(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒素含有気体雰囲気中に波長１７２ｎｍ〜１２６ｎｍの真空紫外光を照射することにより前記窒素含有気体を分解して被膜形成基板の表面に吸着させると共に、前記被膜形成基板表面に吸着した気体分子に真空紫外光を照射することによって表面反応を生じさせて前記被膜形成基板表面の窒化を行う被膜窒化方法であって、前記窒素含有気体を分解、吸着するための真空紫外光として、１７２ｎｍの真空紫外光を使用すると共に、前記表面反応を生じさせるための真空紫外光として１２６ｎｍの真空紫外光を使用することを特徴とする被膜窒化方法。
【請求項２】
窒素含有気体雰囲気中に波長１７２ｎｍ〜１２６ｎｍの異なる２つの波長の真空紫外光を照射することにより前記窒素含有気体を分解して被膜形成基板の表面に吸着させると共に、前記被膜形成基板表面に吸着した気体分子に真空紫外光を照射することによって表面反応を生じさせて前記被膜形成基板表面の窒化を行う被膜窒化方法であって、前記窒素含有気体を分解、吸着するために予め設定された波長の第１の真空紫外光を使用すると共に、前記表面反応を生じさせるために前記第１の真空紫外光よりも波長の短い第２の真空紫外光を使用することを特徴とする被膜窒化方法。
【請求項３】
前記被膜形成基板が加熱されずに室温で前記真空紫外光が照射されることを特徴とする請求項１または２に記載の被膜窒化方法。
【請求項４】
前記窒素含有気体としてアンモニアを使用することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の被膜窒化方法。
【請求項５】
アモルファスシリコンを最表面に存在させた前記被膜形成基板を使用することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の被膜窒化方法。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載の被膜窒化方法により被膜表面が窒化された被膜形成基板。
【請求項７】
ゲート電極の絶縁膜表面を窒化させた電界効果トランジスタにより構成された請求項６に記載の被膜形成基板。
【請求項８】
被膜形成基板が配置されるチャンバと、
前記チャンバ内に窒素含有気体を供給する窒素含有気体供給装置と、
前記窒素含有気体雰囲気中に１７２ｎｍの真空紫外光を照射することにより前記窒素含有気体を分解して前記被膜形成基板の表面に吸着させる分解吸着用真空紫外光照射装置と、気体分子が吸着した前記被膜形成基板に１２６ｎｍの真空紫外光を照射することにより表面反応を生じさせて窒化させる窒化処理用真空紫外光照射装置と、を有する真空紫外光照射装置と、
を備えたことを特徴とする窒化処理装置。
【請求項９】
被膜形成基板が配置されるチャンバと、
前記チャンバ内に窒素含有気体を供給する窒素含有気体供給装置と、
前記窒素含有気体雰囲気中に予め設定された波長の第１の真空紫外光を照射することにより前記窒素含有気体を分解して前記被膜形成基板の表面に吸着させる分解吸着用真空紫外光照射装置と、気体分子が吸着した前記被膜形成基板に前記第１の真空紫外光の波長よりも短い第２の真空紫外光を照射することにより表面反応を生じさせて窒化させる窒化処理用真空紫外光照射装置と、を有する真空紫外光照射装置と、
を備えたことを特徴とする窒化処理装置。
【請求項１０】
前記被膜形成基板が加熱されずに室温で前記真空紫外光が照射されることを特徴とする請求項８または９に記載の窒化処理装置。
【請求項１１】
アモルファスシリコンを最表面に存在させた前記被膜形成基板を使用することを特徴とする請求項８ないし１０のいずれかに記載の窒化処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板表面の被膜を窒化する被膜窒化方法、前記被膜窒化方法により窒化された被膜を有する被膜形成基板および前記被膜を窒化する窒化処理装置に関する。本発明は、トランジスタ等を含む集積回路（ＩＣ）や高密度集積回路（ＬＳＩ）、超ＬＳＩ等のゲート酸化膜（被膜）表面を窒化させる場合に好適に使用可能である。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造プロセスでは、その製造工程中に、ウェハの表面に種々の化学反応を生じさせて処理を行うことにより、多数の電子素子を作製してＩＣ（Integrated  Circuit、集積回路）やＬＳＩ（Large-scale  Integrated  Circuit、高密度集積回路、大規模集積回路）、超ＬＳＩを作製している。近年、超ＬＳＩ等の高密度化、高性能化に伴い、電子素子としてのＦＥＴ（電界効果トランジスタ）等では、ゲート電極のゲート酸化膜（ＳｉＯ２等）が薄くなっている。特に、次世代超高密度ＩＣでは、１０ｎｍ未満のゲート酸化膜が使用される予定である。
