(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に酸素及び窒素を含有する絶縁膜を形成する半導体装置の製造方法において、前記半導体基板を紫外光を照射しながら一酸化二窒素を含む雰囲気で処理する際に、ガス種を切り替えることなく、主として酸化種ラジカルが発生する波長範囲の紫外光と、酸化種ラジカルと窒化種ラジカルが同時に発生する波長範囲の紫外光の強度と照射時間を、それぞれ任意に制御することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
導入する原料ガスに対して主として酸化種ラジカルが発生する波長範囲の紫外線照射手段と、同じ原料ガスに対して酸化種ラジカルと窒化種ラジカルが同時に発生する波長範囲の紫外線照射手段とを備えたことを特徴とする絶縁膜成長装置。
【請求項３】
一酸化二窒素に主として酸化種ラジカルが発生する波長範囲の紫外光と、酸化種ラジカルと窒化種ラジカルが同時に発生する波長範囲の紫外光の強度と照射時間をそれぞれ任意に制御して照射するラジカル種発生部と、発生したラジカル種と半導体基板とを反応させる反応室とを分離したことを特徴とする請求項２記載の絶縁膜成長装置。
【請求項４】
広い波長範囲の紫外線を発生する紫外線照射手段と、照射する紫外線の波長範囲として導入する原料ガスに対して主として酸化種ラジカルが発生する波長範囲を選択的に透過させる第１の波長フィルタと、照射する紫外線の波長範囲として同じ原料ガスに対して酸化種ラジカルと窒化種ラジカルが同時に発生する波長範囲を選択的に透過させる第２の波長フィルタの少なくとも２つの波長フィルタを備えたことを特徴とする絶縁膜成長装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置の製造方法及び絶縁膜成長装置に関するものであり、特に、ＭＩＳ（Ｍｅｔａｌ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）構造の論理回路、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）、ＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）、或いは、ＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｄｉｓｐｌａｙ）等におけるゲート絶縁膜やトンネル絶縁膜等の絶縁膜として用いる窒素を含有する絶縁膜中の窒素濃度と窒素分布を制御するための工程及び装置に特徴のある半導体装置の製造方法及び絶縁膜成長装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体デバイスの高速化、高集積化はますます進み、ＭＯＳ構造の絶縁膜、特に、ゲート絶縁膜に要求される信頼性を確保することが非常に難しくなってきている。このため、従来用いられてきたシリコン酸化膜に代わる絶縁膜を用いる必要がある。
【０００３】
従来、ＭＯＳ構造の絶縁膜としては、シリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜やトンネル絶縁膜が用いられてきた。
しかし、デバイスの微細化とともにゲート酸化膜やトンネル酸化膜の薄膜化が進み、ボロン突き抜け、ゲートリーク電流増加、或いは、ストレス耐性の劣化等の問題が発生してきた。
【０００４】
これらの解決策として、シリコン酸化膜に少量の窒素を含有させたシリコン酸窒化膜の研究が進められている。
また、近年では、単に窒素を含有させるだけでなく、用途に応じて含有窒素の濃度、及び、窒素の深さ分布を制御することが重要であることがわかってきている。
【０００５】
例えば、ホットキャリア劣化耐性を高めるためには、半導体基板／ゲート絶縁膜界面近傍における窒素濃度を高めれば良く、また、Ｂドープゲート電極からのＢの突き抜けを防止するためには、ゲート電極との界面近傍の窒素濃度を高めれば良く、ホットキャリア劣化耐性を高めるとともにＢの付き抜けを防止するためにはゲート電極との界面及び半導体基板との界面の両側における窒素濃度を高めれば良い。
【０００６】
さらに、フラッシュメモリ等におけるゲート絶縁膜中におけるキャリアの移動に伴う劣化に対する耐性を高めるためには、ゲート絶縁膜の中頃に窒素濃度ピークを設ければ良い。
【０００７】
ここで、従来におけるシリコン酸化膜中の所定の位置に窒素濃度ピークを形成する工程、例えば、シリコン酸化膜の中間程度に多数の窒素を存在させる場合の工程を説明する。
まず、シリコン基板を熱酸化してＳｉＯ2 膜を形成する。
次いで、Ｎ2 Ｏ等を含む雰囲気で熱処理し、窒素をシリコン基板／ＳｉＯ2 膜界面近傍に導入して、高窒素濃度領域を形成する。
【０００８】
次いで、再び、酸素雰囲気中で熱処理してシリコン基板／ＳｉＯ2 膜界面を再酸化してシリコン酸窒化膜を形成する。
