JP2005311352A - Method of forming oxide film, semiconductor device, method and apparatus for manufacturing the semiconductor device, method of oxidizing silicon carbide substrate, and silicon carbide mos semiconductor device and silicon carbide mos integrated circuit using the method, and apparatus for manufacturing the silicon carbide mos semiconductor device and silicon carbide mos integrated circuit - Google Patents

Method of forming oxide film, semiconductor device, method and apparatus for manufacturing the semiconductor device, method of oxidizing silicon carbide substrate, and silicon carbide mos semiconductor device and silicon carbide mos integrated circuit using the method, and apparatus for manufacturing the silicon carbide mos semiconductor device and silicon carbide mos integrated circuit Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To form a high-quality chemical oxide film on the surface of a semiconductor, at low voltage and at low temperature. <P>SOLUTION: While immersing a silicon substrate 1 to be processed in an oxidizing solution 3 in a processing bath 2, the silicon substrate 1 is connected to a power supply 4. While applying a voltage between the silicon substrate 1 and a counter electrode 5 in the processing bath 2, the oxidizing solution 3, such as nitric acid, is made to react with the silicon substrate 1 so that a silicon dioxide film 15 is formed on the surface of the silicon substrate 1. In this process, growth of the silicon dioxide film 15 occurs at the interface between the silicon substrate 1 and the silicon dioxide film 15 (that is, the surface of the silicon substrate 1). Consequently, the thickness of the silicon dioxide film 15 can be controlled arbitrarily while being at a low voltage and a low temperature so that the high-quality silicon dioxide film 15 can be formed easily on the surface of the silicon substrate 1. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、酸化膜の形成方法、半導体装置の製造方法および半導体装置の製造装置に関するものであり、例えば、半導体集積回路などに用いられる金属−酸化物−半導体装置、すなわち、MOS(Metal Oxide-Semiconductor)における半導体の表面、とりわけシリコン基板等の表面に、所望の厚さの高品質の二酸化シリコン膜(絶縁膜)を、低温・低電圧で形成する半導体酸化膜の形成方法、半導体装置の製造方法および半導体装置の製造装置に関するものである。また、本発明は、シリコンカーバイド(SiC)基板に、低温かつ短時間で界面準位の良好な二酸化シリコン膜を形成するSiC基板の酸化方法とそれを用いたSiCMOS型半導体装置およびそれを備えたSiC−MOS型集積回路、並びにSiC−MOS型半導体装置およびSiC−MOS型集積回路の製造装置に関するものである。   The present invention relates to a method for forming an oxide film, a method for manufacturing a semiconductor device, and a device for manufacturing a semiconductor device. For example, a metal-oxide-semiconductor device used in a semiconductor integrated circuit, that is, a MOS (Metal Oxide- Semiconductor oxide film formation method for forming a high-quality silicon dioxide film (insulating film) with a desired thickness on the surface of a semiconductor, particularly a silicon substrate, at a low temperature and a low voltage, and manufacturing a semiconductor device The present invention relates to a method and a semiconductor device manufacturing apparatus. The present invention also includes a method of oxidizing a SiC substrate for forming a silicon dioxide film having a good interface state at a low temperature in a short time on a silicon carbide (SiC) substrate, a SiCMOS type semiconductor device using the same, and the same. The present invention relates to an SiC-MOS type integrated circuit, an SiC-MOS type semiconductor device, and an apparatus for manufacturing an SiC-MOS type integrated circuit.

半導体装置、とりわけMOSトランジスタを用いる半導体集積回路などでは、高集積化、高密度化に伴う回路要素の微細化で、それに用いられる絶縁膜の性能向上が重要である。   In semiconductor devices, especially semiconductor integrated circuits using MOS transistors, it is important to improve the performance of insulating films used for the miniaturization of circuit elements accompanying higher integration and higher density.

この種の半導体集積回路では、MOSトランジスタのゲート絶縁膜は、通常、乾燥酸素や水蒸気などの酸化性気体中800℃以上の高温で加熱処理する,いわゆる高温熱酸化法により形成している。   In this type of semiconductor integrated circuit, the gate insulating film of a MOS transistor is usually formed by a so-called high temperature thermal oxidation method in which heat treatment is performed at a high temperature of 800 ° C. or higher in an oxidizing gas such as dry oxygen or water vapor.