このような薄い酸化珪素の膜は、本来、その上下の層の半導体を絶縁する目的で使用されるが、あまりに薄くなると、上下の層に添加されたキャリア元素（ドナーやアクセプタ、特にホウ素（Ｂ））がこの膜を通ってドリフト（物質内を移動）してしまうという問題が生じる。
【０００３】
そこで、酸化珪素（ＳｉＯ２）よりもこれらの元素の通過を阻止する性能が強い窒化物薄膜の使用が検討されている。シリコンおよび窒素を含有する膜自体を形成する技術として、特許文献１（特開平８−８８２２２号公報）、特許文献２（特開２００４−１２８１９５号公報）、特許文献３（特開２００３−３４７２９６号公報）、特許文献４（特開２００１−２７４１５６号公報）記載の技術が知られている。
しかし、窒化物は下地材料（シリコン等）との整合性が悪いため、下地材料との接合部には酸化珪素の薄膜を使用し、その表面側のみ（最表面側の約１〜３ｎｍ程度）のみに窒素あるいは窒化物を多く存在させる二重構造の酸窒化膜の形成が望まれている。
【０００４】
このような二重構造（二層構造）の酸窒化膜を形成するための技術として、熱窒化法のように、窒素雰囲気中で酸化膜を有する基板を加熱して酸化膜を窒化する技術が知られている。このように基板を加熱して窒化する技術としては、例えば、特許文献５（特開平５−３６８９９号公報）、特許文献６（特開平５−５５１９８号公報）、特許文献７（特開２００３−１０９９５４号公報）等記載の技術が従来公知である。
また、窒素雰囲気中でプラズマを発生させてプラズマのエネルギーを利用して酸化膜を窒化するプラズマ窒化法（例えば、特許文献８（特開平５−２１１２４２号公報）、特許文献９（特開平９−１１６１６２号公報）、特許文献１０（特開２０００−２１６１５４号公報）等参照）も従来公知である。
【０００５】
【特許文献１】特開平８−８８２２２号公報
【特許文献２】特開２００４−１２８１９５号公報
【特許文献３】特開２００３−３４７２９６号公報
【特許文献４】特開２００１−２７４１５６号公報
【特許文献５】特開平５−０３６８９９号公報
【特許文献６】特開平５−０５５１９８号公報
【特許文献７】特開２００３−１０９９５４号公報
【特許文献８】特開平５−２１１２４２号公報
【特許文献９】特開平９−１１６１６２号公報
【特許文献１０】特開２０００−２１６１５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
（従来技術の問題点）
前記熱窒化法では、加熱された基板に熱によるダメージが発生するという問題がある。また、熱窒化法では、薄い膜の全体に窒素が分布してしまい、下地材料との整合性が悪化したり、下地材料に窒素が進入して電流駆動能力が低下する等の悪影響がでるおそれがある。
また、前記プラズマ窒化法では、プラズマによるダメージが発生するという問題がある。
【０００７】
本発明は、前述の事情に鑑み、基板にダメージを与えることなく基板の最表面を窒化させることを第１の技術的課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（第１発明）
前記技術的課題を解決するために第１発明の被膜窒化方法は、
窒素含有気体雰囲気中に波長１７２ｎｍ〜１２６ｎｍの真空紫外光を照射することにより前記窒素含有気体を分解して被膜形成基板の表面に吸着させると共に、前記被膜形成基板表面に吸着した気体分子に真空紫外光を照射することによって表面反応を生じさせて前記被膜形成基板表面の窒化を行う被膜窒化方法であって、前記窒素含有気体を分解、吸着するための真空紫外光として、１７２ｎｍの真空紫外光を使用すると共に、前記表面反応を生じさせるための真空紫外光として１２６ｎｍの真空紫外光を使用することを特徴とする。
【０００９】
（第１発明の作用）
前記構成要件を備えた第１発明の被膜窒化方法では、窒素含有気体雰囲気中に波長１７２ｎｍ〜１２６ｎｍの真空紫外光を照射することにより、前記窒素含有気体が分解されて被膜形成基板の表面に吸着される。前記被膜形成基板表面に吸着した気体分子に真空紫外光を照射することによって表面反応が発生して前記被膜形成基板表面が窒化される。
したがって、第１発明の被膜窒化方法では、窒素含有気体雰囲気中で真空紫外光を照射することで被膜形成基板表面を窒化することができるので、基板を加熱したり、プラズマを発生させる必要が無くなる。この結果、基板にダメージを与えることなく基板の最表面を窒化することができる。