この再酸化工程で、シリコン基板／ＳｉＯ2 膜の界面にＳｉＯ2 膜が形成され、高窒素濃度領域はシリコン酸窒化膜の中間領域に位置することになる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、シリコン酸窒化膜の膜厚の中間程度に多数の窒素を存在させたい場合、酸化→酸窒化→酸化を繰り返す必要があり、そのためには、雰囲気ガスを変えることによって酸化と窒化をそれぞれ進行させており、ガス置換を要するために制御性が悪いという問題点があった。
【００１０】
また、単に窒素を含有させただけでは信頼性の面で十分とはいえない場合があり、例えば、酸素欠損に起因するトラップが増え、デバイス寿命が短くなるという問題がある。
【００１１】
したがって、本発明は、導入するガスを切り換えることなく絶縁膜中の窒素濃度分布を任意に制御するとともに、トラップ密度を低減して半導体装置の信頼性を向上する。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
図１は本発明の原理的構成の説明図であり、この図１を参照して本発明における課題を解決するための手段を説明する。
図１参照
上述の目的を達成するために、本発明は、半導体基板１上に酸素及び窒素を含有する絶縁膜２を形成する半導体装置の製造方法において、半導体基板１を紫外光６，７を照射しながら一酸化二窒素３を含む雰囲気で処理する際に、ガス種を切り替えることなく、主として酸化種ラジカルが発生する波長範囲の紫外光７と、酸化種ラジカルと窒化種ラジカルが同時に発生する波長範囲の紫外光６の強度と照射時間を、それぞれ任意に制御することを特徴とする。
【００１３】
この様に、一酸化二窒素３に照射する紫外光６，７の波長、強度、及び、照射時間を任意に切り替えることによって発生する酸化種ラジカルと窒化種ラジカルの存在比を制御性よく変化させることができ、それによって、ガス種を切り替えることなく、所望の窒素プロファイルを持つ絶縁膜２、即ち、酸窒化膜（ＯＮ膜）の形成が可能となる。
【００１４】
また、酸化、窒化ともに活性なラジカルによって行われているため、酸素欠損に起因するトラップ密度を減少させ、ストレス耐性を向上することによって、ＭＩＳデバイスの信頼性の向上が可能となる。
【００１５】
この場合、照射する紫外光６，７の切り替えは、純粋にｏｎ−ｏｆｆの切替えでも良いし、強弱／弱強の切り替えでも良い。
また、酸化或いは酸窒化の程度は、各波長領域の紫外光６，７の強度を一定にして、照射時間によって制御しても良いし、或いは、各波長領域の紫外光６，７の強度の変化によって制御して良く、それによって、任意の膜厚及び窒素濃度プロファイルを有する絶縁膜２を形成することができる。
【００１６】
また、照射する紫外光６，７の切り替え順序を選択することによって、低窒素濃度／高窒素濃度、高窒素濃度／低窒素濃度、低窒素濃度／高窒素濃度／低窒素濃度、或いは、高窒素濃度／低窒素濃度／高窒素濃度等の任意の窒素濃度プロファイルを有する絶縁膜２を使用目的に応じて任意に形成することができる。
【００１７】
また、半導体基板１を紫外光６，７を照射しながら一酸化二窒素３を含む雰囲気で処理する場合、減圧雰囲気で行うことが望ましく、それによって、活性な酸化種ラジカルや窒化種ラジカル同士の衝突を抑制し、ラジカル寿命を延ばし、効果的且つ効率的に処理を行うことができる。
なお、減圧の程度は、酸化反応或いは酸窒化反応が充分起こる気圧範囲であれば良く、反応の種類或いは反応の目的に応じて適宜設定されるものである。
【００１８】
また、半導体基板１を紫外光６，７を照射しながら処理する際に、一酸化二窒素３と、ＡｒやＮ2 等の不活性ガスの混合ガス雰囲気、例えば、常圧の混合ガス雰囲気で行っても良く、それによって、減圧雰囲気の場合と同様に、活性な酸化種ラジカルや窒化種ラジカル同士の衝突を抑制し、ラジカル寿命を延ばし、効果的且つ効率的に処理を行うことができる。
【００１９】
また、基板を加熱する加熱手段９としては、抵抗加熱を用いても良いし、或いは、赤外線ランプを用いても良い。
抵抗加熱を用いた場合には、複数の半導体基板１を同時に加熱することができるので大量生産が可能になる。
【００２０】
また、赤外線ランプを用いた場合には、急速加熱処理（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌ）が可能になるとともに、ガス自体は加熱されにくいため、活性な酸化種、窒化種ラジカルは運動エネルギーを得にくく、お互いの衝突確率は下がり、これによりラジカルの寿命を延ばし、効果的、効率的に処理を行うことが可能になる。
【００２１】
また、ラジカル種発生部と反応室８とを分離し、所定の波長範囲の紫外光６，７を照射してラジカルを発生させたのち、発生したラジカルを前記半導体基板１付近に導入して半導体基板１をラジカルと反応させても良く、それによって、半導体基板１を複数枚同時に処理しても均一な反応が起こるので、大量生産が可能になる。
【００２２】
また、紫外光６，７の波長範囲の切り替えは、波長の異なる紫外線照射手段４，５、典型的には紫外線ランプを切り替えても良いし、或いは、異なったフィルタ特性を有する波長フィルタによって行っても良いし、さらには、管内の圧力を変化させることにより発生する紫外光６，７の波長範囲を任意に制御することができる圧力可変型紫外線ランプを用いても良いものである。
