JP2000150512A - Silicon nitride film, formation method therefor, and semiconductor device - Google Patents
Silicon nitride film, formation method therefor, and semiconductor deviceInfo
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Landscapes
- Formation Of Insulating Films (AREA)
Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、シリコン窒化膜及びそ
の形成方法並びに半導体装置に係り、特にトランジスタ
のゲート絶縁膜やキャパシタの誘電膜の薄膜化および高
品質化を達成し、トランジスタのより一層の高速化・高
信頼性化、キャパシタセル面積の微細化を可能とするシ
リコン窒化膜に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a silicon nitride film, a method for forming the same, and a semiconductor device. The present invention relates to a silicon nitride film capable of increasing the speed and reliability of a semiconductor device and miniaturizing the capacitor cell area.
【０００２】[0002]
【従来の技術】現在、トランジスタのゲート絶縁膜に
は、主としてシリコン酸化膜が用いられているが、トラ
ンジスタの素子寸法の微細化、トランジスタの動作速度
の高速化等の高特性化に伴い、ゲート絶縁膜にはシリコ
ン酸化膜（誘電率３．９）よりも誘電率の大きいシリコ
ン窒化膜（誘電率７．９）を採用する検討がなされてい
る。2. Description of the Related Art At present, a silicon oxide film is mainly used as a gate insulating film of a transistor. However, with the improvement in characteristics such as miniaturization of the element size of the transistor and an increase in the operating speed of the transistor, the gate insulating film has been developed. It has been studied to use a silicon nitride film (dielectric constant 7.9) having a larger dielectric constant than a silicon oxide film (dielectric constant 3.9) as the insulating film.
【０００３】しかし、ＰＣＶＤやＣＶＤ法等の通常の成
膜法により成膜したシリコン窒化膜は、膜中に電子また
はホールトラップが多く存在し、トランジスタのしきい
値の経時変化が大きくなり信頼性に乏しいという問題が
ある。また、トランジスタの高速化を達成し、かつ均一
なしきい値を得るためには、数ｎｍ程度のシリコン窒化
膜を安定して形成する必要があるが、従来の方法では均
一な膜厚を再現性良く成膜するのは困難という問題があ
る。However, a silicon nitride film formed by a normal film forming method such as PCVD or CVD has a large number of electrons or hole traps in the film, and the threshold voltage of the transistor greatly changes with time, resulting in a high reliability. There is a problem that is poor. In addition, in order to achieve a high-speed transistor and obtain a uniform threshold value, it is necessary to stably form a silicon nitride film having a thickness of about several nanometers. There is a problem that it is difficult to form a good film.
【０００４】[0004]
【発明が解決しようとする課題】かかる状況に鑑み、本
発明は、膜中の電子またはホールトラップのないシリコ
ン窒化膜を提供することを目的とする。即ち、例えば、
しきい値に経時的変化のないＭＩＳトランジスタに不可
欠なゲート絶縁膜に適用可能なシリコン窒化膜を提供す
ることを目的とする。In view of such circumstances, an object of the present invention is to provide a silicon nitride film having no electrons or hole traps in the film. That is, for example,
It is an object of the present invention to provide a silicon nitride film applicable to a gate insulating film indispensable for a MIS transistor whose threshold value does not change with time.
【０００５】また、本発明は、電子またはホールトラッ
プのないシリコン窒化膜をシリコン基体上に数ｎｍ程
度、均一且つ安定して形成することができるシリコン窒
化膜の形成方法を提供することを目的とする。Another object of the present invention is to provide a method of forming a silicon nitride film having a uniform thickness of about several nm on a silicon substrate without an electron or hole trap. I do.
【０００６】さらに、本発明の他の目的は、上記シリコ
ン窒化膜を用いることにより、超微細かつ高速なＭＩＳ
トランジスタ、微小ＤＲＡＭ等の高特性半導体装置を提
供することにある。Another object of the present invention is to provide an ultra-fine and high-speed MIS by using the silicon nitride film.
It is to provide a high-performance semiconductor device such as a transistor and a micro DRAM.
【０００７】[0007]
【課題を解決するための手段】本発明のシリコン窒化膜
は、処理室に窒素ガスを含む混合ガスを導入し、該処理
室内に載置されたシリコン基体の表面を直接窒化して形
成したシリコン窒化膜であって、Ｓｉ−Ｈ結合および／
またはＮ−Ｈ結合を有することを特徴とする。According to the present invention, there is provided a silicon nitride film formed by introducing a mixed gas containing nitrogen gas into a processing chamber and directly nitriding the surface of a silicon substrate placed in the processing chamber. A nitride film having a Si—H bond and / or
Alternatively, it has an N—H bond.