また、第１発明の被膜窒化方法では、１７２ｎｍの真空紫外光を使用して前記窒素含有気体を分解、吸着する。１２６ｎｍの真空紫外光を使用して前記表面反応を生じさせる。したがって、効率よく分解、吸着および表面反応を行うことができ、窒化の効率を高めることができる。
【００１０】
（第２発明）
前記技術的課題を解決するために、第２発明の被膜窒化方法は、
窒素含有気体雰囲気中に波長１７２ｎｍ〜１２６ｎｍの異なる２つの波長の真空紫外光を照射することにより前記窒素含有気体を分解して被膜形成基板の表面に吸着させると共に、前記被膜形成基板表面に吸着した気体分子に真空紫外光を照射することによって表面反応を生じさせて前記被膜形成基板表面の窒化を行う被膜窒化方法であって、前記窒素含有気体を分解、吸着するために予め設定された波長の第１の真空紫外光を使用すると共に、前記表面反応を生じさせるために前記第１の真空紫外光よりも波長の短い第２の真空紫外光を使用することを特徴とする。
【００１１】
（第２発明の作用）
前記構成要件を備えた第２発明の被膜窒化方法では、窒素含有気体雰囲気中に、予め設定された波長の第１の真空紫外光を照射することにより、前記窒素含有気体が分解されて被膜形成基板の表面に吸着される。前記被膜形成基板表面に吸着した気体分子に、前記第１の真空紫外光よりも波長の短い第２の真空紫外光を照射することによって表面反応が発生して前記被膜形成基板表面が窒化される。
したがって、第１発明の被膜窒化方法では、窒素含有気体雰囲気中で真空紫外光を照射することで被膜形成基板表面を窒化することができるので、基板を加熱したり、プラズマを発生させる必要が無くなる。この結果、基板にダメージを与えることなく基板の最表面を窒化することができる。
また、第１発明の被膜窒化方法では、異なる２つの波長の真空紫外光を使用しており、効率よく分解、吸着および表面反応を行うことができ、窒化の効率を高めることができる。
【００１２】
（発明の形態１）
発明の形態１の被膜窒化方法は、第１発明または第２発明において、
前記被膜形成基板が加熱されずに室温で前記真空紫外光が照射されることを特徴とする。
（発明の形態１の作用）
前記構成を備えた発明の形態１の被膜窒化方法では、被膜形成基板が加熱されておらず、熱による悪影響を抑えることができる。
【００１３】
（発明の形態２）
発明の形態２の被膜窒化方法は、前記第１発明、第２発明および発明の形態１のいずれかにおいて、
前記窒素含有気体としてアンモニアを使用することを特徴とする。
（発明の形態２の作用）
前記構成要件を備えた発明の形態２の被膜窒化方法では、窒素含有気体としてアンモニアを使用でき、真空紫外光により分解されるアンモニアを利用して被膜形成基板の窒化を行うことができる。
【００１４】
（発明の形態３）
発明の形態３の被膜窒化方法は、前記第１発明および第２発明、発明の形態１，２のいずれかにおいて、
アモルファスシリコンを最表面に存在させた前記被膜形成基板を使用することを特徴とする。
（発明の形態３の作用）
前記構成要件を備えた発明の形態３の被膜窒化方法では、前記被膜形成基板の最表面にアモルファスシリコンが存在するので、被膜形成基板の最表面を効率良く窒化できる。
【００１５】
（第３発明）
前記技術的課題を解決するために、第３発明の被膜形成基板は、前記第１発明および第２発明、発明の形態１〜３のいずれかに記載の被膜窒化方法により被膜表面が窒化されたことを特徴とする。
（第３発明の作用）
前記構成要件を備えた第３発明の被膜形成基板では、第１発明および第２発明、発明の形態１〜３のいずれかに記載の被膜窒化方法により被膜表面が窒化されているので、熱やプラズマ等によるダメージが無く、最表面が窒化されている。したがって、熱やプラズマ等によるダメージがないので、基板を超寿命化することができる。
【００１６】
（第３発明の形態１）
第３発明の形態１の被膜形成基板は、前記第３発明において、
ゲート電極の絶縁膜表面を窒化させた電界効果トランジスタにより構成されたことを特徴とする。
（第３発明の形態１の作用）
前記構成要件を備えた第３発明の形態１の被膜形成基板では、ゲート電極の絶縁膜表面を窒化させた電界効果トランジスタを作製できる。
【００１７】
（第４発明）
前記技術的課題を解決するために、第４発明の窒化処理装置は、
被膜形成基板が配置されるチャンバと、
前記チャンバ内に窒素含有気体を供給する窒素含有気体供給装置と、