【００２３】
【発明の実施の形態】
ここで、図２乃至図４を参照して、本発明の第１の実施の形態を説明するが、まず、図２及び図３を参照して本発明の第１の実施の形態の製造工程を説明する。
図２（ａ）参照
まず、ガス導入口１２及び排気口１３を備えた反応室１１の周囲に抵抗加熱式のヒータ１４を備えるとともに、３００ｎｍ以下の波長の紫外線、例えば、ピーク波長が２５４ｎｍの紫外線を発生する紫外線ランプＡ１５と３００〜４００ｎｍの波長の紫外線、例えば、ピーク波長が３０８ｎｍの紫外線を発生する紫外線ランプＢ１６を備えた絶縁膜成長装置を用いる。
なお、この場合の反応室内の容積は、例えば、１５０００ｃｃであり、また、紫外線ランプＡ１５及び紫外線ランプＢ１６のパワーはそれぞれ４００Ｗであり、以下の第２、第３、及び、第５の実施の形態においても同様である。
【００２４】
この絶縁膜成長装置の反応室１１内を真空引きしたのち、フッ酸等で薬液洗浄して基板表面の一部を露出させたシリコン基板１７を搬入し、ヒータ１４により、例えば、７００℃に加熱する。
【００２５】
図２（ｂ）参照
次いで、ガス導入口１２より一酸化二窒素ガス（Ｎ2 Ｏガス）１８を導入して、例えば、２００Ｔｏｒｒの減圧雰囲気中で、紫外線ランプＡ１５より発生させたピーク波長が２５４ｎｍの紫外光の照射する。
【００２６】
このピーク波長が２５４ｎｍの紫外光の照射による光励起によってＮ2 Ｏガス１８が分解して反応性に富む窒化種ラジカル及び、酸化種ラジカルが多数発生し、シリコン基板１７上に厚さが、例えば、１ｎｍの高窒素濃度ＯＮ膜１９が成長する。
【００２７】
図３（ｃ）参照
次いで、紫外線ランプＡ１５の照射を停止し、紫外線ランプＢ１６によりピーク波長が３０８ｎｍの紫外線を照射する。
このピーク波長が３０８ｎｍの紫外光の照射による光励起によってＮ2 Ｏガス１８が分解して主に酸化種ラジカルが多数発生し、この酸化種ラジカルによってシリコン基板１７の酸化が進行し、最初に形成した高窒素濃度ＯＮ膜１９と合わせて合計３ｎｍ程度の膜厚のＯＮ膜２２が形成される。
【００２８】
図４参照
図４は、本発明の実施の形態における窒素濃度プロファイルの説明図であり、ＯＮ膜中の窒素濃度分布を二次イオン質量分析で調べた結果である。
図において点線で示す本発明の第１の実施の形態においては、深さが０ｎｍの近傍、即ち、シリコン基板１７の界面近傍に窒素濃度の低い低窒素濃度ＯＮ膜２１が形成され、−３ｎｍ〜−１．５ｎｍに高窒素濃度ＯＮ膜１９が形成され、両者の間に濃度遷移領域２０が形成されていることが理解される。
【００２９】
このように、シリコン基板１７の界面近傍における窒素濃度を低くすることによって所望のゲート絶縁膜特性が得られるとともに、成長層側の窒素濃度を高めることによって、Ｂドープ多結晶シリコンからなるゲート電極からのＢの拡散によるＢの突き抜けを防止することができる。
【００３０】
また、本発明の第１の実施の形態においては、ガス種を切り換えることなく、照射する紫外線ランプの波長を切り替えるだけで高窒素濃度／低窒素濃度のプロファイルを有するＯＮ膜を成長することができ、成長工程が簡素化され、スループットを向上することができる。
【００３１】
また、酸化、窒化ともに活性なラジカルによって行われているため、酸素欠損に起因するトラップ密度を減少させ、ストレス耐性を向上することによって、ＭＩＳデバイスの信頼性の向上が可能となる。
【００３２】
次に、図５及び図６を参照して、本発明の第２の実施の形態の製造工程を説明する。
図５（ａ）参照
まず、上記の第１の実施の形態と全く同じ構成の絶縁膜成長装置を用いて、この絶縁膜成長装置の反応室１１内を真空引きしたのち、フッ酸等で薬液洗浄して基板表面の一部を露出させたシリコン基板１７を搬入し、ヒータ１４により、例えば、７００℃に加熱する。
【００３３】
図５（ｂ）参照
次いで、ガス導入口１２よりＮ2 Ｏガス１８を導入して、例えば、２００Ｔｏｒｒの減圧雰囲気中で、紫外線ランプＢ１６より発生させたピーク波長が３０８ｎｍの紫外光の照射し、発生させた酸化種ラジカルによってシリコン基板１７の表面を酸化して厚さが、例えば、１ｎｍのＳｉＯ2 膜２３を成長させる。
【００３４】
図６（ｃ）参照
次いで、紫外線ランプＢ１６の照射を停止し、紫外線ランプＡ１５によりピーク波長が２５４ｎｍの紫外線を照射し、発生した窒化種ラジカルと酸化種ラジカルによってシリコン基板１７の界面の窒化と酸化が同時に進行して、最初に形成したＳｉＯ2 膜２３と合わせて合計２ｎｍ程度の膜厚のＯＮ膜が形成される。
この場合、最初に形成したＳｉＯ2 膜２３にも窒素がドープされて低窒素濃度ＯＮ膜２５となるとともに、界面近傍に形成された高窒素濃度ＯＮ膜２４との間に濃度遷移領域２６が形成される。
【００３５】
図６（ｄ）参照
次いで、紫外線ランプＡ１５の照射を停止し、再び、紫外線ランプＢ１６によりピーク波長が３０８ｎｍの紫外線を照射し、発生した酸化種ラジカルによってシリコン基板１７の界面を酸化させて、最終的に厚さが、例えば、３ｎｍのＯＮ膜２９を成長させる。