【０００８】本発明の窒化シリコン膜の形成方法は、処
理室に窒素ガス、不活性ガス及び水素ガスを含む混合ガ
スを導入して、プラズマを生起し、該処理室内に載置さ
れたシリコン基体の表面を直接窒化することを特徴とす
る。According to the method of forming a silicon nitride film of the present invention, a plasma is generated by introducing a mixed gas containing a nitrogen gas, an inert gas and a hydrogen gas into a processing chamber, and a silicon substrate placed in the processing chamber is generated. Is characterized by directly nitriding the surface.
【０００９】また、本発明の半導体装置は、処理室に窒
素ガスを含む混合ガスを導入し、該処理室内に載置され
たシリコン基体の表面を直接窒化して形成したＳｉ−Ｈ
結合および／またはＮ−Ｈ結合を有するシリコン窒化膜
を一部に含むことを特徴とする。即ち、ＭＩＳトランジ
スタのゲート絶縁膜やＤＲＡＭの蓄積容量の絶縁膜に好
適に用いられる。Further, in the semiconductor device of the present invention, a Si-H film formed by introducing a mixed gas containing nitrogen gas into a processing chamber and directly nitriding the surface of a silicon substrate placed in the processing chamber.
A silicon nitride film having a bond and / or an N—H bond is partially included. That is, it is suitably used as a gate insulating film of a MIS transistor or an insulating film of a storage capacitor of a DRAM.
【００１０】以下に本発明を完成するに至った経緯とと
もに本発明の作用を説明する。Hereinafter, the operation of the present invention will be described together with the details of the present invention.
【００１１】本発明者らは、より高性能なＭＩＳトラン
ジスタの開発を行う中で、ゲート絶縁膜として誘電率の
大きい窒化シリコンを用いることが不可欠であることか
ら、このシリコン窒化膜の薄膜を均一に、しかも低温で
形成しうる方法を検討した。In developing the MIS transistor with higher performance, the inventors of the present invention have to use silicon nitride having a large dielectric constant as a gate insulating film. In addition, a method that can be formed at a low temperature was studied.
【００１２】その中で、ＰＣＶＤ等のように膜を堆積す
る方法では、シリコン窒化膜中に電子やホールのトラッ
プが多いこと、シリコンと膜との間に界面準位が多数存
在すること、絶縁耐圧が低いこと、等の問題があり、こ
れらの問題を解決するために、シリコン酸化膜との多層
構造膜の検討も併せて行ったが、基本的な対策とはなり
えず、逆に製造工程が複雑になり、膜全体の誘電率が低
下してしまうという新たな問題も生じた。Among them, a method of depositing a film, such as PCVD, involves a large number of traps of electrons and holes in the silicon nitride film, a large number of interface states between the silicon and the film, and an insulating property. There were problems such as low withstand voltage, etc. To solve these problems, we also examined a multilayer structure film with a silicon oxide film, but it could not be a basic countermeasure. The process becomes complicated, and a new problem arises in that the dielectric constant of the entire film is reduced.
【００１３】また、このような従来の成膜法では、高特
性半導体装置に必要な数ｎｍ程度の薄い膜を均一に形成
するのは容易でないことから、シリコン表面を直接窒化
してシリコン窒化膜を形成する方法を考案し、その形成
方法、形成条件、窒化用ガス等の検討を行った。その結
果、不活性ガスと窒素ガスの混合ガスを用いてプラズマ
を生起し、このプラズマでシリコン表面処理することに
より数ｎｍのシリコン窒化膜が均一に且つ安定して得ら
れることが分かった。また、プラズマはラジアルライン
スロットアンテナを通してマイクロ波により生起するこ
とにより、４００℃程度の低温であっても効率よくシリ
コン表面の窒化を行うことができることが分かった。Further, since it is not easy to uniformly form a thin film of about several nm required for a high-performance semiconductor device by such a conventional film forming method, a silicon nitride film is formed by directly nitriding the silicon surface. Was devised, and the formation method, formation conditions, nitriding gas and the like were examined. As a result, it was found that a plasma was generated using a mixed gas of an inert gas and a nitrogen gas, and a silicon nitride film having a thickness of several nm was uniformly and stably obtained by treating the silicon surface with the plasma. It was also found that the plasma was generated by microwaves through the radial line slot antenna, so that the silicon surface could be efficiently nitrided even at a low temperature of about 400 ° C.
【００１４】このようにしてして形成したシリコン窒化
膜は、膜厚が均一で絶縁耐圧も高く、界面準位も少ない
という優れた特性を有するものであったが、膜中に電子
またはホールトラップは依然として存在し、トランジス
タのゲート絶縁膜として用いると、トランジスタのしき
い値に経時変化がみられた。The silicon nitride film thus formed has excellent characteristics such as a uniform film thickness, a high dielectric breakdown voltage, and a low interface state. Was still present, and when used as a gate insulating film of a transistor, the threshold value of the transistor changed over time.