前記窒素含有気体雰囲気中に１７２ｎｍの真空紫外光を照射することにより前記窒素含有気体を分解して前記被膜形成基板の表面に吸着させる分解吸着用真空紫外光照射装置と、気体分子が吸着した前記被膜形成基板に１２６ｎｍの真空紫外光を照射することにより表面反応を生じさせて窒化させる窒化処理用真空紫外光照射装置と、を有する真空紫外光照射装置と、
を備えたことを特徴とする。
【００１８】
（第４発明の作用）
前記構成要件を備えた第４発明の窒化処理装置では、窒素含有気体供給装置は、被膜形成基板が配置されるチャンバ内に窒素含有気体を供給する。真空紫外光照射装置の分解吸着用真空紫外光照射装置は、前記チャンバ内の窒素含有気体雰囲気中に波長１７２ｎｍの真空紫外光を照射することにより前記窒素含有気体を分解して前記被膜形成基板の表面に吸着させる。また、前記真空紫外光照射装置の窒化処理用真空紫外光照射装置は、前記被膜形成基板表面に吸着した前記被膜形成基板に１２６ｎｍの真空紫外光を照射することによって表面反応を生じさせて前記被膜形成基板表面を窒化する。よって、効率よく分解、吸着および表面反応を行うことができ、窒化の効率を高めることができる。
したがって、第４発明の窒化処理装置では、窒素含有気体雰囲気中で真空紫外光を照射することで被膜形成基板表面を窒化することができるので、基板を加熱したり、プラズマを発生させる必要が無くなる。この結果、基板にダメージを与えることなく基板の最表面を窒化することができる。
【００１９】
（第５発明）
前記技術的課題を解決するために、第５発明の窒化処理装置は、
被膜形成基板が配置されるチャンバと、
前記チャンバ内に窒素含有気体を供給する窒素含有気体供給装置と、
前記窒素含有気体雰囲気中に予め設定された波長の第１の真空紫外光を照射することにより前記窒素含有気体を分解して前記被膜形成基板の表面に吸着させる分解吸着用真空紫外光照射装置と、気体分子が吸着した前記被膜形成基板に前記第１の真空紫外光の波長よりも短い第２の真空紫外光を照射することにより表面反応を生じさせて窒化させる窒化処理用真空紫外光照射装置と、を有する真空紫外光照射装置と、
を備えたことを特徴とする。
【００２０】
（第５発明の作用）
前記構成要件を備えた第５発明の窒化処理装置では、窒素含有気体供給装置は、被膜形成基板が配置されるチャンバ内に窒素含有気体を供給する。真空紫外光照射装置の分解吸着用真空紫外光照射装置は、前記チャンバ内の窒素含有気体雰囲気中に予め設定された波長の真空紫外光を照射することにより前記窒素含有気体を分解して前記被膜形成基板の表面に吸着させる。また、前記真空紫外光照射装置の窒化処理用真空紫外光照射装置は、前記被膜形成基板表面に吸着した前記被膜形成基板に前記第１の真空紫外光の波長よりも短い第２の真空紫外光を照射することによって表面反応を生じさせて前記被膜形成基板表面を窒化する。よって、効率よく分解、吸着および表面反応を行うことができ、窒化の効率を高めることができる。
したがって、第５発明の窒化処理装置では、窒素含有気体雰囲気中で真空紫外光を照射することで被膜形成基板表面を窒化することができるので、基板を加熱したり、プラズマを発生させる必要が無くなる。この結果、基板にダメージを与えることなく基板の最表面を窒化することができる。
【００２１】
（発明の形態４）
発明の形態４の窒化処理装置は、第４発明または第５発明において、
前記被膜形成基板が加熱されずに室温で前記真空紫外光が照射されることを特徴とする。
（発明の形態４の作用）
前記構成要件を備えた発明の形態４の窒化処理装置では、被膜形成基板が加熱されておらず、熱による悪影響を抑えることができる。
【００２２】
（発明の形態５）
発明の形態５の窒化処理装置は、前記第４発明および第５発明、発明の形態４のいずれかにおいて、
アモルファスシリコンを最表面に存在させた前記被膜形成基板を使用することを特徴とする。
（発明の形態５の作用）
前記構成要件を備えた発明の形態５の窒化処理装置では、アモルファスシリコンを最表面に存在させた前記被膜形成基板を使用するので、被膜形成基板の窒化を効率よく行うことができる。
【発明の効果】
【００２３】
前述の本発明は、基板にダメージを与えることなく基板の最表面を窒化させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
次に図面を参照しながら、本発明の実施の形態を説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではない。
（実施の形態１）
（窒化処理装置の説明）
図１は本発明の窒化処理装置の実施の形態１の説明図である。
