(57)【要約】【課題】  本発明は、純粋シリコン酸化膜から得られる膜の特性より著しく向上した膜特性を確保することができ、トラップ電荷によるトランジスタのしきい値電圧の変化を最小化することが可能なオキシナイトライド膜の形成方法を提供する。【解決手段】  シリコン基板を酸化炉内にロードする段階と、前記酸化炉内に酸素系ソースガスを注入して前記シリコン基板上に純粋シリコン酸化膜を成長させる段階と、前記酸素系ソースガスの注入を遮断し、不活性ガスを注入して、前記酸化炉内に残留する前記酸素系ソースガスを排気させる段階と、前記酸化炉内の温度を窒化工程温度まで上昇させる段階と、前記酸化炉内の温度を安定化させる段階と、窒素系ソースガスを注入して前記純粋シリコン酸化膜に対して窒化工程を行う段階と、前記窒素系ソースガスの注入を遮断し、前記酸化炉内に不活性ガスを注入しながら前記酸化炉を急速冷却させる段階とを含むことを特徴とする。【選択図】      図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板を酸化炉内にロードする段階と、
前記酸化炉内に酸素系ソースガスを注入して前記シリコン基板上に純粋シリコン酸化膜を成長させる段階と、
前記酸素系ソースガスの注入を遮断し、不活性ガスを注入して、前記酸化炉内に残留する前記酸素系ソースガスを排気させる段階と、
前記酸化炉内の温度を窒化工程温度まで上昇させる段階と、
前記酸化炉内の温度を安定化させる段階と、
窒素系ソースガスを注入して前記純粋シリコン酸化膜に対して窒化工程を行う段階と、
前記窒素系ソースガスの注入を遮断し、前記酸化炉内に不活性ガスを注入しながら前記酸化炉を急速冷却させる段階と、
を含むことを特徴とするオキシナイトライド膜の形成方法。
【請求項２】
前記窒素系ソースガスは、ＮＨ３、Ｎ２Ｏ又はＮＯガスであることを特徴とする請求項１記載のオキシナイトライド膜の形成方法。
【請求項３】
前記窒化工程を行う際、前記窒素系ソースガスとＡｒ又はＮ２ガスとを混合して注入することを特徴とする請求項２記載のオキシナイトライド膜の形成方法。
【請求項４】
前記窒化工程温度は、ＳｉＯ２膜の粘性流れが起こりうる温度であり、前記窒化工程は、Ｓｉ−ＳｉＯ２の界面に窒素が注入される際に発生するストレスを弛緩させるために、ＳｉＯ２膜の粘性流れが起こりうる温度以上で行うことを特徴とする請求項１記載のオキシナイトライド膜の形成方法。
【請求項５】
前記窒化工程は、８００℃よりは高い温度で行うことを特徴とする請求項１記載のオキシナイトライド膜の形成方法。
【請求項６】
前記窒化工程段階後、前記酸化炉を冷却させる前に、前記窒素系ソースガスの注入を遮断し、前記酸化炉内に不活性ガスを注入させて、前記酸化炉の温度を前記窒化工程を行った温度より高い温度に上昇させてアニール工程を行う段階をさらに含むことを特徴とする請求項１記載のオキシナイトライド膜の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子の製造方法に係り、さらに詳しくは、オキシナイトライド膜に関する。
【背景技術】
【０００２】
フラッシュメモリ素子のトンネル酸化膜として、Ｏ２ガス、或いはＨ２ＯとＯ２との混合ガスを用いて酸化炉内でシリコン基板を酸化させたシリコン酸化膜（以下、「純粋シリコン酸化膜」という）を使用してきたが、素子の微細化によって要求されるトンネル酸化膜の有効厚さが減少し、これにより純粋シリコン酸化膜の特性のみでは素子から要求する膜の特性を満足させることができなくなった。
【０００３】
一方、純粋シリコン酸化膜を代替してオキシナイトライド(oxynitride film)膜を使用すると、純粋シリコン酸化膜が満足させていない膜の特性（例えば、ストレス誘起漏洩電流(stress induced leakage current）、ブレークダウン(breakdown)に必要な電荷量、膜の寿命など）を確保することができる。
【０００４】