【００１５】そこで、本発明者らは、さらに種々の条件
をさらに詳細に検討する中で、プラズマ生起用の混合ガ
スに水素ガスを添加することにより、ＭＩＳトランジス
タのしきい値の経時安定性が向上することを発見し、こ
の知見に基づいて本発明のシリコン窒化膜を完成するに
至ったのである。The inventors of the present invention have studied various conditions in more detail, and have found that by adding hydrogen gas to a mixed gas for generating plasma, the temporal stability of the threshold value of the MIS transistor can be improved. It was discovered that the silicon nitride film of the present invention was improved, and the silicon nitride film of the present invention was completed based on this finding.
【００１６】本発明において、不活性ガスと窒素ガスの
混合ガスに水素ガスを添加することにより、ＭＩＳトラ
ンジスタのしきい値特性が大きく向上したのは、水素ガ
スを加えることによりシリコン窒化膜中のダングリング
ボンドがＳｉ−Ｈ、Ｎ−Ｈ結合を形成して終端され、そ
の結果シリコン窒化膜中の電子またはホールトラップが
無くなり、トランジスタの信頼性が向上したものと考え
られる。In the present invention, the addition of hydrogen gas to the mixed gas of the inert gas and the nitrogen gas has greatly improved the threshold characteristics of the MIS transistor. It is considered that dangling bonds are terminated by forming Si-H and NH bonds, and as a result, electrons or hole traps in the silicon nitride film are eliminated, thereby improving the reliability of the transistor.
【００１７】なお、本発明において、処理室に導入する
混合ガスとしては、不活性ガス、窒素ガス、及び水素ガ
スを少なくとも含むガスである。ここで、不活性性ガス
をしては、Ａｒ，Ｈｅが好適に用いられるが、Ｎｅ，Ｋ
ｒ，Ｘｅであってもよい。In the present invention, the mixed gas introduced into the processing chamber is a gas containing at least an inert gas, a nitrogen gas, and a hydrogen gas. Here, Ar and He are preferably used as the inert gas.
r and Xe may be used.
【００１８】混合ガス中の窒素ガス分圧としては、窒化
の効率の観点から１〜１０％が好適に用いられ、４〜６
％がより好ましい。また、水素ガスの添加量としては、
０．５％以上で窒素ガスの濃度以下とするのが好まし
い。０．５％以上とすることで、膜中の電子やホールの
とラップは急激に減少し、また、窒素ガス分圧以下とす
ることで放電を安定して持続でき、高特性シリコン窒化
膜を再現性良く形成することができる。The partial pressure of nitrogen gas in the mixed gas is preferably 1 to 10% from the viewpoint of nitriding efficiency, and 4 to 6%.
% Is more preferred. Also, as the amount of hydrogen gas added,
It is preferable that the concentration is not less than 0.5% and not more than the concentration of nitrogen gas. By setting it to 0.5% or more, the wrapping of electrons and holes in the film is sharply reduced, and by setting the nitrogen gas partial pressure or less, the discharge can be stably maintained, and a high-performance silicon nitride film is formed. It can be formed with good reproducibility.
【００１９】また、本発明において、プラズマの発生に
は、ラジアルラインスロットアンテナを通して、マイク
ロ波を導入して行うのが好ましい。これにより、高密度
のプラズマを生起することができ、一層低温（２００〜
５００℃）で窒化を行うことが可能となる。In the present invention, plasma is preferably generated by introducing microwaves through a radial line slot antenna. As a result, a high-density plasma can be generated, and a lower temperature (200 to
(500 ° C.).
【００２０】[0020]
【実施例】以下に本発明の実施例を挙げてより詳細に説
明する。EXAMPLES Examples of the present invention will be described below in more detail.
【００２１】図１は、本発明のシリコン窒化膜を形成す
るための装置の一例を示す概念図である。FIG. 1 is a conceptual diagram showing an example of an apparatus for forming a silicon nitride film according to the present invention.