高温熱酸化法以外には、有機シラン,例えばテトラエトキシシラン(TEOS)等を数百℃で熱分解させて、基板上に酸化膜を堆積させる化学気相成長(CVD)法、酸化物をスパッタ蒸着で形成するスパッタ蒸着法、プラズマ中で基板表面を酸化させるプラズマ酸化法などの酸化膜形成方法が周知である。   In addition to the high temperature thermal oxidation method, chemical vapor deposition (CVD) method in which an organic silane such as tetraethoxysilane (TEOS) is thermally decomposed at several hundred degrees Celsius and an oxide film is deposited on the substrate is sputtered. Oxide film forming methods such as sputtering deposition method by vapor deposition and plasma oxidation method for oxidizing a substrate surface in plasma are well known.

また、陽極酸化により基板表面を酸化させて酸化膜を形成する陽極酸化法として、例えば、電解質のフッ化水素酸水溶液中でシリコン基板に電圧を印加して、シリコンの多孔質陽極反応膜を形成した後、その多孔質陽極反応膜をシリコンの陽極酸化が可能な電解質,例えば濃燐酸中で陽極酸化を行う方法が知られている(例えば、特許文献1〜3,非特許文献1〜2参照)。   In addition, as an anodic oxidation method that oxidizes the substrate surface by anodic oxidation to form an oxide film, for example, a voltage is applied to the silicon substrate in an electrolyte hydrofluoric acid aqueous solution to form a porous anodic reaction film of silicon. Then, a method of anodizing the porous anodic reaction film in an electrolyte capable of anodizing silicon such as concentrated phosphoric acid is known (see, for example, Patent Documents 1 to 3 and Non-Patent Documents 1 and 2). ).

陽極酸化では、電圧印加によってシリコン基板のシリコンイオンを、二酸化シリコン膜の表面に移動させ、シリコン基板表面に二酸化シリコン膜を形成する。そして、二酸化シリコン膜と電解液との界面(二酸化シリコン膜の表面)で酸化反応を進行させることが目的で、シリコン基板からシリコンイオンを生成させる。さらに、そのシリコンイオンが二酸化シリコン膜中透過して二酸化シリコン膜と電解液との界面(二酸化シリコン膜の表面)に導くために、通常100V以上の大きな電圧の印加を必要とする(非特許文献2)。   In anodic oxidation, silicon ions on the silicon substrate are moved to the surface of the silicon dioxide film by applying a voltage, and a silicon dioxide film is formed on the surface of the silicon substrate. Then, silicon ions are generated from the silicon substrate for the purpose of causing an oxidation reaction to proceed at the interface between the silicon dioxide film and the electrolyte (the surface of the silicon dioxide film). Furthermore, in order for the silicon ions to permeate through the silicon dioxide film and lead to the interface between the silicon dioxide film and the electrolyte (the surface of the silicon dioxide film), it is usually necessary to apply a large voltage of 100 V or more (non-patent document). 2).

一方、本発明者は、電圧印加による電気化学的酸化膜形成方法ではなく、化学的に酸化膜を形成する化学的酸化膜形成方法を提案している(特許文献4〜7,非特許文献3〜4)。例えば、シリコンなどの半導体基板の表面に、濃硝酸等の酸化性の強い薬液を用いて、1nm程度の薄い酸化膜を形成することを提案している(特許文献4)。   On the other hand, the present inventor has proposed a chemical oxide film forming method for chemically forming an oxide film instead of an electrochemical oxide film forming method by applying a voltage (Patent Documents 4 to 7, Non-Patent Document 3). ~ 4). For example, it has been proposed to form a thin oxide film of about 1 nm on the surface of a semiconductor substrate such as silicon using a highly oxidizing chemical solution such as concentrated nitric acid (Patent Document 4).

ところで、近年、シリコンカーバイド(SiC)は、ワイドギャップや、絶縁破壊電界,飽和電子速度,および熱伝導度などの優れた物性が注目され、パワーデバイスおよび高周波デバイスなどの半導体装置への応用が始まっている。   By the way, in recent years, silicon carbide (SiC) has attracted attention for its excellent physical properties such as wide gap, breakdown electric field, saturation electron velocity, and thermal conductivity, and its application to semiconductor devices such as power devices and high-frequency devices has begun. ing.

