JP2005217244A - 基板処理方法、半導体装置の製造方法、及び水素化処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】イオン損傷が少なく、しかも、ＰＭＡよりも短時間で水素化処理を行うことができる基板処理方法を提供する。
【解決手段】水素−水素間の結合エネルギー以上のエネルギーを有する光を照射可能な光源３から水素ガスを含む雰囲気中に前記光を照射することにより水素原子活性種を生じさせ、この水素原子活性種で水素化被処理基板３０を水素化処理する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、基板を水素化処理する際に好適に用いることができる基板処理方法、半導体装置の製造方法、並びに、前記基板処理方法及び前記半導体装置の製造方法を実施する際等に好適に用いることができる水素化処理装置に関する。

従来、半導体装置の分野では、酸化膜／シリコン界面の特性を向上させるために、酸化膜／シリコン界面のシリコンを水素化処理する、すなわち、酸化膜／シリコン界面のシリコンのダングリングボンドを水素終端することが行われている。

酸化膜／シリコン界面のシリコンを水素化処理する方法としては、ＰＭＡ（Post Metallization Anneal）を用いたものが知られている。この方法では、シリコンウエハ上に絶縁膜を形成するとともに、この絶縁膜上にアルミニウム電極を形成した基板を用いる。この基板を水素ガスや不活性ガスを含む混合ガス雰囲気で熱処理する。この熱処理により、混合ガス中の水素ガスが水素原子に分解されるとともに、アルミニウムと酸化膜中の水分（Ｈ_２Ｏ）との反応が促進されて水素原子が生じる。このようにして生じた水素原子により酸化膜／シリコン界面のシリコンのダングリングボンドが水素終端される。

また、薄膜半導体素子の製造方法としては、シリコン薄膜の表面を水素プラズマによりプラズマ水素化した後に、シリコン薄膜の表面上に絶縁膜を形成する方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平７−９９３２１号公報（段落００７１〜段落００９８、図２０及び図２１）

しかしながら、ＰＭＡを用いた水素化処理方法では、水素化処理に比較的活性の低い水素分子を用いて水素化処理を行うため、処理時間が長いという問題がある。一方、水素プラズマによりプラズマ水素化する方法では、水素プラズマ中のイオンにより、シリコン薄膜表面が損傷されるという問題がある。

本発明は、このような事情にもとづいてなされたもので、イオン損傷が少なく、しかも、ＰＭＡよりも短時間で水素化処理を行うことができる基板処理方法、半導体装置の製造方法、及び水素化処理装置を提供することを目的とする。

本発明の一形態に係る基板処理方法は、水素−水素間の結合エネルギー以上のエネルギーを有する光を照射可能な光源から水素ガスを含む雰囲気中に前記光を照射することにより水素原子活性種を生じさせ、この水素原子活性種で水素化被処理基板を水素化処理する。

本発明の他の一形態に係る基板処理方法は、水素化被処理基板を水素ガス又は水素ガスを含む雰囲気中に設ける工程と、前記水素ガス又は水素ガスを含む雰囲気中に水素ガスを水素原子活性種に分解する光を照射する工程とを有して前記水素化被処理基板を水素化処理する。

本発明の一形態に係る基板処理方法及び本発明の他の一形態に係る基板処理方法では、いずれも、光によって水素ガスから水素原子活性種を生じさせ、この水素原子活性種を用いて水素化被処理基板を水素化処理する。つまり、本発明の一形態に係る基板処理方法及び本発明の他の一形態に係る基板処理方法では、水素プラズマを用いることなく、水素化被処理基板を水素化処理することができるため、水素化被処理基板に与えるイオン損傷が無い。しかも、水素原子活性種は水素分子と比べて活性が高いため、ＰＭＡよりも短時間で水素化被処理基板を水素化処理することができる。

前記水素化被処理基板としては、例えば、半導体層と、この半導体層上に形成された絶縁膜とを有するものを用いることができる。この場合、水素原子活性種により前記水素化被処理基板を水素化処理することで、前記半導体層と前記絶縁膜との界面におけるダングリングボンドが水素終端される。つまり、このようにすることにより、前記半導体層と前記絶縁膜との界面におけるダングリングボンドを、イオン損傷が少なく、しかも、ＰＭＡよりも短時間で水素終端させることができる。

前記水素化被処理基板としては、例えば、シリコン層と、このシリコン層上に形成された酸化シリコン絶縁膜とを有するものを用いてもよい。前記シリコン層は、例えば、単結晶シリコン層、多結晶シリコン層、微結晶シリコン層、またはアモルファスシリコン層等とすることができる。この場合、水素原子活性種により前記水素化被処理基板を水素化処理することで、前記シリコン層と前記酸化シリコン絶縁膜との界面におけるダングリングボンドが水素終端される。つまり、このようにすることにより、単結晶シリコン層、多結晶シリコン層、微結晶シリコン層、またはアモルファスシリコン層等といった前記シリコン層と前記酸化シリコン絶縁膜との界面におけるダングリングボンドを、イオン損傷が少なく、しかも、ＰＭＡよりも短時間で水素終端させることができる。