図２は実施の形態１の被膜形成基板としてのＭＯＳＦＥＴの説明図であり、図２Ａはゲート酸化膜表面が窒化される前の基板の説明図、図２Ｂはゲート酸化膜表面が窒化された状態の説明図、図２Ｃはゲート電極が形成された状態の説明図である。
図１に示す実施の形態１の窒化処理装置Ｕは、被膜形成基板Ｋが収容される基板収容室（チャンバ）Ａを有する。前記基板収容室Ａには、内部の気体を排気する排気装置Ｆ１と、内部に窒素含有気体としてのアンモニアを供給するアンモニア供給装置（窒素含有気体供給装置）Ｆ２とが接続されている。
基板収容室Ａの内部には基板支持部材１が配置されており、基板支持部材１の上面には被膜形成基板Ｋが着脱可能に支持されている。実施の形態１の被膜形成基板Ｋは、シリコン（Ｓｉ）の下地層Ｋ１の表面に二酸化シリコン（ＳｉＯ２）のゲート酸化膜（被膜）Ｋ２が形成されている。実施の形態１では、ゲート酸化膜Ｋ２は、その最表面に形成されたアモルファスシリコン（α−Ｓｉ）薄膜Ｋ２ａを有している。そして、シリコン下地層Ｋ１の上部のゲート酸化膜Ｋ２の両側にはソース電極Ｋｓおよびドレイン電極Ｋｄが形成されている（図２参照）。
基板収容室Ａの外壁には図示しない開口が形成されており、前記開口を外部連通状態とすることにより、前記基板収容室Ａ内と外部との間で基板支持部材１および被膜形成基板Ｋの交換作業を行うことができる。
【００２５】
図３は本発明の実施の形態１の窒化の過程を説明する説明図である。
前記基板収容室Ａの上部には、基板収容室Ａ内および被膜形成基板Ｋに真空紫外光を照射する真空紫外光照射装置２が支持されている。前記真空紫外光照射装置２は、分解吸着用真空紫外光照射装置としてのキセノンエキシマランプ２ａと、窒化処理用真空紫外光照射装置としてのアルゴンエキシマランプ２ｂとを有する。前記キセノンエキシマランプ２ａは、被膜形成基板Ｋに対して傾斜して配置され、基板収容室Ａ内に波長１７２ｎｍの真空紫外光を供給して、基板収容室Ａ内のアンモニアを分解し、分解されたアンモニアを被膜形成基板Ｋの表面に吸着させる（図３参照）。前記アルゴンエキシマランプ２ｂは、被膜形成基板Ｋに対向して配置され、被膜形成基板Ｋに波長１２６ｎｍの真空紫外光を供給して、被膜形成基板Ｋのアモルファスシリコン薄膜Ｋ２ａで表面反応を発生させて窒化させる（図３参照）。この結果、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）Ｋ２の最表面（α−Ｓｉ）Ｋ２ａが窒化され、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）薄膜Ｋ３が形成される。
図２Ｂ，図２Ｃにおいて、被膜形成基板Ｋの酸窒化シリコン薄膜Ｋ３の表面にはゲート電極Ｋｄが形成されて、ＭＯＳＦＥＴ（Metal  Oxide  Semiconductor  Field  Effect  Transistor）が作製される。
【００２６】
（薄膜の窒化の実験およびその評価）
図４は薄膜の窒化の実験装置および実験条件の説明図である。
次に、図４に示す実験装置を使用して、前記真空紫外光を利用した被膜形成基板Ｋ表面の窒化の実験を行った。
図４において、実験装置１１は、前記実施の形態１の窒化処理装置Ｕにおいて、真空紫外光照射装置２のキセノンエキシマランプ２ａが省略され、アルゴンエキシマランプ２ｂのみを使用する装置である。なお、実験装置１１では、前記アルゴンエキシマランプ２ｂの窓材１２としてＭｇＦ２（フッ化マグネシウム）を使用した。前記実験装置１１を使用して、以下の実験条件で実験を行った。
【００２７】
（共通実験条件）
窒素源…アンモニア（ＮＨ３）。
真空紫外光の照射時間…６０分。
基板…シリコン下地層の表面に熱酸化により形成されたＳｉＯ２膜（熱酸化薄膜、Ｔｈ−ＳｉＯ２薄膜）を形成した基板。
評価装置…ＳＩＭＳ（Secondary  Ionization  Mass  Spectrometer：二次イオン質量分析計）
【００２８】
（実験例１−１）
実験例１−１では、前記共通実験条件の下、チャンバＡの圧力を１００Ｐａ、基板温度を室温（ＲＴ）として実験を行った。
（実験例１−２）
実験例１−２では、前記共通実験条件の下、チャンバＡの圧力を２００Ｐａ、基板温度を室温（ＲＴ）として実験を行った。
（実験例１−３）
実験例１−３では、前記共通実験条件の下、チャンバＡの圧力を１００Ｐａ，基板温度を１００℃として実験を行った。
【００２９】
（窒化の実験の結果）
図５は薄膜の窒化の実験結果の説明図であり、横軸に最表面からの深さ、縦軸に水素および窒素の濃度とシリコンおよび酸素の二次イオン強度とをとったグラフである。