SiCは、Siと同様に、熱酸化によって酸化膜(二酸化シリコン膜)を形成できる。このため、SiCをパワーMOSFET(パワーデバイス)に適用すれば,システムの大幅な小型化とともに、オン抵抗(熱損失)の大幅な低減が可能である(非特許文献5)。   Similar to Si, SiC can form an oxide film (silicon dioxide film) by thermal oxidation. For this reason, if SiC is applied to a power MOSFET (power device), it is possible to significantly reduce the on-resistance (heat loss) as well as to greatly reduce the size of the system (Non-patent Document 5).

この場合でも、熱酸化によって設計時のゲート酸化膜の膜厚を、例えば、10nm以上とするには、1100℃以上で数時間の高温処理が必要となる。しかも、高温の熱酸化によって形成された酸化膜の界面準位は極めて大きく、SiC−MOSFET本来の特性を発揮できていない。   Even in this case, in order to set the thickness of the gate oxide film at the time of design to, for example, 10 nm or more by thermal oxidation, a high temperature treatment at 1100 ° C. or more for several hours is required. In addition, the interface state of the oxide film formed by high-temperature thermal oxidation is extremely large, and the original characteristics of the SiC-MOSFET cannot be exhibited.

従って、デバイス応用の基本技術の確立には、酸化膜形成の低温化、短時間化、および酸化膜の界面準位の低減などのプロセスの改善が強く望まれている。
特開平3−6826号公報(平成3年(1991年)1月14日公開) 特開昭52−78374号公報(昭和52年(1977年)7月1日公開) 特開2003−133309号公報(平成15年(2003年)5月9日公開) 特開2004−47935号公報(平成16年(2004年)2月12日公開) 特開平9−45679号公報(平成9年(1997年)2月14日公開) 特開2002−57154号公報(平成14年(2002年)2月22日公開) 特開2002−64093号(平成14年(2002年)2月28日公開) 応用物理 第44巻 第5号 497〜506頁 1975年 エレクトロニクス技術全書 MOSデバイス(1973年初版)徳山巍著,124〜125頁 J. Applied Physics Letters, 81, 18, pp3410-3412(2002) J. Applied Physics Letters, 94, 11, pp7328-7335(2003) 応用物理 2005.3.(Vol.74 No.3 pp371〜375)
Therefore, in order to establish a basic technology for device application, it is strongly desired to improve processes such as lowering the temperature of the oxide film formation, shortening the time, and reducing the interface state of the oxide film.
Japanese Patent Laid-Open No. 3-6826 (published January 14, 1991) Japanese Laid-Open Patent Publication No. 52-78374 (released July 1, 1977) JP 2003-133309 A (published May 9, 2003) JP 2004-47935 A (published February 12, 2004) Japanese Laid-Open Patent Publication No. 9-45679 (published February 14, 1997) JP 2002-57154 A (published February 22, 2002) JP 2002-64093 (published February 28, 2002) Applied Physics Vol. 44, No. 5, 497-506, 1975 Complete Electronics Technology MOS Device (1973 First Edition) by Tokuyama Satoshi, pages 124-125 J. Applied Physics Letters, 81, 18, pp3410-3412 (2002) J. Applied Physics Letters, 94, 11, pp7328-7335 (2003) Applied physics 2005.3. (Vol.74 No.3 pp371-375)