前記光としては、例えば、キセノンエキシマランプから照射された光、クリプトンエキシマランプから照射された光、又はアルゴンエキシマランプから照射された光を用いることができる。このような光を用いることにより、水素ガスを水素原子活性種に分解することができる。

前記水素化被処理基板は、２００℃乃至４５０℃に加熱した状態で水素化処理するのが好ましい。このようにすることにより、水素化被処理基板を水素原子活性種によって良好に水素化処理することができる。

本発明の一形態に係る半導体装置の製造方法は、水素化被処理半導体基板を水素ガス又は水素ガスを含む雰囲気中に設ける工程と、前記水素ガス又は水素ガスを含む雰囲気中に水素ガスを水素原子活性種に分解する光を照射する工程とを有して前記水素化被処理半導体基板を水素化処理する。

本発明の一形態に係る半導体装置の製造方法では、光によって水素ガスを水素原子活性種に分解し、この水素原子活性種を用いて水素化被処理半導体基板を水素化処理する。つまり、本発明の一形態に係る半導体装置の製造方法では、水素プラズマを用いることなく、水素化被処理半導体基板を水素化処理することができるため、水素化被処理半導体基板に与えるイオン損傷が無い。しかも、水素原子活性種は水素原子と比べて活性が高いため、ＰＭＡよりも短時間で水素化被処理半導体基板を水素化処理することができる。

前記水素化被処理半導体基板としては、例えば、半導体層と、この半導体層上に形成された絶縁膜とを有するものを用いることができる。この場合、水素原子活性種により前記水素化被処理半導体基板を水素化処理することで、前記半導体層と前記絶縁膜との界面におけるダングリングボンドが水素終端される。つまり、このようにすることにより、前記半導体層と前記絶縁膜との界面におけるダングリングボンドを、イオン損傷が少なく、しかも、ＰＭＡよりも短時間で水素終端させることができる。

前記水素化被処理半導体基板としては、例えば、シリコン層と、このシリコン層上に形成された酸化シリコン絶縁膜とを有するものを用いてもよい。前記シリコン層は、例えば、単結晶シリコン層、多結晶シリコン層、微結晶シリコン層、またはアモルファスシリコン層等とすることができる。この場合、水素原子活性種により前記水素化被処理半導体基板を水素化処理することで、前記シリコン層と前記酸化シリコン絶縁膜との界面におけるダングリングボンドが水素終端される。つまり、このようにすることにより、単結晶シリコン層、多結晶シリコン層、微結晶シリコン層、またはアモルファスシリコン層等といった前記シリコン層と前記酸化シリコン絶縁膜との界面におけるダングリングボンドを、イオン損傷が無く、しかも、ＰＭＡよりも短時間で水素終端させることができる。

前記光としては、例えば、キセノンエキシマランプから照射された光、クリプトンエキシマランプから照射された光、又はアルゴンエキシマランプから照射された光を用いることができる。このような光を用いることにより、水素ガスを水素原子活性種に分解することができる。

前記水素化被処理半導体基板は、２００℃乃至４５０℃に加熱した状態で水素化処理するのが好ましい。このようにすることにより、水素化被処理半導体基板を水素原子活性種によって良好に水素化処理することができる。

本発明の一形態に係る水素化処理装置は、壁を有する気密容器と、水素化被処理基板を支持する支持面を有し、前記気密容器内に設けられた前記水素化被処理基板を支持するための支持台と、前記気密容器の壁に設けられた水素ガスを供給するための水素ガス導入口と、前記気密容器の壁のうちの前記支持面に対向する部分に前記気密容器の壁の一部として設けられた透光性部材からなる光透過窓と、前記気密容器外に設けられ、前記光透過窓を介して前記気密容器内に水素ガスを分解する光を照射する光源とを具備している。

本発明の一形態に係る水素化処理装置では、気密容器内に設けられた支持台によって、水素化被処理基板を支持させることができる。また、本発明の一形態に係る水素化処理装置では、水素ガス導入口を介して気密容器内に水素ガスを供給することで、気密容器内を水素ガスを含む雰囲気とすることができる。しかも、本発明の一形態に係る水素化処理装置は、気密容器外に、気密容器の壁の一部をなす光透過窓を介して、この気密容器内に水素ガスを分解する光を照射する光源を備えている。

したがって、本発明の一形態に係る水素化処理装置によれば、支持台に水素化被処理基板を支持させるとともに、気密容器内を水素ガスを含む雰囲気とし、光透過窓を介して光源から気密容器内に水素ガスを分解する光を照射することによって、イオン損傷が少なく、しかも、ＰＭＡよりも短時間で、水素化被処理基板を水素化処理することができる。