図５において、実験例１−１〜１−３において、いずれも、ＳｉＯ２膜の最表面側（深さ０ｎｍの近傍）に窒素が多く存在することが確認され、窒化が行われていることが確認された。前記実験例１−１〜１−３の結果から、最表面における窒素の濃度いずれも１０２０〜１０２１［atoms／cm３］程度（１％程度）であり、チャンバＡの圧力や、基板の温度による窒化の効率はほとんど変化が無いことが確認された。しかし、窒素はごく最表面のみに存在し、内部はほとんど窒化されていないため、吸着の高効率化が必要であることがわかった。
【００３０】
（分解、吸着反応および表面反応の解析実験）
図６はアンモニアの分解および吸着実験の実験装置と実験条件の説明図である。
次に、図６に示す実験装置を使用して、真空紫外光の違いによるアンモニアの分解、吸着反応や表面反応（窒化）の実験を行った。
図６において、実験装置２１は、基板Ｋに対向した位置であって、アンモニアの分解反応の実験を行うためのポジションＢと、基板Ｋに対して傾斜した位置であって、基板に吸着した分子の反応の実験を行うためのポジションＡと、を有する。そして、実験装置２１では、チャンバＡには、解析装置としてのＦＴ−ＩＲ（Fourier-transform  Infrared  Spectroscopy：フーリエ変換赤外分光法）解析装置２２が設置されており、分解反応測定用光路２２ａまたは吸着反応測定用光路２２ｂを通過した赤外光を検出器２２ｃで検出する。なお、実験装置２１では、検出器２２ｃの赤外光を透過させる窓材２２ｄとしてＫＢｒ（臭化カリウム）を使用している。また、実験装置２１では、アンモニア供給装置Ｆ２の供給路Ｆ２ａには、ピラニ真空計２３が接続されている。
【００３１】
（共通実験条件）
窒素源…アンモニア（ＮＨ３）。
チャンバＡ内の圧力…１０Torr。
真空紫外光の照射時間…０分〜６０分。
基板…シリコン下地層の表面に熱酸化により形成されたアモルファス状の二酸化シリコン膜（熱酸化薄膜）を形成した基板。
評価装置…ＦＴ−ＩＲ
（分解反応の実験例）
（実験例２−１）
実験例２−１では、前記共通実験条件の下、アルゴンエキシマランプ（波長１２６ｎｍ）を使用してアンモニアの分解反応の測定を行った。
（実験例２−２）
実験例２−２では、前記共通実験条件の下、キセノンエキシマランプ（波長１７２ｎｍ）を使用してアンモニアの分解反応の測定を行った。
【００３２】
（分解、吸着反応の実験結果）
図７はアンモニアの分解、吸着反応の実験結果の説明図であり、図７Ａは実験例２−１において横軸に波数をとり縦軸に吸光度をとったＦＴ−ＩＲの実験結果のグラフ、図７Ｂは図７Ａの結果から特定の波数に関して横軸に照射時間をとり縦軸に正規化された吸光度を取った実験結果のグラフ、図７Ｃは実験例２−２において図７Ｂと同様に横軸に照射時間をとり縦軸に正規化された吸光度を取った実験結果のグラフである。
図７において、前記実験例２−１および実験例２−２の結果から、照射開始から照射後３分までの間では、図７Ｂ、図７Ｃに示すように、グラフの傾きが大きく減少しているので、活発にアンモニアが分解され、基板に吸着していることが確認された。そして、照射開始から３分以降では、実験例２−１、２−２で共に分解速度が低下する（グラフの傾きが小さくなる）ことが確認された。しかし、図７Ｂ、図７Ｃにおいて、全対称振動の波数（９６５ｃｍ-1、３３３２ｃｍ-1）を参照すると、実験例２−２（キセノンエキシマランプ）の方が実験例２−１（アルゴンエキシマランプ）よりも分解、吸着速度が高いことが確認された。
【００３３】
（表面反応の実験例）
（実験例３−１）
実験例３−１では、前記共通実験条件の下、キセノンエキシマランプ（波長１７２ｎｍ）を使用して基板表面に吸着された分子の測定を行った。
（実験例２−２）
実験例２−２では、前記共通実験条件の下、アルゴンエキシマランプ（波長１２６ｎｍ）を使用して基板表面に吸着された分子の測定を行った。
【００３４】
（表面反応の実験結果）
図８は横軸に波数、縦軸に吸光度をとった実験例３の実験結果の説明図であり、図８Ａは実験例３−１の実験結果のグラフ、図８Ｂは実験例３−２の実験結果のグラフである。
図８Ａにおいて、キセノンエキシマランプを使用した実験例３−１では、照射開始１分後には、弱く分解されたアンモニアが基板表面に吸着した場合に測定される波数（１２００ｃｍ−１近傍）の位置にピークが検出され、分解されたアンモニアが基板に吸着していることが確認された。すなわち、図３に示すように、Ｒ−Ｎ−Ｈ２（Ｒは吸着されたＳｉ等）が確認された。しかし、その後は鋭いピークが検出されているため、基板表面のアモルファス状のＳｉＯ２との反応がほとんど進んでいないことが確認された。
【００３５】