しかしながら、従来の陽極酸化法では、半導体表面から酸化される半導体成分のイオンを離脱し、酸化膜表面に、その半導体成分のイオンを導くために、高い電圧(通常100V以上)が必要となる。具体的には、陽極酸化法では、電解質中でのシリコン基板の表面の二酸化シリコン膜(酸化膜)の成長は、シリコン基板のシリコンイオン(Si)を、シリコン基板−二酸化シリコン膜の界面から、二酸化シリコン膜中を通って、二酸化シリコン膜表面(二酸化シリコン膜−電解質界面)に移動させ、二酸化シリコン膜表面で酸化反応が進行して起こる。このため、二酸化シリコン膜が形成され、膜厚が増加するにつれ、シリコン基板に印加する電圧を大きくする必要がある。ところが、電圧を大きくしすぎると、リーク電流の原因となるため、良質の二酸化シリコン膜を制御性よく形成するのは困難である。 However, in the conventional anodic oxidation method, a high voltage (usually 100 V or more) is required in order to release the semiconductor component ions to be oxidized from the semiconductor surface and to guide the semiconductor component ions to the oxide film surface. Specifically, in the anodic oxidation method, the growth of the silicon dioxide film (oxide film) on the surface of the silicon substrate in the electrolyte is performed by using silicon ions (Si + ) on the silicon substrate from the interface between the silicon substrate and the silicon dioxide film. Then, it passes through the silicon dioxide film and moves to the silicon dioxide film surface (silicon dioxide film-electrolyte interface), and the oxidation reaction proceeds on the silicon dioxide film surface. Therefore, it is necessary to increase the voltage applied to the silicon substrate as the silicon dioxide film is formed and the film thickness increases. However, if the voltage is increased too much, it causes a leakage current, and it is difficult to form a high-quality silicon dioxide film with good controllability.

また、陽極酸化法では、電解液中のイオンが酸化膜中に混入するため、高品質の酸化膜を得ることはなかなか困難である。しかも、陽極酸化法では、酸化反応が二酸化シリコン膜表面で進行するため、最初に形成された二酸化シリコン膜の表面が、二酸化シリコン/シリコン基板の界面となる。そして、最初の界面を維持したまま(界面が変化しないまま)、二酸化シリコンが形成されていくため、優れた界面特性を得ることが困難である。また、陽極酸化では、シリコン基板からシリコンイオンを離脱させるため、シリコン基板表面にポーラスが形成されることも、優れた界面活性を得られない原因となる。このため、例えば、電気的特性の安定性も不充分となる。従って、陽極酸化法で形成した酸化膜によって、目的とする品質を維持するためには、酸化膜を厚くする必要がある。   In addition, in the anodic oxidation method, ions in the electrolytic solution are mixed into the oxide film, so it is difficult to obtain a high-quality oxide film. Moreover, in the anodic oxidation method, since the oxidation reaction proceeds on the surface of the silicon dioxide film, the surface of the silicon dioxide film formed first becomes the silicon dioxide / silicon substrate interface. Since silicon dioxide is formed while maintaining the initial interface (the interface remains unchanged), it is difficult to obtain excellent interface characteristics. In addition, in anodic oxidation, silicon ions are released from the silicon substrate, so that porous is formed on the surface of the silicon substrate. For this reason, for example, the stability of electrical characteristics is also insufficient. Therefore, in order to maintain the target quality by the oxide film formed by the anodic oxidation method, it is necessary to increase the thickness of the oxide film.

一方、本発明者等によって提案された特許文献4の方法では、良質の酸化膜が形成されるものの、実際に酸化性の強い薬液によって形成した二酸化シリコン膜の膜厚は1.5nm程度であり、それ以上の膜厚は得られていない。   On the other hand, in the method of Patent Document 4 proposed by the present inventors, although a high-quality oxide film is formed, the thickness of the silicon dioxide film actually formed by a highly oxidizing chemical solution is about 1.5 nm. No more film thickness was obtained.

また、その他の従来の酸化膜形成法でも、例えば、シリコン基板表面に、自然酸化膜を除去した後で、厚さがナノメートル(nm)あるいはそれ以下の極薄の酸化膜(化学酸化膜)を形成することはできても、その酸化膜は、半導体装置の絶縁膜として利用できるような品質が制御されたものではない。特に、リーク電流密度の小さい酸化膜を得ることはなかなか困難である。例えば、特に、薄膜トランジスタ(TFT)のゲート絶縁膜などでは、耐圧維持のために、数ナノメートル(nm)あるいはそれ以上の比較的厚い酸化膜を、シリコン基板表面に形成することが求められる。   Also, other conventional oxide film formation methods, for example, after removing a natural oxide film on the surface of a silicon substrate, an ultrathin oxide film (chemical oxide film) having a thickness of nanometers (nm) or less. However, the quality of the oxide film is not controlled so that it can be used as an insulating film of a semiconductor device. In particular, it is difficult to obtain an oxide film having a small leakage current density. For example, in particular, a gate insulating film of a thin film transistor (TFT) is required to form a relatively thick oxide film of several nanometers (nm) or more on the silicon substrate surface in order to maintain a withstand voltage.