【００２２】真空容器（処理室）１０１を、ターボ分子
ポンプ１０２を用いて真空にし、ガス導入口１０３か
ら、アルゴン／窒素／水素混合ガスを導入し、例えば真
空容器内の圧力を５０ｍＴｏｒｒに設定する。シリコン
ウェハ１０４を、加熱機構を持つ試料台１０５に置き、
例えば試料の温度が４３０℃になるように設定する。同
軸導波管１０６から、ラジアルラインスロットアンテナ
１０７を通して、真空容器内に、８．３ＧＨｚのマイク
ロ波を供給し、真空容器内に高密度のプラズマを生成す
る。この時、供給するマイクロ波の周波数は２．４５Ｇ
Ｈｚとしてもよい。本実施例では、ラジアルラインスロ
ットアンテナを用いたプラズマ装置を用いて成膜した例
を示したが、一般的な平行平板型高周波プラズマ装置を
用いても良く、またＥＣＲプラズマ、ＩＣＰ等の他のプ
ラズマ源を用いても同様な効果を得ることができる。The vacuum chamber (processing chamber) 101 is evacuated using a turbo molecular pump 102, and a mixed gas of argon / nitrogen / hydrogen is introduced from a gas inlet 103. For example, the pressure in the vacuum chamber is set to 50 mTorr. . The silicon wafer 104 is placed on a sample stage 105 having a heating mechanism,
For example, the temperature of the sample is set to 430 ° C. 8.3 GHz microwaves are supplied from the coaxial waveguide 106 through the radial line slot antenna 107 into the vacuum vessel to generate high-density plasma in the vacuum vessel. At this time, the frequency of the supplied microwave is 2.45G.
Hz may be used. In this embodiment, an example is shown in which a film is formed using a plasma device using a radial line slot antenna. However, a general parallel plate high-frequency plasma device may be used, and other plasma devices such as ECR plasma and ICP may be used. A similar effect can be obtained by using a plasma source.
【００２３】また、比較のため、混合ガスとして、アル
ゴン／窒素ガス混合ガスを用いた場合についても同様に
行った（比較例）。For comparison, the same operation was performed for a case where an argon / nitrogen gas mixed gas was used as a mixed gas (Comparative Example).
【００２４】図２に、形成したシリコン窒化膜のＸ線光
電子分光スペクトルを示す。混合ガスに水素ガスを含ま
ない比較例のシリコン窒化膜には、Ｓｉ３Ｎ４に起因す
るピーク２０１のみが存在するが、本実施例のシリコン
窒化膜の膜中には、Ｓｉ３Ｎ４に起因するピーク２０２
の他に、Ｎ−Ｈに起因するピーク２０３が観測された。
このことから、シリコン窒化膜中のダングリングボンド
を水素が終端していることが確認された。FIG. 2 shows an X-ray photoelectron spectrum of the formed silicon nitride film. In the silicon nitride film of the comparative example containing no hydrogen gas in the mixed gas, only the peak 201 due to Si 3 N 4 exists, but in the silicon nitride film of the present embodiment, the peak 201 is different from that of Si 3 N 4 . Resulting peak 202
In addition, a peak 203 due to NH was observed.
From this, it was confirmed that dangling bonds in the silicon nitride film were terminated by hydrogen.
【００２５】図３に、シリコン窒化膜の赤外吸収スペク
トルを示す。比較例のシリコン窒化膜には、Ｓｉ−Ｈに
起因する吸収ピークは観測されていないが、本実施例の
シリコン窒化膜には、Ｓｉ−Ｈに起因する吸収３０１が
観測された。このことから、シリコン窒化膜中のダング
リングボンドを水素が終端していることが確認された。FIG. 3 shows an infrared absorption spectrum of the silicon nitride film. Although no absorption peak due to Si-H was observed in the silicon nitride film of the comparative example, absorption 301 due to Si-H was observed in the silicon nitride film of this example. From this, it was confirmed that dangling bonds in the silicon nitride film were terminated by hydrogen.
【００２６】図４に、形成したシリコン窒化膜のＣ−Ｖ
カーブを示す。Ｃ−Ｖカーブは図５に示した測定系を用
いて行った。図５において、Ｃ−Ｖカーブを測定した素
子は、ｎ型シリコンウェハ、面方位（１００）、基板濃
度５〜１０Ω・ｃｍからなる被処理体５０１、フィール
ド酸化膜５０２、ゲートシリコン窒化膜５０３、ゲート
電極５０４から構成される。また、５０５は探針、５０
６は電流計、５０７は直流電圧印加手段、５０８は高周
波電流印加手段である。FIG. 4 shows the CV of the formed silicon nitride film.
Show the curve. The CV curve was performed using the measurement system shown in FIG. In FIG. 5, the elements for which the CV curves were measured were an n-type silicon wafer, a plane object (100), an object 501 having a substrate concentration of 5 to 10 Ω · cm, a field oxide film 502, a gate silicon nitride film 503, It is composed of a gate electrode 504. 505 is a probe, 50
6 is an ammeter, 507 is a DC voltage applying means, and 508 is a high frequency current applying means.
【００２７】図５に示す素子の形成は、次に示す手順で
行った。The device shown in FIG. 5 was formed in the following procedure.