以下、本発明の基板処理方法の一実施形態、本発明の半導体装置の製造方法の一実施形態、本発明の水素化処理装置の一実施形態について説明する。

まず、本発明の水素化処理装置の一実施形態を、図１を参照して説明する。図１に示すように、水素化処理装置１は、気密容器例えば真空反応室２、光源３、ランプハウス４、及び、支持台５等を備えている。

真空反応室２は、気密容器からなる。真空反応室２は、底壁１１ａ、上壁１１ｂ、底壁１１ａの周縁と上壁１１ｂの周縁とを繋ぐ周壁１１ｃ、及び光透過窓１３を有している。底壁１１ａ、上壁１１ｂ、及び、周壁１１ｃを形成する材料としては、例えばアルミニウムを用いることができる。

上壁１１ｂには、開口部１２が形成されている。この開口部１２は、光源３（この光源３については後述する）から照射された光を透過させる光透過窓１３により気密に閉塞され、これにより、真空が保たれている。つまり、光透過窓１３は、真空反応室２の壁（上壁１１ｂ）の一部を構成している。

詳しくは、光透過窓１３は、開口部１２に嵌め込まれる第１の部分１３ａと、第１の部分１３ａの上方に設けられ、第１の部分１３ａよりも一回り大きく形成された第２の部分１３ｂとが一体に形成されてなる。すなわち、光透過窓１３は、断面略Ｔ字状に形成されており、第２の部分１３ｂは、第１の部分１３ａの周面よりも外方に張り出す張り出し部１４を有している。

上壁１１ｂと光透過窓１３との封止機構は、上壁１１ｂの上面に設けられた溝１５と、Ｏリング１６とを有している。溝１５は、上壁１１ｂの上面に、開口部１２を囲むように設けられている。Ｏリング１６は、例えばゴム材料等により形成されている。この封止機構は、溝１５にＯリング１６を設けることで構成されている。

開口部１２は、光透過窓１３と封止機構とによって気密に閉塞されている。詳しくは、開口部１２には、光透過窓１３の第１の部分１３ａが嵌合している。また、Ｏリング１６は、第２の部分１３ｂの張り出し部１４と上壁１１ｂとの間に配置されて、光透過窓１３と上壁１１ｂとの間をシールしている。

なお、光透過窓１３は、例えば、合成石英により形成することができるが、光透過窓１３は、合成石英に限定されるものではなく、水素ガスを分解するための光（光源３から発せられる光）に対して光学的に透明な部材により形成すればよい。

また、真空反応室２を構成する底壁１１ａ、上壁１１ｂ、周壁１１ｃ、及び、光透過窓１３は、真空反応室２の内部を真空状態にまで減圧することが可能な強度に設定されている。図１中符号１７は、真空排気口を示している。この真空排気口１７は、真空反応室２の例えば底壁１１ａに設けられている。真空反応室２の内部は、この真空排気口１７を介して、真空ポンプ１８と連通されている。したがって、真空反応室２内の空気は、真空ポンプ１８を駆動させることで、真空排気口１７を介して外部に排気される。

図１中符号１９は、水素化処理するための水素ガスを真空反応室２内に供給するための水素ガス導入口を示している。真空反応室２の内部は、この水素ガス導入口１９を介して、水素ガスを収容する水素ガスシリンダ（図示せず）と連通されている。これにより、水素ガスシリンダ内の水素ガスは、所望とするときに所望とする期間、水素ガス導入口１９を介して真空反応室２内に導入される。

図１中符号２０は、パージガス導入口を示している。真空反応室２の内部は、このパージガス導入口２０を介して、パージガスを収容するパージガスシリンダ（図示せず）と連通されている。これにより、パージガスシリンダ内のパージガスが、水素ガスを真空反応室２内に供給する前に、パージガス導入口２０を介して真空反応室２内に導入される。パージガスとしては、例えば、窒素ガスや、アルゴンガス等の不活性ガスを用いることができる。

光源３としては、水素ガスを分解する光、すなわち、水素（Ｈ）−水素（Ｈ）間の結合エネルギー以上のエネルギーを有する光を照射可能なものを用いている。このような光源３としては、例えば、キセノンエキシマランプ、クリプトンランプ、又はアルゴンエキシマランプが挙げられる。

すなわち、Ｈ−Ｈ間の結合エネルギーは４３２．０７ｋＪ／ｍｏｌ（約１０３．２３ｋｃａｌ／ｍｏｌ）であることが知られている（出典：化学便覧基礎編II、ｐ.II−３０１、日本化学会編、丸善株式会社）。

一方、光のエネルギーＥは、以下の（１）式から求められる。

Ｅ＝ｈν＝ｈ・ｃ／λ [Ｊ] …（１）
ｈ：プランク定数（約６．６２６×１０^−３４Ｊ・ｓ）
ν：振動数
ｃ：真空中の光の速さ（約２．９９８×１０^８ｍ・ｓ^−１）
λ：波長
また、１ｍｏｌあたりのエネルギーＥｍは、以下の（２）式から求められる。