【００３６】
再び、図４参照
図において、破線で示す本発明の第２の実施の形態においては、深さが−１．５ｎｍに窒素ピークを有するプロファイルとなり、低窒素濃度ＯＮ膜２５／高窒素濃度ＯＮ膜２４／低窒素濃度ＯＮ膜２７の構造が得られており、各ＯＮ膜の間には濃度遷移領域２６，２８が形成されていることが理解される。
【００３７】
このように、ゲート絶縁膜の中頃に窒素濃度ピークを設けることによって、フラッシュメモリにおけるゲート絶縁膜中におけるキャリアの移動に伴う劣化に対する耐性を向上することができる。
【００３８】
また、本発明の第２の実施の形態においては、ガス種を切り換えることなく、照射する紫外線ランプの波長を切り替えるだけで低窒素濃度／高窒素濃度／低窒素濃度のプロファイルを有するＯＮ膜を成長することができ、成長工程が簡素化され、フラッシュメモリのスループットを向上することができる。
【００３９】
次に、図７及び図８を参照して、本発明の第３の実施の形態を説明する。
図７（ａ）参照
まず、ガス導入口３２及び排気口３３を備えた反応室３１の天井側に赤外線加熱ランプ３４を備えるとともに、３００ｎｍ以下の波長の紫外線、例えば、ピーク波長が２５４ｎｍの紫外線を発生する紫外線ランプＡ３５と３００〜４００ｎｍの波長の紫外線、例えば、ピーク波長が３０８ｎｍの紫外線を発生する紫外線ランプＢ３６を反応室３１の周囲に備えた絶縁膜成長装置を用いる。
【００４０】
この絶縁膜成長装置の反応室３１内を真空引きしたのち、フッ酸等で薬液洗浄して基板表面の一部を露出させたシリコン基板３７を搬入する。
【００４１】
図７（ｂ）参照
次いで、ガス導入口３２よりＡｒガスで希釈したＡｒ希釈Ｎ2 Ｏガス３８を導入して、例えば、７６０Ｔｏｒｒの常圧雰囲気中で、赤外線加熱ランプ３４によりシリコン基板３７を、例えば、７００℃に加熱しながら、紫外線ランプＢ１６より発生させたピーク波長が３０８ｎｍの紫外光の照射し、発生した酸化種ラジカルによってシリコン基板３７の表面を酸化させて厚さが、例えば、２ｎｍＳｉＯ2 膜３９を成長させる。
この場合、反応雰囲気におけるＮ2 Ｏガス分圧を２００Ｔｏｒｒとする。
【００４２】
図８（ｃ）参照
次いで、紫外線ランプＢ３６の照射を停止し、紫外線ランプＡ３５によりピーク波長が２５４ｎｍの紫外線を照射し、発生した窒化種ラジカル及び酸化種ラジカルによってシリコン基板３７の窒化と酸化が同時に進行し、最初に形成したＳｉＯ2 膜３９と合わせて合計３ｎｍ程度の膜厚のＯＮ膜４３が形成される。
【００４３】
再び、図４参照
図において太い実線で示す本発明の第３の実施の形態においては、深さが０ｎｍの近傍、即ち、シリコン基板１７の界面近傍に窒素濃度の高い高窒素濃度ＯＮ膜４０が形成され、表面のＳｉＯ2 膜に窒素がドープされて形成された低窒素濃度ＯＮ膜４１との間に濃度遷移領域４２が形成されていることが理解される。
【００４４】
このように、シリコン基板１７の界面近傍における窒素濃度を高くすることによってホットエレクトロン耐性を高めることができ、デバイス寿命を高めることができる。
【００４５】
図９参照
図９は、本発明の第３の実施の形態で形成したＯＮ膜４３をゲート絶縁膜としたｎチャネル型ＭＩＳＦＥＴと、縦型拡散炉を用い、８００℃の乾燥Ｏ2 雰囲気中で熱酸化によって形成した熱酸化膜をゲート絶縁膜としたｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴのデバイス寿命を調べた図である。
【００４６】
図から明らかなように、熱酸化膜に比べて、低窒素濃度／高窒素濃度のプロファイルを有するＯＮ膜を用いた場合に、デバイス寿命が長くなり、電気的ストレスに対する耐性が向上していることが理解される。
【００４７】
この場合も、ガス種を切り換えることなく、照射する紫外線ランプの波長を切り替えるだけで低窒素濃度／高窒素濃度のプロファイルを有するＯＮ膜を成長することができ、成長工程が簡素化され、ＭＩＳ型半導体装置のスループット及び信頼性を向上することができる。
【００４８】
また、Ａｒ希釈Ｎ2 Ｏガスを用いることによって、減圧雰囲気の場合と同様に、活性な酸化種ラジカルや窒化種ラジカル同士の衝突を抑制し、ラジカル寿命を延ばし、効果的且つ効率的に処理を行うことができる。
【００４９】
次に、図１０及び図１１を参照して、本発明の第４の実施の形態を説明する。
図１０（ａ）参照
まず、ガス導入口１２及び排気口１３を備えた反応室１１の周囲に抵抗加熱式のヒータ１４を備えるとともに、ブロードな波長領域の紫外線を発生する紫外線ランプ５１と、３００ｎｍ以上の波長を遮蔽する波長フィルタＡ５２及び３００以下の波長の紫外線を遮蔽する波長フィルタＢ５３を備えた絶縁膜成長装置を用いる。
【００５０】
この絶縁膜成長装置の反応室１１内を真空引きしたのち、フッ酸等で薬液洗浄して基板表面の一部を露出させたシリコン基板１７を搬入し、ヒータ１４により、例えば、９００℃に加熱する。
【００５１】
図１０（ｂ）参照