一方、図８Ｂにおいて、アルゴンエキシマランプを使用した実験例３−２では、照射開始５分後よりピークが観測され始め、実験例３−２の場合に比べ、吸着速度が遅いことが再確認された。しかし、実験例３−２では、ピークの形状が幅広くなだらかなピークであり、アモルファス状のＳｉＯ２との反応が進んでいることが確認された。
したがって、前記実験例２−１，２−２および実験例３−１，３−２より、アンモニアの分解、吸着速度はキセノンエキシマランプを使用した方が効率が良く、吸着した分子とＳｉＯ２薄膜との表面反応はアルゴンエキシマランプを使用した方が効率が良いことがわかった。
【００３６】
（アモルファスの有無による窒化の評価実験）
次に、基板表面のゲート酸化膜を窒化する場合に、最表面にアモルファス状のシリコンＳｉを存在させるか否かによりどのような結果が得られるかについて実験を行った。
（実験例４−１）
実験例４−１では、実験例１と同様に、アンモニア雰囲気中でＳｉＯ２の表面に真空紫外光を照射して窒化させる実験を行った。
（実験例４−２）
実験例４−２では、ＳｉＯ２膜の表面にアモルファスシリコン（α−Ｓｉ）の薄膜を作製した基板を使用し、光源としてキセノンエキシマランプ、アンモニア流量を４５０ｓｃｃｍ、温度を室温（ＲＴ）、照射時間を３０分として窒化させる実験を行った。
（実験例４−３）
実験例４−３では、ＳｉＯ２膜の表面にアモルファスシリコン（α−Ｓｉ）の薄膜を作製した基板を使用し、光源を使用せず、アンモニア流量を１７０ｓｃｃｍ、温度を室温（ＲＴ）、照射時間を３０分として窒化させる実験を行った。
【００３７】
図９は実験例４−１の実験結果の説明図であり、横軸に最表面からの深さ、縦軸に水素、炭素および窒素の濃度とシリコンおよび酸素の二次イオン強度とをとったグラフである。
図１０は実験例４−２の実験結果の説明図であり、横軸に最表面からの深さ、縦軸に水素、炭素、窒素および酸素の濃度とシリコンの二次イオン強度とをとったグラフである。
図１１は実験例４−３の実験結果の説明図であり、横軸に最表面からの深さ、縦軸に水素、炭素、窒素および酸素の濃度とシリコンの二次イオン強度とをとったグラフである。
【００３８】
図９において、実験例４−１では、実験例１と同様に、最表面近傍では１０２０〜１０２１［atoms／cm３］前後と、多くの窒素を付与できるが、窒化が最表面近傍に限定される。
図１０において、実験例４−２では、アモルファスシリコンの薄膜では、薄膜の深さ全域に渡って１０２０前後の窒素を付与でき、ＳｉＯ２薄膜の表面にＳｉＯＮ（酸窒化シリコン）の薄膜を形成できる。このとき、ＳｉＯ２薄膜の窒素存在量は少なく、深部はほとんど窒化されていない。
図１１において、実験例４−３では、真空紫外光を照射していないので、窒素の存在量は１０１９前後と、実験例４−２に比べ１桁少なくなっている。
したがって、アモルファスシリコンを表面に存在させて、真空紫外光を照射することにより、高い濃度の酸窒化シリコン層（酸窒化シリコン薄膜）を作製することができる。
【００３９】
（実施の形態１の作用）
したがって、前記各実験例の結果および実施の形態１の構成より、希薄なアンモニア雰囲気中で真空紫外光を照射する実施の形態１の窒化処理装置Ｕでは、真空紫外光の照射によりアンモニアが分解され、基板Ｋ表面に吸着し、吸着した分子が真空紫外光の照射により基板Ｋの最表面が窒化される。特に、実施の形態１の窒化処理装置Ｕでは、アンモニアの分解、吸着速度が速いキセノンエキシマランプ２ａを分解吸着用真空紫外光照射装置として使用し、表面反応の速度が速いアルゴンエキシマランプ２ｂを窒化処理用真空紫外光照射装置として使用しているので、効率良くアンモニアの分解、吸着および表面反応を発生させることができ、高効率で窒化することができる。
また、実施の形態１の窒化処理装置Ｕでは、基板Ｋを加熱していないので低温で窒化を行うことができ、ドリフトの発生や熱ダメージの発生を抑えることができる。この結果、基板Ｋの長寿命化を図ることができる。また、高温やプラズマダメージを嫌う環境下において、窒化珪素（シリコン）薄膜を作製することができる。
【００４０】
さらに、実施の形態１の窒化処理装置Ｕでは、ＳｉＯ２のゲート酸化膜Ｋ２の最表面にアモルファスシリコン薄膜Ｋ２ａが形成されているので、アモルファスシリコン薄膜Ｋ２ａの最表面のみだけでなく全体に渡って効率よく窒化できる。このとき、極めて薄いゲート酸化膜Ｋ２の深部には影響をほとんど与えずに、表面側にのみ酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）の膜を作製できる。この結果、下地材料（ポリシリコン）との整合性の悪化も防止できる。また、アモルファスシリコン薄膜Ｋ２ａの厚みを調整することで、酸窒化シリコン膜の厚みを自由に設定することもできる。