【００２８】（１）ｎ型Ｓｉウェハ５０１上に、シリコ
ン酸化膜からなるフィールド酸化膜５０２（厚さ：８０
０ｎｍ）を熱酸化法［（Ｈ２＋Ｏ２）ガス、Ｈ２＝１ｌ
／ｍｉｎ、Ｏ２＝１ｌ／ｍｉｎ、ウェハ温度＝１０００
℃］で形成後、フィールド酸化膜５０２の一部をウェッ
トエッチング処理し、ｎ型Ｓｉウェハ５０１の表面を露
出させた。(1) A field oxide film 502 (thickness: 80) made of a silicon oxide film is formed on an n-type Si wafer 501.
0 nm) by a thermal oxidation method [(H 2 + O 2 ) gas, H 2 = 1 l
/ Min, O 2 = 1 l / min, wafer temperature = 1000
[° C.], a part of the field oxide film 502 was subjected to wet etching to expose the surface of the n-type Si wafer 501.
【００２９】（２）ｎ型Ｓｉウェハ５０１の露出させた
表面のみ、本発明の方法を用いて直接窒化させ、シリコ
ン窒化膜からなるゲートシリコン窒化膜５０３（面積＝
１．０×１０−４ｃｍ２、厚さ＝５．０ｎｍ）を形成し
た。その際の成膜条件は、例えば、成膜ガスはアルゴン
／窒素／水素混合ガス、ガス圧は５０ｍＴｏｒｒ，分圧
比はアルゴン／窒素／水素＝９３％／５％／２％（比較
例の場合は、アルゴン／窒素＝９５％／５％）、マイク
ロ波パワーは５Ｗ／ｃｍ２、窒化処理時間は３０分、ウ
ェハは電気的にフローティング状態に保持し、ウェハ温
度は４３０℃とした。(2) Only the exposed surface of the n-type Si wafer 501 is directly nitrided by the method of the present invention to form a gate silicon nitride film 503 (area =
1.0 × 10 −4 cm 2 , thickness = 5.0 nm). The film forming conditions at that time are, for example, a film forming gas of an argon / nitrogen / hydrogen mixed gas, a gas pressure of 50 mTorr, and a partial pressure ratio of argon / nitrogen / hydrogen = 93% / 5% / 2% (in the case of the comparative example, , Argon / nitrogen = 95% / 5%), the microwave power was 5 W / cm 2 , the nitriding time was 30 minutes, the wafer was kept electrically floating, and the wafer temperature was 430 ° C.
【００３０】（３）フィールド酸化膜５０２およびゲー
ト窒化膜５０３の上に、Ａｌからなるゲート電極５０４
（厚さ＝１０００ｎｍ）を蒸着法で形成した。(3) A gate electrode 504 made of Al is formed on the field oxide film 502 and the gate nitride film 503.
(Thickness = 1000 nm) was formed by an evaporation method.
【００３１】（４）探針５０５をゲート電極５０４に接
触させ、ゲート電極５０４を介して電圧をシリコン窒化
膜５０３に印加し、流れる電流を電流計５０６を測定し
容量を求めた。(4) The probe 505 was brought into contact with the gate electrode 504, a voltage was applied to the silicon nitride film 503 via the gate electrode 504, and the flowing current was measured by the ammeter 506 to determine the capacitance.
【００３２】図５から明らかなように、比較例のシリコ
ン窒化膜のＣ−Ｖカーブには、膜中の電子またはホール
トラップに起因するヒステリシスが存在するが、本実施
例のシリコン窒化膜のＣ−Ｖカーブには、ヒステリシス
は存在しない。このことから本実施例のシリコン窒化膜
には膜中電子またはホールトラップがないことが分か
る。As is apparent from FIG. 5, the CV curve of the silicon nitride film of the comparative example has hysteresis due to electrons or hole traps in the film. There is no hysteresis in the -V curve. This indicates that the silicon nitride film of this example has no electrons or hole traps in the film.
【００３３】図６に、アルゴン／窒素雰囲気に、水素を
添加した添加量と、Ｃ−Ｖカーブのヒステリシスの幅を
示す。Ｃ−Ｖカーブは図５に示す測定系で上記方法を用
いて測定した。なお、窒素分圧は一定とした。FIG. 6 shows the amount of hydrogen added to the argon / nitrogen atmosphere and the width of the hysteresis of the CV curve. The CV curve was measured by the above method using the measurement system shown in FIG. The nitrogen partial pressure was kept constant.
【００３４】図６が示すように、水素を添加しないで形
成したシリコン窒化膜には、電子またはホールトラップ
に起因するヒステリシスが存在するが、水素を添加する
ことによりヒステリシスの幅は急激に減少し、水素添加
量を０．５％以上にすると、電子またはホールトラップ
に起因するヒステリシスは無くなることが分かる。As shown in FIG. 6, the silicon nitride film formed without adding hydrogen has a hysteresis caused by electrons or hole traps, but the width of the hysteresis is sharply reduced by adding hydrogen. It can be seen that when the amount of hydrogen added is 0.5% or more, the hysteresis caused by electrons or hole traps is eliminated.