次いで、ガス導入口１２よりＮ2 Ｏガス１８を導入して、例えば、２００Ｔｏｒｒの減圧雰囲気中で、波長フィルタＢ５３を外し、波長フィルタＡ５２を介して紫外線ランプ５１により発生させた紫外線の内、３００ｎｍ以下の波長の紫外線のみを照射し、発生した窒化種ラジカル及び酸化種ラジカルによって、シリコン基板上に厚さが、例えば、４ｎｍの高窒素濃度ＯＮ膜１９が成長する。
【００５２】
図１１（ｃ）参照
次いで、波長フィルタＢ５３を入れ、波長フィルタＡ５２を外すことによって、波長フィルタＢ５３を介して紫外線ランプ５１により発生させた紫外線の内、３００ｎｍ以上の波長の紫外線のみを照射し、発生した酸化種ラジカルによってシリコン基板１７の酸化が進行し、最初に形成した高窒素濃度ＯＮ膜１９と合わせて合計８ｎｍ程度の膜厚のＯＮ膜２２が形成される。
【００５３】
この第４の実施の形態においては、紫外線ランプの切り替えではなく、波長フィルタを切り替えることによって、ガス種を切り換えることなく、高窒素濃度／低窒素濃度のプロファイルを有するＯＮ膜を成長することができ、成長工程が簡素化され、ＭＩＳ型半導体装置のスループット及び信頼性を向上することができる。
【００５４】
次に、図１２を参照して、本発明の第５の実施の形態に用いる絶縁膜成長装置を説明する。
図１２参照
図１２は、本発明の第５の実施の形態に用いる絶縁膜成長装置の概念的構成図であり、上記の第４の実施の形態に用いる絶縁膜成長装置における紫外線ランプを３００ｎｍ以下、例えば、ピーク波長が２５４ｎｍの紫外線を発生する紫外線ランプＡ１５と、３００〜４００ｎｍ、例えば、ピーク波長が３０８ｎｍの紫外線を発生する紫外線ランプＢ１６に置き換えたものであり、その他の構成は上記の第４の実施の形態と同様である。
【００５５】
この第５の実施の形態においては、所望のピーク波長の紫外線を発生する二種類の紫外線ランプを用いているので、ブロードな波長領域の紫外線を発生する紫外線ランプを用いた上記の第４の実施の形態に比べて、紫外線の利用効率を高めることができる。
【００５６】
また、波長フィルタを除いた構成が同等である上記の第１の実施の形態に比べて、紫外線ランプＡ１５及び紫外線ランプＢ１６を常に点灯した状態にしておけるので、ｏｎ−ｏｆｆに伴った出力変動のない安定した紫外線を利用することができる。
【００５７】
次に、図１３及び図１４を参照して、本発明の第６の実施の形態を説明する。
図１３（ａ）参照
まず、ガス導入口１２及び排気口１３を備えた反応室１１の周囲に抵抗加熱式のヒータ１４を備えるとともに、管内の圧力に依存して波長が可変の紫外線を発生する圧力可変型紫外線ランプ５４を備えた絶縁膜成長装置を用いる。
【００５８】
この絶縁膜成長装置の反応室１１内を真空引きしたのち、フッ酸等で薬液洗浄して基板表面の一部を露出させたシリコン基板１７を搬入し、ヒータ１４により、例えば、９００℃に加熱する。
【００５９】
図１３（ｂ）参照
次いで、ガス導入口１２よりＮ2 Ｏガス１８を導入して、例えば、２００Ｔｏｒｒの減圧雰囲気中で、圧力可変型紫外線ランプ５４内の圧力を低くして、３００ｎｍ以下の波長の紫外線を発生するように調整し、発生した３００ｎｍ以下の波長の紫外線を照射し、発生した窒化種ラジカル及び酸化種ラジカルによって、シリコン基板上に厚さが、例えば、６ｎｍの高窒素濃度ＯＮ膜１９が成長する。
【００６０】
図１４（ｃ）参照
次いで、圧力可変型紫外線ランプ５４内の圧力を高くして、３００ｎｍ以上の波長の紫外線を発生するように調整し、発生した３００ｎｍ以上の波長の紫外線を照射し、発生した酸化種ラジカルによってシリコン基板１７の酸化が進行し、最初に形成した高窒素濃度ＯＮ膜１９と合わせて合計９ｎｍ程度の膜厚のＯＮ膜２２が形成される。
【００６１】
この第６の実施の形態においては、圧力によって発生する紫外線の波長を制御しているので、紫外線ランプは一種類のみで良く、且つ、波長フィルタ等も必ずしも必要としないので、装置構成が簡素化される。
【００６２】
次に、図１５を参照して、本発明の第７の実施の形態に用いる絶縁膜成長装置を説明する。
図１５参照
図１５は、本発明の第７の実施の形態に用いる絶縁膜成長装置の概念的構成図であり、上記の第６の実施の形態に用いる絶縁膜成長装置に３００ｎｍ以下の波長の紫外線を遮蔽する波長フィルタＢ５３を設けたものである。
【００６３】
この波長フィルタＢ５３を設けることによって、３００ｎｍ以上の波長の紫外線を照射して酸素種ラジカルのみを発生して酸化を行う際に、３００ｎｍ以下の波長の紫外線が混入することによる窒化の進行を抑制することができ、それによって、純粋なＳｉＯ2 膜の形成が可能になる。
【００６４】
次に、図１６を参照して、本発明の第８の実施の形態に用いる絶縁膜成長装置を説明する。
図１６参照
図１６は、本発明の第８の実施の形態に用いる絶縁膜成長装置の概念的構成図であり、反応室６１とラジカル種発生部７１とを分離し、複数枚のシリコン基板６５の同時処理を可能にした絶縁膜成長装置である。
【００６５】