Ｅｍ＝Ｎ_Ａ×Ｅ [Ｊ／ｍｏｌ] …（２）
Ｎ_Ａ：アボガドロ数（約６．０２２×１０^２３ｍｏｌ^−１）
キセノンエキシマランプは、１７２ｎｍにピークを有している。すなわち、キセノンエキシマランプの波長λは、１７２×１０^−９ｍであるため、キセノンエキシマランプの光のエネルギーＥは、（１）式より、約１．１５５×１０^−１８Ｊとなる。したがって、キセノンエキシマランプの１ｍｏｌあたりの光のエネルギーは、（２）式より、約６９６ｋＪ／ｍｏｌ（約１６６ｋｃａｌ／ｍｏｌ）となる。

クリプトンエキシマランプは１４６ｎｍにピークを有している。すなわち、クリプトンエキシマランプの波長λは、１４６×１０^−９ｍであるため、クリプトンエキシマランプの光のエネルギーＥは、（１）式より、約１．３６１×１０^−１８Ｊとなる。したがって、クリプトンエキシマランプの１ｍｏｌあたりの光のエネルギーは、（２）式より、約８１９ｋＪ／ｍｏｌ（約１９６ｋｃａｌ／ｍｏｌ）となる。

アルゴンエキシマランプは、１２６ｎｍにピークを有している。すなわち、アルゴンエキシマランプの波長λは、１２６×１０^−９ｍであるため、アルゴンエキシマランプの光のエネルギーは、（２）式より、約９４４ｋＪ／ｍｏｌ（約２２５ｋｃａｌ／ｍｏｌ）となる。

したがって、キセノンエキシマランプ、クリプトンエキシマランプ、及びアルゴンエキシマランプから発せられる光のエネルギーは、Ｈ−Ｈ間の結合エネルギーよりも大きい。本実施形態では、光源３は、２本の直管状のキセノンエキシマランプ２１ａ，２１ｂと、リフレクタ２２ａ，２２ｂとを有している。

光源３を収容するランプハウス４は、真空反応室２の上方に設けられている。キセノンエキシマランプ２１ａ，２１ｂは、このランプハウス４内において、互いに平行に配置されている。キセノンエキシマランプ２１ａ，２１ｂの上方には、これらキセノンエキシマランプ２１ａ，２１ｂを上方から覆うようにリフレクタ２２ａ，２２ｂが夫々設けられている。リフレクタ２２ａ，２２ｂは、キセノンエキシマランプ２１ａ，２１ｂの長手方向に沿って設けられている。リフレクタ２２ａ，２２ｂは、キセノンエキシマランプ２１ａ，２１ｂから発せられた光を支持台５の方向に導く機能を有している。これにより、キセノンエキシマランプ２１ａ，２１ｂから発せられた光は、直接的或いはリフレクタ２２ａ，２２ｂにより反射されて間接的に下方に出射され、光透過窓１３を透過して、真空反応室２内に照射される。

ところで、キセノンエキシマランプ２１ａ，２１ｂから発せられる光は、酸素分子を酸素原子活性種に分解することが可能である。そのため、キセノンエキシマランプ２１ａ，２１ｂから発せられる光は、大気圧の場合、数ｍｍの空気層が存在するだけで、空気層中の酸素分子を分解しながらこの空気層に吸収されてしまう。したがって、水素化処理装置１では、ランプハウス４を、その内部が気密となるように形成するとともに、このランプハウス４内に、キセノンエキシマランプ２１ａ，２１ｂから発せられる波長が１７２ｎｍの光を吸収しないガス、例えば窒素ガスを略大気圧となるように満たしている。図１中符号２３はガス流通口２３を示している。このガス流通口２３を介してランプハウス４内にランプハウス４の外部から窒素ガスが供給されるとともに、このガス流通口２３を介してランプハウス４内の窒素ガスがランプハウス４の外部に排出されるようになっている。

真空反応室２内には、水素化被処理基板（以下、単に基板という）３０を定められた位置に載置する支持台５が設けられている。支持台５内には、加熱装置２４、例えば、ヒータが設けられている。この加熱装置２４は、基板３０の温度を所望の温度とするためのものである。このようにして、水素化処理装置１が構成されている。