【００３５】図７に、シリコン窒化膜について１００Ｍ
Ｈｚで測定した誘電率を示す。比較例のシリコン窒化膜
の誘電率が５．３なのに対し、本実施例のシリコン窒化
膜の誘電率は７．９を示し、誘電率が大幅に増加した。FIG. 7 shows a silicon nitride film having a thickness of 100M.
Shows the dielectric constant measured in Hz. While the dielectric constant of the silicon nitride film of the comparative example was 5.3, the dielectric constant of the silicon nitride film of the present example was 7.9, indicating a large increase in the dielectric constant.
【００３６】従って、本実施例のシリコン窒化膜をトラ
ンジスタのゲート絶縁膜として使用すると、トランジス
タの動作速度を、シリコン酸化膜をゲート絶縁膜として
使用した場合と比較して２倍程度、比較例のシリコン窒
化膜を使用した場合と比較して、１．５倍程度の高速化
ができることになる。Therefore, when the silicon nitride film of this embodiment is used as a gate insulating film of a transistor, the operation speed of the transistor is about twice that of the case where a silicon oxide film is used as a gate insulating film, and the operation speed of the comparative example is reduced. The speed can be increased about 1.5 times as compared with the case where the silicon nitride film is used.
【００３７】また、本実施例のシリコン窒化膜をＤＲＡ
Ｍの誘電膜として用いた場合に、同じ電荷量を蓄えるの
に、シリコン酸化膜ゲートを用いた場合と比較して、
０．５倍程度セル面積を縮小することができる。また、
比較例のシリコン窒化膜を用いた場合と比較して、０．
６７倍にセル面積縮小することができる。Further, the silicon nitride film of this embodiment is
When used as a dielectric film of M, the same amount of charge is stored, compared to the case where a silicon oxide film gate is used.
The cell area can be reduced by about 0.5 times. Also,
As compared with the case where the silicon nitride film of the comparative example was used, the difference between 0.
The cell area can be reduced by a factor of 67.
【００３８】図８に、シリコン窒化膜の注入電荷量とし
きい値の関係を示す。シリコン窒化膜に電荷を注入する
系を図９に示す。９０１は電圧計、９０２は電流計、９
０３は定電流源である。測定は以下の手順で行った。FIG. 8 shows the relationship between the amount of charge injected into the silicon nitride film and the threshold. FIG. 9 shows a system for injecting charges into the silicon nitride film. 901 is a voltmeter, 902 is an ammeter, 9
03 is a constant current source. The measurement was performed according to the following procedure.
【００３９】（１）探針５０５をゲート電極５０４に接
触させ、ゲート電極５０４を介して一定電流をシリコン
窒化膜５０３に注入した。(1) The probe 505 was brought into contact with the gate electrode 504, and a constant current was injected into the silicon nitride film 503 through the gate electrode 504.
【００４０】（２）図５の測定系を用いて、Ｃ−Ｖカー
ブを測定しＣ−Ｖカーブからしきい値電圧を求めた。(2) Using the measurement system shown in FIG. 5, a CV curve was measured, and a threshold voltage was determined from the CV curve.
【００４１】図９が示すように、比較例のシリコン窒化
膜では、注入電荷量に対するしきい値変化量は大きい
が、本実施例のシリコン窒化膜は、注入電荷量に対する
しきい値の変化量は小さい。この結果から、本発明のシ
リコン窒化膜はしきい値電圧の経時変化が小さく、信頼
性が向上していることが分かる。As shown in FIG. 9, in the silicon nitride film of the comparative example, the threshold variation with respect to the injected charge is large, but in the silicon nitride film of the present embodiment, the threshold variation with respect to the injected charge is large. Is small. From these results, it can be seen that the silicon nitride film of the present invention has a small change over time in the threshold voltage and has improved reliability.
【００４２】上記に示した、窒化膜中のＳｉ−Ｈ結合お
よびＮ−Ｈ結合の存在、窒化膜中のトラップの減少（Ｃ
−Ｖカーブ中のヒステリシス幅の減少）、注入電荷量に
対するしきい値のシフト量の減少、誘電率の増加は、不
活性ガスにアンモニアガスを２％以上添加した場合に、
同様の効果があることがある。As described above, the existence of Si—H bonds and N—H bonds in the nitride film and the reduction of traps in the nitride film (C
-The decrease in the hysteresis width in the -V curve), the decrease in the shift amount of the threshold with respect to the injected charge amount, and the increase in the dielectric constant are caused when ammonia gas is added to the inert gas by 2% or more.
There may be similar effects.