即ち、反応室６１は、排気口６２を備えるとともに、周囲に抵抗加熱式のヒータ６３を備え、反応室６１の内部には、複数枚のシリコン基板６５が収容されるとともに、導入されたラジカルを拡散させる拡散板６４が設けられている。
【００６６】
一方、ラジカル種発生部７１は、ガス導入口７２、３００ｎｍ以下、例えば、ピーク波長が２５４ｎｍの紫外線を発生する紫外線ランプＡ７３及び３００〜４００ｎｍ、例えば、ピーク波長が３０８ｎｍの紫外線を発生する紫外線ランプＢ７４、及び、紫外線遮蔽板７５によって構成される。
【００６７】
ガス導入口７２から導入されたＮ2 Ｏガス７６は、ラジカル種発生部７１において、紫外線ランプＡ７３或いは紫外線ランプＢ７４からの紫外線を選択的に照射され、照射された紫外線の波長に応じたラジカルを発生させる。
なお、紫外線遮蔽板７５によって、反応室６１内に送られたラジカルを含むＮ2 Ｏガスが、紫外線の照射によって意図しない分解反応が起きないように紫外線を遮蔽する。
【００６８】
発生したラジカルは反応室６１に導入され、拡散板６４によって拡散されたのち、シリコン基板６５と反応し、ラジカル種の応じて酸化、或いは、酸化と窒化を行って、酸化膜或いは、ＯＮ膜を形成する。
この場合もラジカル種発生部７１において紫外線ランプを切り替えるだけで、所望の窒素濃度プロファイルを有する絶縁膜を高スループットで成長させることができる。
【００６９】
この第８の実施の形態においては、ラジカル種発生部７１と反応室６１とを分離しているので、反応室６１内に複数枚のシリコン基板６５を収容しても均一な反応を起こすことができ、大量生産が可能になる。
【００７０】
以上、本発明の各実施の形態を説明してきたが、本発明は各実施の形態に記載した構成に限られるものではなく、各種の変更が可能である。
例えば、上記の第４の実施の形態、第６の実施の形態、及び、第７の実施の形態の説明においては、第１の実施の形態に対応する窒素濃度プロファイルを有するＯＮ膜の成長工程として説明しているが、第２の実施の形態或いは第３の実施の形態と同様の紫外線波長の切り替えを行い、第２の実施の形態或いは第３の実施の形態と同様の窒素濃度プロファイルを有するＯＮ膜を成長し得ることは言うまでもないことである。
【００７１】
また、上記の第３の実施の形態においては、基板の加熱方法として赤外線加熱ランプを用いたランプアニールを採用しているが、上記の第４乃至第７の実施の形態においてもランプアニールを採用しても良いものであり、それによって、加熱は基板のみとなるので、発生したラジカルの寿命を長くすることができる。
【００７２】
また、ＯＮ膜中の窒素濃度プロファイルとしては、高窒素濃度／低窒素濃度、低窒素濃度／高窒素濃度／低窒素濃度、及び、低窒素濃度／高窒素濃度の三つを示しているが、上述のように、窒素濃度プロファイルは任意であり、例えば、第２の実施の形態と照射する紫外線の波長を逆にすることによって、高窒素濃度／低窒素濃度／高窒素濃度のプロファイルを得ることができ、それによって、Ｂの突き抜け防止とホットエレクトロン耐性の向上とを両立することができる。
【００７３】
また、上記の第３の実施の形態においてはＡｒ希釈Ｎ2 Ｏガスを用いて常圧で処理を行っているが、必ずしも常圧である必要はなく、多少減圧雰囲気下で行っても良いものであり、さらには、他の実施の形態と同様にＮ2 Ｏガスのみの減圧雰囲気下で行っても良いものである。
【００７４】
また、上記の第３の実施の形態においては、希釈ガスとしてＡｒを用いているが、Ａｒに限られるものではなく、他の希ガス或いはＮ2 等の不活性ガスを用いても良いものである。
【００７５】
また、上記の第３の実施の形態以外の各実施の形態においても、不活性ガスで希釈したＮ2 Ｏガスを用いても良いものである。
【００７６】
また、上記の各実施の形態においては、２００Ｔｏｒｒの減圧雰囲気下或いはＮ2 Ｏガス分圧を２００Ｔｏｒｒとした状態で行っているが、２００Ｔｏｒｒに限られるものではなく、半導体基板との間で充分な反応が起こるとともに、発生したラジカルの寿命がある程度長くなる圧力或いは分圧であれば良く、反応の種類、反応の目的に応じて適宜設定すれば良い。
【００７７】
また、上記の各実施の形態においては、基板として単結晶シリコン基板を用いているが、単結晶シリコン基板に限られるものではなく、絶縁基板等の異種基板上に設けられた多結晶シリコン膜或いはアモルファスシリコン膜にも適用されるものであり、それによって、優れた特性を有するＴＦＴを構成することができる。
【００７８】
さらに、基板は純粋なシリコン基板に限られるものではなく、ＳｉＧｅ基板、多結晶ＳｉＧｅ膜、アモルファスＳｉＧｅ膜、アモルファスＳｉ：Ｃ膜、アモルファスＳｉ：Ｎ膜等にも適用されるものである。
【００７９】
ここで、再び、図１を参照して、改めて本発明の詳細な特徴を説明する。
図１参照
（付記１）  半導体基板１上に酸素及び窒素を含有する絶縁膜２を形成する半導体装置の製造方法において、前記半導体基板１を紫外光６，７を照射しながら一酸化二窒素３を含む雰囲気で処理する際に、ガス種を切り替えることなく、主として酸化種ラジカルが発生する波長範囲の紫外光７と、酸化種ラジカルと窒化種ラジカルが同時に発生する波長範囲の紫外光６の強度と照射時間を、それぞれ任意に制御することを特徴とする半導体装置の製造方法。