また、液晶ディスプレイなどで使用されるフレキシブルな基板、例えばポリエチレンテレフタラート(PET)などの基板上に、薄膜トランジスタ(TFT)を形成する際には、その基板の温度を200℃以下に保つことが必要である。   In addition, when forming a thin film transistor (TFT) on a flexible substrate used in a liquid crystal display, for example, a substrate such as polyethylene terephthalate (PET), it is necessary to keep the temperature of the substrate at 200 ° C. or lower. It is.

従って、このような低温の製造工程でも、TFTのゲート絶縁膜など、半導体装置にも実用可能な高品質の絶縁膜形成が求められる。   Therefore, even in such a low-temperature manufacturing process, it is required to form a high-quality insulating film that can be used in a semiconductor device, such as a gate insulating film of a TFT.

本発明は、上記従来の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、従来の陽極酸化で適用される,100Vを超えるような高電圧でなく、低電圧で高品質の化学酸化膜(特に、二酸化シリコン膜)を実現することができる、酸化膜の形成方法、その酸化膜を用いる半導体装置の製造方法およびその半導体装置の製造装置を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and the object thereof is not a high voltage exceeding 100 V, which is applied in the conventional anodic oxidation, but a low-voltage and high-quality chemical oxide film ( In particular, an oxide film forming method, a semiconductor device manufacturing method using the oxide film, and a semiconductor device manufacturing apparatus capable of realizing a silicon dioxide film) are provided.

さらに、本発明の他の目的は、上記PETなどの基板上に薄膜トランジスタ(TFT)を形成する場合や、MOSトランジスタあるいはそれを用いる大規模集積回路(LSI)などを形成するに際して、そのゲート絶縁膜にも利用できる,低リーク電流密度特性などの性能を持つ高品質の酸化膜を,PETなどの基板にも形成できる程度の低温で、厚さも制御しながら,半導体の表面に形成することが可能な酸化膜の形成方法、その酸化膜の形成方法を用いる半導体装置の製造方法およびその半導体装置の製造装置を提供することにある。   Furthermore, another object of the present invention is to form a gate insulating film when a thin film transistor (TFT) is formed on a substrate such as the PET or when a MOS transistor or a large scale integrated circuit (LSI) using the MOS transistor is formed. It is possible to form a high-quality oxide film with low leakage current density characteristics, etc. that can be used for semiconductors on the surface of a semiconductor while controlling the thickness at a low temperature that can be formed on a substrate such as PET. An object of the present invention is to provide a method for forming an oxide film, a method for manufacturing a semiconductor device using the method for forming an oxide film, and a device for manufacturing the semiconductor device.

また、本発明の別の目的は、SiC基板の表面に、低温かつ短時間で界面準位の良好な二酸化シリコン膜を形成することのできる技術を提供することにある。   Another object of the present invention is to provide a technique capable of forming a silicon dioxide film having a good interface state at a low temperature in a short time on the surface of a SiC substrate.

本発明の酸化膜の形成方法(本形成方法)は、上記の課題を解決するために、半導体に電圧を印加した状態で、その半導体表面に化学酸化膜を形成する酸化膜形成工程を有する酸化膜の形成方法において、上記酸化膜形成工程は、酸化性溶液またはその気体を上記半導体に作用させることにより、上記半導体表面で上記化学酸化膜を形成することを特徴ととしている。   In order to solve the above problems, an oxide film forming method (present forming method) of the present invention includes an oxide film forming step of forming a chemical oxide film on a semiconductor surface in a state where a voltage is applied to the semiconductor. In the film forming method, the oxide film forming step is characterized in that the chemical oxide film is formed on the semiconductor surface by allowing an oxidizing solution or a gas thereof to act on the semiconductor.