【００４３】[0043]
【発明の効果】本発明により、膜中の電子またはホール
トラップのない薄層のシリコン窒化膜を安定して提供す
ることが可能となり、かかる窒化シリコン膜をゲート絶
縁膜に用いることにより、高速で、且つしきい値に経時
変化のない信頼性の高いＭＩＳトランジスタ等の高性能
半導体装置を提供することが可能となる。According to the present invention, it is possible to stably provide a thin silicon nitride film having no electrons or hole traps in the film. In addition, it is possible to provide a high-performance semiconductor device such as a highly reliable MIS transistor whose threshold value does not change with time.
【００４４】また、本発明のシリコン窒化膜を用いるこ
とにより、半導体素子のより高密度かを達成することが
できる。Further, by using the silicon nitride film of the present invention, it is possible to achieve a higher density of the semiconductor element.
【図１】本発明のシリコン窒化膜を形成するための装置
の一例を示す概念図である。FIG. 1 is a conceptual diagram showing an example of an apparatus for forming a silicon nitride film of the present invention.
【図２】シリコン窒化膜のＸ線光電子分光スペクトルを
示すグラフである。FIG. 2 is a graph showing an X-ray photoelectron spectrum of a silicon nitride film.
【図３】シリコン窒化膜の赤外吸収スペクトルを示すグ
ラフである。FIG. 3 is a graph showing an infrared absorption spectrum of a silicon nitride film.
【図４】シリコン窒化膜のＣ−Ｖカーブを示すグラフで
ある。FIG. 4 is a graph showing a CV curve of a silicon nitride film.
【図５】Ｃ−Ｖカーブの測定系を示す概念図である。FIG. 5 is a conceptual diagram showing a measurement system of a CV curve.
【図６】水素添加量とＣ−Ｖカーブのヒステリシスの幅
の関係を示すグラフである。FIG. 6 is a graph showing the relationship between the amount of hydrogen added and the width of hysteresis of a CV curve.
【図７】成膜方法の違いによるシリコン窒化膜の誘電率
を示すグラフである。FIG. 7 is a graph showing a dielectric constant of a silicon nitride film according to a difference in a film forming method.
【図８】シリコン窒化膜の注入電荷量としきい値の関係
を示すグラフである。FIG. 8 is a graph showing the relationship between the amount of charge injected into the silicon nitride film and the threshold.
【図９】シリコン窒化膜に電荷を注入する系を示す概念
図である。FIG. 9 is a conceptual diagram showing a system for injecting charges into a silicon nitride film.
１０１ 真空容器、 １０２ ターボ分子ポンプ、 １０３ ガス導入口、 １０４ シリコンウエハ、 １０５ 試料台、 １０６ 同軸導波管、 １０７ ラジアルラインスロットアンテナ、 １０８ マイクロ波透過用石英窓、 １０９ シールド（石英／Ａｌ製）、 １１０ 石英製の試料台カバー、 １１１ ビューポート、 １１２ ゲートバルブ、 ２０１，２０２ Ｓｉ３Ｎ４に起因するピーク、 ２０３ Ｎ−Ｈ結合に起因するピーク、 ３０１ Ｓｉ−Ｈに起因するピーク、 ５０１ シリコンウエハ、 ５０２ フィールド酸化膜、 ５０３ ゲートシリコン窒化膜、 ５０４ ゲート電極、 ５０５ 探針、 ５０６ 電流計、 ５０７ 直流電圧印加手段、 ５０８ 高周波電流印加手段、 ９０１ 電圧計、 ９０２ 電流計、 ９０３ 定電流源。101 vacuum vessel, 102 turbo molecular pump, 103 gas inlet, 104 silicon wafer, 105 sample stage, 106 coaxial waveguide, 107 radial line slot antenna, 108 quartz window for microwave transmission, 109 shield (made of quartz / Al) , 110 quartz sample table cover, 111 viewports, 112 a gate valve, a peak attributable to 201,202 Si 3 N 4, peaks attributed to 203 N-H bond, a peak attributable to 301 Si-H, 501 silicon Wafer, 502 field oxide film, 503 gate silicon nitride film, 504 gate electrode, 505 probe, 506 ammeter, 507 DC voltage applying means, 508 high frequency current applying means, 901 voltmeter, 902 ammeter, 903 constant current source.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 関根 克行 宮城県仙台市青葉区荒巻字青葉（無番地) 東北大学内 (72)発明者 斉藤 祐司 宮城県仙台市青葉区荒巻字青葉（無番地) 東北大学内 (72)発明者 平山 昌樹 宮城県仙台市青葉区荒巻字青葉（無番地) 東北大学内 (72)発明者 新田 雄久 東京都文京区本郷４丁目１番４号株式会社 ウルトラクリーンテクノロジー開発研究所 内 Ｆターム(参考） 5F058 BA06 BA11 BC08 BF30 BF54 BF60 BF74 BJ01 BJ10 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Katsuyuki Sekine, Aoba, Aoba-ku, Aoba-ku, Sendai City, Miyagi Prefecture (no address) Inside Tohoku University (72) Inventor Yuji Saito, Aoba-aki Aoba, Aoba-ku, Aoba-ku, Sendai City, Miyagi Prefecture (no address) Inside Tohoku University (72) Inventor Masaki Hirayama Aoba, Aoba-ku, Aoba-ku, Sendai City, Miyagi Prefecture (no address) Inside Tohoku University (72) Inventor Yuhisa Nitta 4-1-1 Hongo, Bungo-ku, Tokyo Ultra Clean Technology Co., Ltd. 5F058 BA06 BA11 BC08 BF30 BF54 BF60 BF74 BJ01 BJ10