（付記２）  上記主として酸化種ラジカルが発生する波長範囲の紫外光７と、上記酸化種ラジカルと窒化種ラジカルが同時に発生する波長範囲の紫外光６の強度を一定とし、照射時間を任意に制御することを特徴とする付記１記載の半導体装置の製造方法。
（付記３）  上記主として酸化種ラジカルが発生する波長範囲の紫外光７と、上記酸化種ラジカルと窒化種ラジカルが同時に発生する波長範囲の紫外光６の照射時間を一定とし、紫外光６，７の強度を任意に制御することを特徴とする付記１記載の半導体装置の製造方法。
（付記４）  まず、上記主として酸化種ラジカルが発生する波長範囲の紫外光７を照射し、次いで、上記酸化種ラジカルと窒化種ラジカルが同時に発生する波長範囲の紫外光６を照射し、次いで、前記主として酸化種ラジカルが発生する波長範囲の紫外光７を照射することを特徴とする付記１乃至３のいずれか１に記載の半導体装置の製造方法。
（付記５）  まず、上記酸化種ラジカルと窒化種ラジカルが同時に発生する波長範囲の紫外光６を照射し、次いで、上記主として酸化種ラジカルが発生する波長範囲の紫外光７を照射し、次いで、前記酸化種ラジカルと窒化種ラジカルが同時に発生する波長範囲の紫外光６を照射することを特徴とする付記１乃至３のいずれか１に記載の半導体装置の製造方法。
（付記６）  まず、上記主として酸化種ラジカルが発生する波長範囲の紫外光７の強度を強くし、次いで、上記酸化種ラジカルと窒化種ラジカルが同時に発生する波長範囲の紫外光６の強度を強くし、次いで、前記主として酸化種ラジカルが発生する波長範囲の紫外光７の強度を強くすることを特徴とする付記１または３に記載の半導体装置の製造方法。
（付記７）  まず、上記酸化種ラジカルと窒化種ラジカルが同時に発生する波長範囲の紫外光６の強度を強くし、次いで、上記主として酸化種ラジカルが発生する波長範囲の紫外光７の強度を強くし、次いで、前記酸化種ラジカルと窒化種ラジカルが同時に発生する波長範囲の紫外光６の強度を強くすることを付記１または３に記載の特徴とする半導体装置の製造方法。
（付記８）  上記半導体基板１を紫外光６，７を照射しながら一酸化二窒素３を含む雰囲気で処理する際に、減圧雰囲気で行うことを特徴とする付記１乃至７のいずれか１に記載の半導体装置の製造方法。
（付記９）  上記半導体基板１を紫外光６，７を照射しながら処理する際に、一酸化二窒素３と不活性ガスの混合ガス雰囲気で行うことを特徴とする付記１乃至７のいずれか１に記載の半導体装置の製造方法。
（付記１０）  上記半導体基板１を紫外光６，７を照射しながら一酸化二窒素３を含む雰囲気で処理する際に、加熱手段９として赤外線ランプを用いたことを特徴とする付記１乃至９のいずれか１に記載の半導体装置の製造方法。
（付記１１）  半導体基板１上に酸素及び窒素を含有する絶縁膜２を形成する半導体装置の製造方法において、一酸化二窒素３に主として酸化種ラジカルが発生する波長範囲の紫外光７と、酸化種ラジカルと窒化種ラジカルが同時に発生する波長範囲の紫外光６の強度と照射時間をそれぞれ任意に制御して照射してラジカルを発生させたのち、発生したラジカルを前記半導体基板１付近に導入して前記半導体基板１を前記ラジカルと反応させることを特徴とする半導体装置の製造方法。
（付記１２）  紫外線照射手段の管内の圧力を変化させることにより照射する紫外光の波長範囲を任意に制御することを特徴とする付記１乃至１１のいずれか１に記載の半導体装置の製造方法。
（付記１３）  導入する原料ガスに対して主として酸化種ラジカルが発生する波長範囲の紫外線照射手段５と、同じ原料ガスに対して酸化種ラジカルと窒化種ラジカルが同時に発生する波長範囲の紫外線照射手段４とを備えたことを特徴とする絶縁膜成長装置。
（付記１４）  加熱手段９として、赤外線ランプを備えたことを特徴とする付記１３記載の絶縁膜成長装置。
（付記１５）  一酸化二窒素３に主として酸化種ラジカルが発生する波長範囲の紫外光７と、酸化種ラジカルと窒化種ラジカルが同時に発生する波長範囲の紫外光６の強度と照射時間をそれぞれ任意に制御して照射するラジカル種発生部と、発生したラジカル種と半導体基板１とを反応させる反応室８とを分離したことを特徴とする付記１３記載の絶縁膜成長装置。
（付記１６）  上記紫外光６，７の波長範囲を切り替えるための波長フィルタを備え、照射紫外光６，７の波長範囲と強度をそれぞれ任意に制御することを特徴とする付記１３乃至付記１５のいずれか１に記載の絶縁膜成長装置。
（付記１７）  広い波長範囲の紫外線を発生する紫外線照射手段と、照射する紫外線の波長範囲として導入する原料ガスに対して主として酸化種ラジカルが発生する波長範囲を選択的に透過させる第１の波長フィルタと、照射する紫外線の波長範囲として同じ原料ガスに対して酸化種ラジカルと窒化種ラジカルが同時に発生する波長範囲を選択的に透過させる第２の波長フィルタの少なくとも２つの波長フィルタを備えたことを特徴とする絶縁膜成長装置。