このようなオキシナイトライド膜は、まず一定の厚さの純粋シリコン酸化膜を成長させた後、ＮＨ３、Ｎ２Ｏ、ＮＯなどのガスを用いた窒化工程を行って既存のシリコン（Ｓｉ）−シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）の界面に薄い窒素層を形成し、或いは窒素に富む酸化膜(nitrogen rich oxide film)を形成する方法で製造することができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、このような方法でＳｉ−ＳｉＯ２の界面に窒素層を形成する場合、膜自体の固有特性は向上するが、窒素濃度に比例してトラップ電荷(trap charge)の濃度が増加し、その下部に形成されるトランジスタのチャネルにおいてキャリアの移動度に影響を与え、トランジスタのしきい値電圧を変化させる。
【０００６】
特に、ＮＭＯＳの場合、オキシナイトライド膜をトンネル酸化膜として用いると、Ｓｉ−ＳｉＯ２の界面の窒素濃度が僅か１atom％であっても、しきい値電圧が純粋シリコン酸化膜に比べて１００ｍＶ以上低下してトランジスタ特性の確保に難しさが伴う。
【０００７】
図１は純粋シリコン酸化膜又はオキシナイトライド膜を誘電体膜として用いたトランジスタにおけるしきい値電圧の差を示すグラフである。図１において、ａは純粋シリコン酸化膜を誘電膜として用いた場合であり、ｂ及びｃはオキシナイトライド膜を誘電膜として用いた場合である。図１から分かるように、オキシナイトライド膜をトンネル酸化膜として用いると、Ｓｉ−ＳｉＯ２界面の窒素濃度が１．４３７atom％程度の場合、しきい値電圧が純粋シリコン酸化膜に比べて１１０ｍＶ程度低下する。
【０００８】
本発明の目的は、純粋シリコン酸化膜から得られる膜の特性より著しく向上した膜特性を確保することができ、トラップ電荷によるトランジスタのしきい値電圧の変化を最小化することが可能なオキシナイトライド膜の形成方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明は、シリコン基板を酸化炉内にロードする段階と、前記酸化炉内に酸素系ソースガスを注入して前記シリコン基板上に純粋シリコン酸化膜を成長させる段階と、前記酸素系ソースガスの注入を遮断し、不活性ガスを注入して、前記酸化炉内に残留する前記酸素系ソースガスを排気させる段階と、前記酸化炉内の温度を窒化工程温度まで上昇させる段階と、前記酸化炉内の温度を安定化させる段階と、窒素系ソースガスを注入して前記純粋シリコン酸化膜に対して窒化工程を行う段階と、前記窒素系ソースガスの注入を遮断し、前記酸化炉内に不活性ガスを注入しながら前記酸化炉を急速冷却させる段階とを含むオキシナイトライド膜の形成方法を提供する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係るオキシナイトライド膜の形成方法によれば、フラッシュメモリ素子のトンネル酸化膜の製造工程、その他メモリ又は論理素子のゲート酸化膜の製造工程に、本発明で提案したオキシナイトライド膜の形成方法を適用する場合、従来の純粋シリコン酸化膜から得られる膜の特性より著しく向上した膜特性を確保することができ、既存のオキシナイトライド膜の短所、すなわちトラップ電荷によるトランジスタのしきい値電圧の変化を最小化することができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、添付図面を参照して本発明に係るオキシナイトライド膜の形成方法の好適な実施例を詳細に説明する。ところが、下記の実施例は、当技術分野で通常の知識を有する者に本発明を十分理解させるために提供されるもので、様々な変形が可能であり、本発明の範囲を限定するものではない。
【００１２】
図２はシリコン基板上にシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）膜が形成されたことを示す図である。図３は窒化工程を行ってＳｉ−ＳｉＯ２の界面に窒素が安定的に置換されたことを示す図である。図４は窒化工程の後、Ｓｉ−ＳｉＯ２の界面にトラップ電荷が形成されたことを示す図である。図５は熱処理の後、トラップ電荷が除去され、窒素が安定的に置換されていることを示す図である。