次に、基板３０の水素化処理方法（基板処理方法）、及び、半導体装置の製造方法について説明する。

まず、基板３０を用意する。基板３０としては、例えば、（１００）面の比抵抗が１０〜２０Ωｃｍの直径６インチの円板状のＰ導電型の単結晶シリコン（Ｓｉ）ウエハ３１上に酸化シリコン膜３２が形成されたものを用いることができる（図２参照）。酸化シリコン絶縁膜３２は、第１の酸化シリコン絶縁膜３２ａと第２の酸化シリコン絶縁膜３２ｂとを有している。酸化シリコン絶縁膜３２は、例えは、単結晶Ｓｉウエハ３１を１％のフッ酸で洗浄し、さらに、純粋洗浄と乾燥とを行い、その後、この単結晶Ｓｉウエハ３１を光酸化することで、この単結晶シリコンウエハ３１上に第１の酸化シリコン絶縁膜３２ａを形成するとともに、ＰＥ−ＣＶＤ（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）により、第１の酸化シリコン絶縁膜３２ａ上に第２の酸化シリコン絶縁膜３２ｂを積層させることで形成することができる。第１の酸化シリコン絶縁膜３２ａ上に第２の酸化シリコン絶縁膜３２ｂを積層させると、酸化シリコン絶縁膜３２へのトンネル電流が低減させることができるので好ましい。以下、単結晶Ｓｉウエハ３１の（１００）面上に上記酸化シリコン絶縁膜３２が形成されたものを基板３０と称する。すなわち、本実施形態の基板３０は、半導体層としての単結晶Ｓｉウエハ３１と、絶縁膜としての酸化シリコン絶縁膜３２とを有する。つまり、この基板３０は、水素化被処理基板であって、水素化被処理半導体基板でもある。

単結晶Ｓｉウエハ３１の（１００）面を上側、すなわち、光源３側に向けた状態で、前記基板３０を真空反応室２内の支持台５上に載置する。温度を上げた加熱装置２４により、基板温度を２００℃乃至４５０℃、例えば３００℃に加熱する。真空ポンプ１８により、真空反応室２を真空度２×１０^−４Ｐａに排気する。その後、水素ガス導入口１９から真空反応室２内に水素ガスを導入し、真空反応室２内の圧力を６６５Ｐａに保持する。その後、光源３を点灯させる。これにより、光源３から発せられる光は、光透過窓１３を透過して、真空反応室２内に照射される。

上述のように、光源３から発せられる光の１ｍｏｌあたりのエネルギーは約６９６ｋＪ／ｍｏｌであり、Ｈ−Ｈ間の結合エネルギー（４３２．０７ｋＪ／ｍｏｌ）よりも大きい。そのため、光源３から水素ガスを含む雰囲気中に前記光を照射することにより、水素ガスが直接的且つ効率よく分解される。すなわち、水素ガスのＨ−Ｈ間の結合が照射された光により切断されて、反応性の高い水素原子活性種が生じる（（３）式参照）。

Ｈ_２＋ｈν→２Ｈ^＊ …（３）
Ｈ^＊：水素原子活性種
生成した水素原子活性種は、基板３０を水素化処理する。すなわち、生成した水素原子活性種は、基板３０の表面から酸化シリコン絶縁膜３２／Ｓｉウエハ３１界面に向けて拡散し、酸化シリコン絶縁膜３２との界面におけるシリコンのダングリングボンドを水素終端させる。

生成した水素原子活性種（２Ｈ^＊）は、水素分子（Ｈ_２）と比べて活性が高い、すなわち、高エネルギー状態にある。したがって、酸化シリコン絶縁膜３２とＳｉウエハ３１との界面の水素化処理をＰＭＡよりも短時間に行うことができる。しかも、ＰＭＡでは、基板温度を３００℃乃至５００℃程度といった温度で水素化処理を行う必要があるが、本実施形態の基板処理方法では、２００℃乃至４５０℃の基板温度で基板３０を水素化処理することができる。したがって、本実施形態の基板処理方法では、ＰＭＡと比べて基板温度を低温化させることができる。言い換えれば、本実施形態の基板処理方法では、ＰＭＡと比べて低い基板温度で、酸化シリコン絶縁膜３２／Ｓｉウエハ３１界面の水素化処理を行うことができる。しかも、本実施形態の基板処理方法では、水素プラズマが発生しないため、Ｓｉウエハのイオン損傷を無くすことができる。

本実施形態の基板処理方法で水素化処理した基板３０の酸化シリコン絶縁膜３２／Ｓｉウエハ３１界面の特性を以下のようにして評価した。
まず、以下のような４種類（（１）〜（４））の基板３０を２つずつ（計８つ）用意した。