（付記１８）  管内の圧力を変化させることにより発生する紫外光の波長範囲を任意に制御する紫外線照射手段を備えたことを特徴とする絶縁膜成長装置。
【００８０】
【発明の効果】
本発明によれば、半導体基板に紫外光を照射しながら一酸化二窒素を含む雰囲気で熱処理する際に、主として酸化種ラジカルが発生する波長範囲（３００〜４００ｎｍ）の紫外光と、酸化種ラジカルと窒化種ラジカルが同時に発生する波長範囲（３００ｎｍ以下）の紫外光の強度と照射時間を、それぞれ任意に制御することにより、酸化種ラジカルと窒化種ラジカルの存在比を制御性よく変化させ、それによって、ガス種を切り替えることなく、所望の窒素プロファイルを持つ酸窒化膜を高スループットで成膜することができ、且つ、酸化、窒化ともに活性なラジカルによって行われているため、さらにトラップ密度を減少、ストレス耐性を向上することができ、ひいては、ＭＩＳ型半導体装置の高性能化、或いは、信頼性の向上に寄与するところが大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理的構成の説明図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態の途中までの製造工程の説明図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態の図２以降の製造工程の説明図である。
【図４】本発明の実施の形態における窒素濃度プロファイルの説明図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態の途中までの製造工程の説明図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態の図５以降の製造工程の説明図である。
【図７】本発明の第３の実施の形態の途中までの製造工程の説明図である。
【図８】本発明の第３の実施の形態の図７以降の製造工程の説明図である。
【図９】本発明の第３の実施の形態の作用効果の説明図である。
【図１０】本発明の第４の実施の形態の途中までの製造工程の説明図である。
【図１１】本発明の第４の実施の形態の図１０以降の製造工程の説明図である。
【図１２】本発明の第５の実施の形態に用いる絶縁膜成長装置の概念的構成図である。
【図１３】本発明の第６の実施の形態の途中までの製造工程の説明図である。
【図１４】本発明の第６の実施の形態の図１３以降の製造工程の説明図である。
【図１５】本発明の第７の実施の形態に用いる絶縁膜成長装置の概念的構成図である。
【図１６】本発明の第８の実施の形態に用いる絶縁膜成長装置の概念的構成図である。
【符号の説明】
１  半導体基板
２  絶縁膜
３  一酸化二窒素
４  紫外線照射手段
５  紫外線照射手段
６  紫外光
７  紫外光
８  反応室
９  加熱手段
１１  反応室
１２  ガス導入口
１３  排気口
１４  ヒータ
１５  紫外線ランプＡ
１６  紫外線ランプＢ
１７  シリコン基板
１８  Ｎ2 Ｏガス
１９  高窒素濃度ＯＮ膜
２０  濃度遷移領域
２１  低窒素濃度ＯＮ膜
２２  ＯＮ膜
２３  ＳｉＯ2 膜
２４  高窒素濃度ＯＮ膜
２５  低窒素濃度ＯＮ膜
２６  濃度遷移領域
２７  低窒素濃度ＯＮ膜
２８  濃度遷移領域
２９  ＯＮ膜
３１  反応室
３２  ガス導入口
３３  排気口
３４  赤外線加熱ランプ
３５  紫外線ランプＡ
３６  紫外線ランプＢ
３７  シリコン基板
３８  Ａｒ希釈Ｎ2 Ｏガス
３９  ＳｉＯ2 膜
４０  高窒素濃度ＯＮ膜
４１  低窒素濃度ＯＮ膜
４２  濃度遷移領域
４３  ＯＮ膜
５１  紫外線ランプ
５２  波長フィルタＡ
５３  波長フィルタＢ
５４  圧力可変型紫外線ランプ
６１  反応室
６２  排気口
６３  ヒータ
６４  拡散板
６５  シリコン基板
７１  ラジカル種発生部
７２  ガス導入口
７３  紫外線ランプＡ
７４  紫外線ランプＢ
７５  紫外線遮蔽板
７６  Ｎ2 Ｏガス
【図１】
0004211021.tif 000002
【図２】
0004211021.tif 000003
【図３】
0004211021.tif 000004
【図４】
0004211021.tif 000005
【図５】
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【図６】
0004211021.tif 000007
【図７】
0004211021.tif 000008
【図８】
0004211021.tif 000009
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
0004211021.tif 000014
【図１４】
0004211021.tif 000015
【図１５】
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【図１６】
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