【００４１】
(変更例)
以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内で、種々の変更を行うことが可能である。
例えば、前記実施の形態において、基板としてＭＯＳＦＥＴを例示したが、これに限定されず、絶縁膜が必要なＩＣやＬＳＩ、超ＬＳＩ、ＲＡＭ（Random  Access  Memory）、ＬＣＤ（Liquid  Crystal  Display）等の電子回路や電子機器、論理回路等に適用可能である。
また、前記実施の形態において、窒化の効率を高めるために真空紫外光照射装置として２つのエキシマランプを使用することが望ましいが、１つのエキシマランプとすることも可能である。なお、３つ以上のエキシマランプを使用することも可能である。
【００４２】
さらに、前記実施の形態において、アルゴンエキシマランプとキセノンエキシマランプを例示したが、これらに限定されず、クリプトン（Ｋｒ２）エキシマランプ（波長１４６ｎｍ）やアルゴンとキセノンの混合気体をエキシマガスとするエキシマランプ等従来公知の真空紫外光照射装置を使用することも可能であり、特に、波長が１７２ｎｍ以下のエキシマランプを使用することが好適である。
また、前記実施の形態において、窒化の効率を高めるために基板最表面にアモルファスシリコン薄膜Ｋ２ａを形成することが望ましいが、省略することも可能である。
なお、前記アンモニアの流量や、照射時間、薄膜Ｋ２，Ｋ２ａの厚さ等は設計に応じて任意に変更可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】図１は本発明の窒化処理装置の実施の形態１の説明図である。
【図２】図２は実施の形態１の被膜形成基板としてのＭＯＳＦＥＴの説明図であり、図２Ａはゲート酸化膜表面が窒化される前の基板の説明図、図２Ｂはゲート酸化膜表面が窒化された状態の説明図、図２Ｃはゲート電極が形成された状態の説明図である。
【図３】図３は本発明の実施の形態１の窒化の過程を説明する説明図である。
【図４】図４は薄膜の窒化の実験装置および実験条件の説明図である。
【図５】図５は薄膜の窒化の実験結果の説明図であり、横軸に最表面からの深さ、縦軸に水素および窒素の濃度とシリコンおよび酸素の二次イオン強度とをとったグラフである。
【図６】図６はアンモニアの分解および吸着実験の実験装置と実験条件の説明図である。
【図７】図７はアンモニアの分解、吸着反応の実験結果の説明図であり、図７Ａは実験例２−１において横軸に波数をとり縦軸に吸光度をとったＦＴ−ＩＲの実験結果のグラフ、図７Ｂは図７Ａの結果から特定の波数に関して横軸に照射時間をとり縦軸に正規化された吸光度を取った実験結果のグラフ、図７Ｃは実験例２−２において図７Ｂと同様に横軸に照射時間をとり縦軸に正規化された吸光度を取った実験結果のグラフである。
【図８】図８は横軸に波数、縦軸に吸光度をとった実験例３の実験結果の説明図であり、図８Ａは実験例３−１の実験結果のグラフ、図８Ｂは実験例３−２の実験結果のグラフである。
【図９】図９は実験例４−１の実験結果の説明図であり、横軸に最表面からの深さ、縦軸に水素、炭素および窒素の濃度とシリコンおよび酸素の二次イオン強度とをとったグラフである。
【図１０】図１０は実験例４−２の実験結果の説明図であり、横軸に最表面からの深さ、縦軸に水素、炭素、窒素および酸素の濃度とシリコンの二次イオン強度とをとったグラフである。
【図１１】図１１は実験例４−３の実験結果の説明図であり、横軸に最表面からの深さ、縦軸に水素、炭素、窒素および酸素の濃度とシリコンの二次イオン強度とをとったグラフである。
【符号の説明】
【００４４】
１…基板支持部材、２…真空紫外光照射装置、２ａ…分解吸着用真空紫外光照射装置、２ｂ…窒化処理用真空紫外光照射装置、１１…実験装置、１２，２２ｄ…窓材、２１…実験装置、２２ａ…分解反応測定用光路、２２ｂ…吸着反応測定用光路、２２ｃ…検出器、Ａ…チャンバ、Ｆ１…排気装置、Ｆ２…窒素含有気体供給装置、Ｆ２ａ…供給路、Ｋ…被膜形成基板、Ｋ１…シリコン下地層、Ｋ２…ゲート酸化膜、Ｋ２ａ…アモルファスシリコン薄膜、Ｋ３…酸窒化シリコン薄膜、Ｋｄ…ゲート電極、Ｋｄ…ドレイン電極、Ｋｓ…ソース電極、Ｕ…窒化処理装置。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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