【００１３】
図２乃至図５を参照すると、Ｓｉ−ＳｉＯ２界面の窒素濃度が増加するほどトラップ電荷密度が増加する理由は、窒化工程の際、純粋シリコン酸化膜に浸透した窒素がＳｉ−ＳｉＯ２の界面でＳｉ−Ｏのボンディングの代りにＳｉ−Ｎのボンディングを実現する間に発生するストレスにより、界面トラップ電荷(interfacial trap charge)が発生するためである。従って、Ｓｉ−ＳｉＯ２界面のトラップ電荷を最小化するためには、窒素がＳｉ−ＳｉＯ２の界面でシリコン及び酸素と結合する間に発生するストレスを最大限減少させることが可能な方法を適用すればよい。
【００１４】
本発明では、かかる問題点を解決するために、窒化工程時の熱処理工程条件を調節し、或いは窒化工程後に後続の熱処理工程を適用することにより、ストレスを弛緩させる方法を使用する。
【実施例１】
【００１５】
まず、窒化工程時の熱処理工程条件を調節する方法について説明する。さらに、図２及び図３を参照すると、Ｓｉ−ＳｉＯ２の界面に窒素が注入される際に発生するストレスを弛緩させるためには、ＳｉＯ２膜の粘性流れ(viscous flow)が起こり得る温度、即ち９５０℃以上の温度（窒化工程温度）を保たなければならない。それ以上の温度で窒化工程を行う場合、Ｓｉ−Ｏのボンディングで窒素が置換されても、隣接したＳｉＯ２膜の流動性によってストレスが弛緩してトラップ電荷の発生を根源的に予防することになる。
【００１６】
一方、９５０℃以上の高温で窒化工程を行う際、窒素系ソースガスのＮＨ３、Ｎ２ＯまたはＮＯガスのみを使用すると、Ｓｉ-ＳｉＯ２の界面に期待する濃度の窒素量を注入し、或いは窒素に富む酸化膜の厚さを調節することが難しいので、不活性気体のＡｒ又はＮ２ガスを窒素系ソースガスと適切な割合で混合して注入すれば、解決可能である。
【００１７】
より具体的に説明すると、まず、シリコン基板を酸化炉内にロードした後、その酸化炉内に酸素系ソースガスを注入してシリコン基板上に酸化炉内で所望するだけの純粋シリコン酸化膜を成長させる。前記純粋シリコン酸化膜は７５０℃〜８００℃程度の温度でウェット酸化を行って形成することができる。酸化工程の後、酸素系ソースガスの注入を遮断し、不活性ガスを酸化炉の内部に注入させて、酸化炉内に残留する残留酸化剤（酸素系ソースガス）を全て排気させる。
【００１８】
不活性ガスを保持して所望しない酸化膜の成長を防止した状態で窒化工程のために、酸化炉内の温度を窒化工程温度となる９５０℃以上の温度まで上昇させる。窒化工程のための酸化炉内の温度が安定化されると、窒素系ソースガスを酸化炉の内部に注入して、純粋シリコン酸化膜に対して窒化工程を行う。
【００１９】
この際、窒素系ソースガスとしてはＮＨ３、Ｎ２Ｏ又はＮＯガスなどを使用することができ、Ｓｉ−ＳｉＯ２の界面に、希望する窒素濃度又は窒素に富む酸化膜を成長させるためにはＡｒ又はＮ２ガスなどの不活性ガスで希釈して使用することも可能である。
【００２０】
窒化工程が完了すると、窒素系ソースガスの注入を遮断し、酸化炉の内部に純粋な不活性ガスのみを注入した状態で出来る限り速い速度で酸化炉を冷却させる。即ち、酸化炉内に不活性ガスを注入しながら該酸化炉を急速冷却させる。
【００２１】
この際の冷却速度は、ウェーハに物理的な撓み現象を起こさない水準であって、なるべく速いほどよい。酸化炉の冷却速度が速いほど、トラップ電荷の再生成を防止するのに効果的である。ここで、工程構成上の必要により、酸化炉で純粋シリコン酸化膜を成長させた後、窒化工程を別途の装備で前記の手続きによって実施してもよい。
【実施例２】
【００２２】