（１）単結晶Ｓｉウエハ３１の（１００）面上に、ＰＥ−ＣＶＤによって酸化シリコン絶縁膜３２（膜厚３０ｎｍ）を形成してなる基板３０（つまり、単結晶Ｓｉウエハ３１を光酸化してなる第１の酸化シリコン絶縁膜３２ａの膜厚は０ｎｍ、第２の酸化シリコン絶縁膜３２ｂの膜厚は３０ｎｍ）
（２）単結晶Ｓｉウエハ３１の（１００）面上に、単結晶Ｓｉウエハ３１を光酸化してなる第１の酸化シリコン絶縁膜３２ａ（膜厚１ｎｍ）と、ＰＥ−ＣＶＤにより第１の酸化シリコン絶縁膜３２ａ上に形成された第２の酸化シリコン絶縁膜３２ｂ（膜厚３０ｎｍ）との積層膜からなる酸化シリコン絶縁膜３２を形成してなる基板３０
（３）単結晶Ｓｉウエハ３１の（１００）面上に、単結晶Ｓｉウエハ３１を光酸化してなる第１の酸化シリコン絶縁膜３２ａ（膜厚２ｎｍ）と、ＰＥ−ＣＶＤにより第１の酸化シリコン絶縁膜３２ａ上に形成された第２の酸化シリコン絶縁膜３２ｂ（膜厚３０ｎｍ）との積層膜からなる酸化シリコン絶縁膜３２を形成してなる基板３０
（４）単結晶Ｓｉウエハ３１の（１００）面上に、単結晶Ｓｉウエハ３１を光酸化してなる第１の酸化シリコン絶縁膜３２ａ（膜厚３ｎｍ）と、ＰＥ−ＣＶＤにより第１の酸化シリコン絶縁膜３２ａ上に形成された第２の酸化シリコン絶縁膜３２ｂ（膜厚３０ｎｍ）との積層膜からなる酸化シリコン絶縁膜３２を形成してなる基板３０
（２）〜（４）の基板３０のように、第１の酸化シリコン絶縁膜３２ａ上に第２の酸化シリコン絶縁膜３２ｂを積層させると、上述したように、トンネル電流が低減し、酸化シリコン絶縁膜３２／Ｓｉウエハ３１界面の界面準位密度が測定し易くなる。

（１）〜（４）の各々２つの基板３０のうちの一方を、上述した基板処理方法にて水素化処理した。つまり、（１）〜（４）の各々２つの基板３０のうちの一方は、水素化処理を施した後の状態となり、（１）〜（４）の各々２つの基板３０のうちの他方は、水素化処理を施す前の状態となる。

水素化処理を施す前の基板３０（（１）〜（４）の基板３０の他方）と、水素化処理を施した基板３０（（１）〜（４）の基板３０の一方）とに夫々について、ゲート電極３３を形成し、半導体装置としてのＭＯＳ素子４０を形成した（図４参照）。ゲート電極３３は、酸化シリコン絶縁膜３２上、すなわち、第２の酸化シリコン絶縁膜３２ｂ上にアルミニウム膜をスパッタ法により形成するとともに、このアルミニウム膜をフォトリソグラフィー法により所定のパターンにパターニングすることで形成した。これらのＭＯＳトランジスタ素子４０について、酸化シリコン絶縁膜３２／Ｓｉウエハ３１界面の界面準位密度を各々測定した。

図３に示すように、本実施形態の基板処理方法を用いて基板３０に水素化処理を施すと、前記処理を施す前と比べて、第１の酸化シリコン絶縁膜３２ａとＳｉウエハ３１の（１００）面との界面の界面準位密度が１桁〜２桁程度低下（１／１０〜１／１００程度に低下）し、界面特性が改善されることがわかった。

また、単結晶Ｓｉウエハの（１１１）面についても同様の評価を行った。すなわち、以下のような４種類（（５）〜（８））の基板を２つずつ（計８つ）用意した。

（５）単結晶Ｓｉウエハの（１１１）面上に、ＰＥ−ＣＶＤによって酸化シリコン絶縁膜（膜厚３０ｎｍ）を形成してなる基板（つまり、単結晶Ｓｉウエハを光酸化してなる第１の酸化シリコン絶縁膜の膜厚は０ｎｍ、第２の酸化シリコン絶縁膜の膜厚は３０ｎｍ）
（６）単結晶Ｓｉウエハの（１１１）面上に、単結晶Ｓｉウエハを光酸化してなる第１の酸化シリコン絶縁膜（膜厚１ｎｍ）と、ＰＥ−ＣＶＤにより第１の酸化シリコン絶縁膜上に形成された第２の酸化シリコン絶縁膜（膜厚３０ｎｍ）との積層膜からなる酸化シリコン絶縁膜を形成してなる基板
（７）単結晶Ｓｉウエハの（１１１）面上に、単結晶Ｓｉウエハを光酸化してなる第１の酸化シリコン絶縁膜（膜厚２ｎｍ）と、ＰＥ−ＣＶＤにより第１の酸化シリコン絶縁膜上に形成された第２の酸化シリコン絶縁膜（膜厚３０ｎｍ）との積層膜からなる酸化シリコン絶縁膜を形成してなる基板
（８）単結晶Ｓｉウエハの（１１１）面上に、単結晶Ｓｉウエハを光酸化してなる第１の酸化シリコン絶縁膜（膜厚３ｎｍ）と、ＰＥ−ＣＶＤにより第１の酸化シリコン絶縁膜上に形成された第２の酸化シリコン絶縁膜（膜厚３０ｎｍ）との積層膜からなる酸化シリコン絶縁膜を形成してなる基板
（５）〜（８）の各々２つの基板のうちの一方を、上述した基板処理方法にて水素化処理した。つまり、（５）〜（８）の各々２つの基板のうちの一方は、水素化処理を施した後の状態となり、（５）〜（８）の各々２つの基板のうちの他方は、水素化処理を施す前の状態となる。