Claims (8)
し、該処理室内に載置されたシリコン基体の表面を直接
窒化して形成したシリコン窒化膜であって、 Ｓｉ−Ｈ結合および／またはＮ−Ｈ結合を有することを
特徴とするシリコン窒化膜。1. A silicon nitride film formed by introducing a mixed gas containing a nitrogen gas into a processing chamber and directly nitriding the surface of a silicon substrate placed in the processing chamber, wherein the silicon nitride film has a Si—H bond and / or Alternatively, a silicon nitride film having an NH bond.
ガスを含む混合ガスを導入して、プラズマを生起し、該
処理室内に載置されたシリコン基体の表面を直接窒化す
ることを特徴とするシリコン窒化膜の形成方法。2. A method according to claim 1, wherein a mixed gas containing a nitrogen gas, an inert gas, and a hydrogen gas is introduced into the processing chamber to generate plasma, and the surface of the silicon substrate placed in the processing chamber is directly nitrided. Method for forming a silicon nitride film.
を含む混合ガスを導入して、プラズマを生起し、該処理
室内に載置されたシリコン基体の表面を直接窒化するこ
とを特徴とするシリコン窒化膜の形成方法。3. A silicon characterized by introducing a mixed gas containing an ammonia gas and an inert gas into a processing chamber to generate plasma and directly nitriding the surface of a silicon substrate placed in the processing chamber. A method for forming a nitride film.
％以上であることを特徴とする請求項２に記載のシリコ
ン窒化膜の形成方法。4. The partial pressure of hydrogen gas in the mixed gas is 0.5
3. The method according to claim 2, wherein the amount of the silicon nitride film is not less than 10%.
２．０％以上であることを特徴とする請求項３に記載の
シリコン窒化膜の形成方法。5. The method according to claim 3, wherein the partial pressure of the ammonia gas in the mixed gas is 2.0% or more.
アンテナを通してマイクロ波を導入して生起したもので
あることを特徴とする請求項２又は３に記載のシリコン
窒化膜の形成方法。6. The method according to claim 2, wherein the plasma is generated by introducing a microwave through a radial line slot antenna.
し、該処理室内に載置されたシリコン基体の表面を直接
窒化して形成したＳｉ−Ｈ結合および／またはＮ−Ｈ結
合を有するシリコン窒化膜を一部に含むことを特徴とす
る半導体装置。7. A Si—H bond and / or an N—H bond formed by introducing a mixed gas containing nitrogen gas into a processing chamber and directly nitriding the surface of a silicon substrate placed in the processing chamber. A semiconductor device comprising a silicon nitride film in part.
を導入し、該処理室内に載置されたシリコン基体の表面
を直接窒化して形成したＳｉ−Ｈ結合および／またはＮ
−Ｈ結合を有するシリコン窒化膜を一部に含むことを特
徴とする半導体装置。8. A Si—H bond and / or N 2 formed by introducing a mixed gas containing ammonia gas into a processing chamber and directly nitriding the surface of a silicon substrate placed in the processing chamber.
A semiconductor device including a silicon nitride film having an -H bond in part thereof.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11134660A JP2000150512A (en) | 1998-04-06 | 1999-04-06 | Silicon nitride film, formation method therefor, and semiconductor device |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10-93162 | 1998-04-06 | ||
| JP9316298 | 1998-04-06 | ||
| JP11134660A JP2000150512A (en) | 1998-04-06 | 1999-04-06 | Silicon nitride film, formation method therefor, and semiconductor device |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000150512A true JP2000150512A (en) | 2000-05-30 |
Family
ID=26434584
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| JP11134660A Pending JP2000150512A (en) | 1998-04-06 | 1999-04-06 | Silicon nitride film, formation method therefor, and semiconductor device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000150512A (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
1999
- 1999-04-06 JP JP11134660A patent/JP2000150512A/en active Pending
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