次に、窒化工程の後、後続の熱処理工程を適用する方法について説明する。図４及び図５を参照すると、窒化工程で既に発生したトラップ電荷を後続のアニールで除去する方法により、窒化工程温度以上の温度で不活性ガス（例えば、Ａｒ、Ｎ２ガスなど）を注入してアニールする場合、窒素置換により不安定な格子構造を有するＳｉ−ＳｉＯ２の界面が安定した格子構造に再編され、既に発生したトラップ電荷も消滅する。
【００２３】
より具体的に説明すると、まず、前述の実施例１と同様に、酸化炉の内部で所望するだけの純粋シリコン酸化膜を成長させる。前記純粋シリコン酸化膜は７５０℃〜８００℃程度の温度でウェット酸化を行って形成することができる。酸化工程の後、酸素系ソースガスを遮断し、不活性ガスを酸化炉の内部に注入させて残留酸化剤を全て排気させる。
【００２４】
不活性ガス雰囲気を保持して所望しない酸化膜の成長を防止した状態で窒化工程のために温度を安定化させる。この際、窒化工程の温度は、前記実施例１とは異なり、下限温度の制約はなく、希望する窒化工程水準を確保するために必要な温度であればよく、一般に８００℃以上であれば可能である。即ち、窒化工程は８００℃よりは高い温度で行う。
【００２５】
窒化工程のための温度が安定化されると、窒素系ソースガスを酸化炉の内部に注入して窒化工程を行う。この際、窒素系ソースガスとしてはＮＨ３、Ｎ２Ｏ又はＮＯガスなどを使用することができ、Ｓｉ−ＳｉＯ２の界面に、希望する窒素濃度又は窒素に富む酸化膜を成長させるためにはアルゴン（Ａｒ）又はＮ２ガスなどの不活性ガスで希釈して使用することも可能である。
【００２６】
窒化工程が完了すると、酸化炉を冷却させる前に、窒素系ソースガスの注入を遮断し、酸化炉の内部に純粋な不活性ガスのみを注入した状態で、酸化炉の温度を窒化工程を行った温度よりも高い温度であるアニール工程の温度まで上昇させる。
【００２７】
この際、アニール工程の温度は窒化工程温度以上の温度で行えばよく、温度を高く保持することでトラップ電荷の除去効果に優れるが、素子に及ぼすサーマルバジェット(thermal budget)を考慮して適切に調節する。
【００２８】
アニール工程はＡｒ又はＮ２ガスのような不活性雰囲気中で行う。この工程が完了すると、出来る限り速い速度で酸化炉を冷却させる。この際の冷却速度は、ウェーハに物理的な撓み現象を起こさない水準であって、なるべく速いほどよい。酸化炉の冷却速度が速いほど、トラップ電荷の再生成を防止するのに効果的である。ここで、工程構成上の必要により、酸化炉で純粋シリコン酸化膜を成長させた後、窒化工程を別途の装備で前記の手続きによって実施してもよい。
【００２９】
以上、本発明を好適な実施例によって詳細に説明したが、本発明は、これらの実施例に限定されるものではなく、本発明の技術的思想から逸脱しない範囲内で当該分野で通常の知識を有する者によって様々な変形が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明の活用例として、フラッシュメモリ素子のトンネル酸化膜の製造工程、その他メモリ又は論理素子のゲート酸化膜の製造工程に、本発明で提案したオキシナイトライド膜の形成方法を適用することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】純粋シリコン酸化膜又はオキシナイトライド膜を誘電体膜として用いたトランジスタにおけるしきい値電圧の差を示すグラフである。
【図２】シリコン基板上にシリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）が形成されたことを示す図である。
【図３】窒化工程を行ってＳｉ−ＳｉＯ２の界面に窒素が安定的に置換されたことを示す図である。
【図４】窒化工程の後、Ｓｉ−ＳｉＯ２の界面にトラップ電荷が形成されたことを示す図である。
【図５】熱処理の後、トラップ電荷が除去され、窒素が安定的に置換されていることを示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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