水素化処理を施す前の基板（（１）〜（４）の基板３０の他方）と、水素化処理を施した基板（（１）〜（４）の基板３０の一方）とに夫々について、アルミニウムからなるゲート電極を形成し、半導体装置としてのＭＯＳ素子を形成した。これらＭＯＳトランジスタ素子について、酸化シリコン絶縁膜／Ｓｉウエハ界面の界面準位密度を測定した。

図３に示すように、本実施形態の基板処理方法を用いて基板に水素化処理を施すと、前記処理を施す前と比べて、酸化シリコン絶縁膜と単結晶Ｓｉウエハの（１１１）面との界面の界面準位密度が１桁〜２桁程度低下（１／１０〜１／１００程度に低下）し、界面特性が改善されることがわかった。

なお、ここでは、単結晶シリコンウエハ３１の代表的な（１００）面及び（１１１）面について、酸化シリコン絶縁膜／Ｓｉウエハ界面の特性を評価したが、他の結晶面についても同様の効果が得られると推測される。

以上のように、本実施形態の基板処理方法によれば、Ｈ−Ｈ間の結合エネルギー以上のエネルギーを有する光を照射可能な光源３から水素ガスを含む雰囲気中に前記光を照射することにより水素原子活性種を生じさせ、この水素原子活性種で基板３０を水素化処理するため、イオン損傷が少なく、しかも、ＰＭＡよりも早く水素化処理することができる。

この際、光源３として、キセノンエキシマランプ２１ａ，２１ｂを用いることで、水素ガスのＨ−Ｈ間の結合を切断して、水素原子活性種を生じさせることができる。

さらに、本実施形態の基板処理方法によれば、半導体層としてのＳｉウエハ３１と、このＳｉウエハ３１上に形成された絶縁膜としての酸化シリコン絶縁膜３２とを有する基板３０を水素原子活性種により水素化処理することで、低温でイオン損傷が無く、酸化シリコン絶縁膜３２との界面におけるＳｉのダングリングボンドを水素終端させることができる。しかも、酸化シリコン絶縁膜３２／Ｓｉウエハ３１界面の界面準位密度を低下させ、界面特性を改善することができる。

しかも、本実施形態の基板処理方法によれば、２００℃乃至４５０℃の基板温度で、この基板３０を水素化処理することができる。すなわち、ＰＭＡと比べて低い基板温度で、酸化シリコン絶縁膜３２／Ｓｉウエハ３１界面の水素化処理を行うことができる。

なお、光源３は、キセノンエキシマランプを有するものに限定されるものではない。光源３は、水素−水素間の結合エネルギー以上のエネルギーを有する光を照射可能な光源であればよく、このような光源を用いることで、水素ガスのＨ−Ｈ間の結合を切断して、水素原子活性種を生じさせることができる。水素−水素間の結合エネルギー以上のエネルギーを有する光を照射可能な光源としては、キセノンエキシマランプの他、クリプトンエキシマランプ、又はアルゴンエキシマランプ等を好適に用いることができる。

また、基板３０は、半導体層と、この半導体層上に形成された絶縁膜とを有するものに限定されない。また、基板３０として、半導体層と、この半導体層上に形成された絶縁膜を有するものを用いる場合、上記実施形態のように、半導体ウエハ上に絶縁膜を形成したものに限定されない。このような基板としては、ガラス基板、石英ガラス基板、セラミックス基板、樹脂基板、或いはシリコンウエハ等の上に、多結晶シリコン等の半導体層と絶縁膜とを順不同で積層させたものでもよい。或いは、前記基板としては、ガラス基板、石英ガラス基板、セラミックス基板、樹脂基板、或いはシリコンウエハ等の上に、半導体層と絶縁膜とが順不同で積層されてなる部分を有する回路素子や回路素子の一部を形成したものを用いてもよい。

さらに、半導体層３１は、単結晶シリコンからなる層に限定されるものではなく、半導体からなる層であればよい。もちろん、半導体層３１は、レーザ結晶化や固相結晶化等により形成した多結晶シリコンとしてもよい。また、本発明の基板処理方法は、微結晶シリコン、アモルファスシリコン等を有する基板の水素化処理にも適用できる。

また、絶縁膜３２は、酸化シリコンからなる膜に限定されるものではなく、絶縁物からなる膜であればよい。さらに、本実施形態では、ＭＯＳ素子４０の製造方法を例示したが、本発明の半導体装置の製造方法は、トランジスタ、ダイオード、薄膜トランジスタ等、種々の半導体装置の製造方法（水素化処理）としても適用可能である。

