱処理する第１の工程、及び、（ロ）酸化性雰囲気中で該半導体層を熱処理する第２の
工程、から成ることを特徴とするｐ形半導体素子の製造
方法。
【請求項６】窒化性雰囲気はＮＨ₃ガス雰囲気であるこ
とを特徴とする請求項５に記載のｐ形半導体素子の製造
方法。
【請求項７】酸化性雰囲気は乾燥酸素ガス雰囲気である
ことを特徴とする請求項５に記載のｐ形半導体素子の製
造方法。
【請求項８】第１の工程における熱処理は急速熱処理法
に基づくことを特徴とする請求項５に記載のｐ形半導体
素子の製造方法。
【請求項９】（イ）窒化性雰囲気中で半導体層にパルス
レーザを照射する第１の工程、及び、（ロ）酸化性雰囲気中で該半導体層を熱処理する第２の
工程、から成り、以て、半導体層表面に絶縁膜を形成す
ることを特徴とする絶縁膜の形成方法。
【請求項１０】窒化性雰囲気はＮＨ₃ガス雰囲気である
ことを特徴とする請求項９に記載の絶縁膜の形成方法。
【請求項１１】酸化性雰囲気は乾燥酸素ガス雰囲気であ
ることを特徴とする請求項９に記載の絶縁膜の形成方
法。
【請求項１２】（Ａ）半導体層の表面にゲート絶縁膜を
形成する工程、及び、（Ｂ）該ゲート絶縁膜上にｐ形不純物を含む半導体薄膜
から成るゲート電極を形成する工程、を含むｐ形半導体
素子の製造方法であって、上記工程（Ａ）は、（イ）窒化性雰囲気中で半導体層にパルスレーザを照射
する第１の工程、及び、（ロ）酸化性雰囲気中で該半導体層を熱処理する第２の
工程、から成ることを特徴とするｐ形半導体素子の製造
方法。
【請求項１３】窒化性雰囲気はＮＨ₃ガス雰囲気である
ことを特徴とする請求項１２に記載のｐ形半導体素子の
製造方法。
【請求項１４】酸化性雰囲気は乾燥酸素ガス雰囲気であ
ることを特徴とする請求項１２に記載のｐ形半導体素子
の製造方法。