水素化処理装置の一例を示す断面図。 基板処理方法を施す基板の一例を示す断面図。 第１の酸化シリコン絶縁膜の膜厚と界面準位密度との関係を示す図。 第１の酸化シリコン絶縁膜の膜厚と界面準位密度との関係を測定するために用いたＭＯＳ素子の断面図。

符号の説明

３…光源、 ３０…基板（水素化被処理基板、水素化被処理半導体基板）、 ３１…単結晶シリコンウエハ（半導体層、シリコン層）、 ３２…酸化シリコン絶縁膜（絶縁膜）、 ４０…ＭＯＳ素子（半導体装置）

Claims (14)

1. 水素−水素間の結合エネルギー以上のエネルギーを有する光を照射可能な光源から水素ガスを含む雰囲気中に前記光を照射することにより水素原子活性種を生じさせ、この水素原子活性種で水素化被処理基板を水素化処理することを特徴とする基板処理方法。
2. 水素化被処理基板を水素ガス又は水素ガスを含む雰囲気中に設ける工程と、
   前記水素ガス又は水素ガスを含む雰囲気中に水素ガスを水素原子活性種に分解する光を照射する工程と
   を有して前記水素化被処理基板を水素化処理することを特徴とする基板処理方法。
3. 前記水素化被処理基板は、半導体層と、この半導体層上に形成された絶縁膜とを有しており、前記水素原子活性種により前記水素化被処理基板を水素化処理することで、前記半導体層と前記絶縁膜との界面におけるダングリングボンドを水素終端させることを特徴とする請求項１又は２記載の基板処理方法。
4. 前記水素化被処理基板は、シリコン層と、このシリコン層上に形成された酸化シリコン絶縁膜とを有しており、前記水素原子活性種により前記水素化被処理基板を水素化処理することで、前記シリコン層と前記酸化シリコン絶縁膜との界面におけるダングリングボンドを水素終端させることを特徴とする請求項１又は２記載の基板処理方法。
5. 前記シリコン層は、単結晶シリコン層、多結晶シリコン層、微結晶シリコン層またはアモルファスシリコン層であることを特徴とする請求項４記載の基板処理方法。
6. 前記光は、キセノンエキシマランプから照射された光、クリプトンエキシマランプから照射された光、又はアルゴンエキシマランプから照射された光であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１記載の基板処理方法。
7. 前記水素化被処理基板を２００℃乃至４５０℃に加熱した状態で水素化処理することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１記載の基板処理方法。
8. 水素化被処理半導体基板を水素ガス又は水素ガスを含む雰囲気中に設ける工程と、
   前記水素ガス又は水素ガスを含む雰囲気中に水素ガスを水素原子活性種に分解する光を照射する工程と
   を有して前記水素化被処理半導体基板を水素化処理することを特徴とすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
9. 前記水素化被処理半導体基板は、半導体層と、この半導体層上に形成された絶縁膜とを有しており、前記水素原子活性種により前記水素化被処理半導体基板を水素化処理することで、前記半導体層と前記絶縁膜との界面におけるダングリングボンドを水素終端させることを特徴とする請求項８記載の半導体装置の製造方法。
10. 前記水素化被処理半導体基板は、シリコン層と、このシリコン層上に形成された酸化シリコン絶縁膜とを有しており、前記水素原子活性種により前記水素化被処理半導体基板を水素化処理することで、前記シリコン層と前記酸化シリコン絶縁膜との界面におけるダングリングボンドを水素終端させることを特徴とする請求項８記載の半導体装置の製造方法。
11. 前記シリコン層は、単結晶シリコン層、多結晶シリコン層、微結晶シリコン層またはアモルファスシリコン層であることを特徴とする請求項１０記載の半導体装置の製造方法。
12. 前記光は、キセノンエキシマランプから照射された光、クリプトンエキシマランプから照射された光、又はアルゴンエキシマランプから照射された光であることを特徴とする請求項８乃至１１のいずれか１記載の半導体装置の製造方法。
13. 前記水素化被処理半導体基板を２００℃乃至４５０℃に加熱した状態で水素化処理することを特徴とする請求項８乃至１２のいずれか１記載の半導体装置の製造方法。
14. 壁を有する気密容器と、
    水素化被処理基板を支持する支持面を有し、前記気密容器内に設けられた前記水素化被処理基板を支持するための支持台と、
    前記気密容器の壁に設けられた水素ガスを供給するための水素ガス導入口と、
    前記気密容器の壁のうちの前記支持面に対向する部分に前記気密容器の壁の一部として設けられた透光性部材からなる光透過窓と、
    前記気密容器外に設けられ、前記光透過窓を介して前記気密容器内に水素ガスを分解する光を照射する光源と
    を具備してなることを特徴とする水素化処理装置。

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