上記の構成によれば、半導体に電圧を印加した状態で、半導体に、酸化性溶液またはその気体(以下、「酸化剤」とする)を作用させることによって、その酸化剤から、酸化種(イオンまたはラジカル)が生成する。また、半導体には電圧を印加しているため、半導体表面には、酸化種が導かれる。そして、酸化種が半導体表面に達すると、半導体成分が、酸化種によって酸化され、化学酸化膜が形成される。つまり、化学酸化膜は、半導体成分の酸化物である。このように、酸化膜形成工程は、酸化性溶液またはその気体から発生する酸化種(イオンまたはラジカル)を、半導体表面に導き、半導体表面で化学酸化膜を成長する工程である。すなわち、酸化膜形成工程では、半導体への電圧印加は、半導体表面に酸化種を導くために行うのであり、半導体成分をイオン化するために行うのではない。従って、本形成方法では、半導体成分がイオン化するために必要な大きな電圧を必要としないため、低電圧条件下での化学酸化膜形成が可能である。   According to the above configuration, by applying an oxidizing solution or a gas thereof (hereinafter referred to as “oxidizer”) to a semiconductor while a voltage is applied to the semiconductor, an oxidizing species (ion) is generated from the oxidizing agent. Or radical). Further, since a voltage is applied to the semiconductor, oxidized species are introduced to the semiconductor surface. When the oxidized species reach the semiconductor surface, the semiconductor component is oxidized by the oxidized species to form a chemical oxide film. That is, the chemical oxide film is an oxide of a semiconductor component. As described above, the oxide film forming step is a step in which an oxidizing species (ion or radical) generated from the oxidizing solution or its gas is guided to the semiconductor surface and a chemical oxide film is grown on the semiconductor surface. That is, in the oxide film forming step, voltage application to the semiconductor is performed to introduce oxidized species to the semiconductor surface, not to ionize the semiconductor component. Therefore, in the present forming method, a large voltage necessary for ionizing the semiconductor component is not required, so that a chemical oxide film can be formed under a low voltage condition.

また、上記の構成によれば、半導体を酸化して化学酸化膜を形成するため、酸化反応の進行とともに、半導体は薄くなり、半導体表面の化学酸化膜は厚くなる。すなわち、上記の構成では、半導体表面に新たに酸化膜を堆積するのではなく、半導体自身を酸化している。このため、たとえ、半導体表面が凹凸形状であっても、均一な厚さの化学酸化膜を、確実に形成することが可能となる。   According to the above configuration, the semiconductor is oxidized to form a chemical oxide film, so that the semiconductor becomes thinner and the chemical oxide film on the semiconductor surface becomes thicker as the oxidation reaction proceeds. That is, in the above configuration, the semiconductor itself is oxidized rather than newly depositing an oxide film on the semiconductor surface. For this reason, even if the semiconductor surface is uneven, it is possible to reliably form a chemical oxide film having a uniform thickness.

そして、特に、本形成方法では、半導体表面で化学酸化膜を形成することを特徴としている。すなわち、半導体表面に化学酸化膜を形成した後も、半導体表面(半導体と化学酸化膜との界面)で、化学酸化膜を形成(成長)することを特徴としている。このため、本形成方法では、化学酸化膜中を透過して半導体表面に移動可能な酸化剤を用いている。従って、本形成方法では、半導体成分のイオンを、化学酸化膜表面に導く必要がない。このため、本形成方法では、陽極酸化法のような100V以上の高電圧を必要とせず、100V未満のより低電圧(例えば、5〜20V程度)で、酸化膜の形成が可能である。なお、本形成方法では、特許文献1のように、半導体表面に多孔質の膜を形成する必要もない。   In particular, this forming method is characterized in that a chemical oxide film is formed on the semiconductor surface. In other words, after the chemical oxide film is formed on the semiconductor surface, the chemical oxide film is formed (grown) on the semiconductor surface (interface between the semiconductor and the chemical oxide film). For this reason, in this formation method, an oxidant that passes through the chemical oxide film and can move to the semiconductor surface is used. Therefore, in this formation method, it is not necessary to introduce semiconductor component ions to the surface of the chemical oxide film. For this reason, this formation method does not require a high voltage of 100 V or more unlike the anodic oxidation method, and an oxide film can be formed with a lower voltage (for example, about 5 to 20 V) lower than 100 V. In addition, in this formation method, unlike patent document 1, it is not necessary to form a porous film | membrane on the semiconductor surface.

一方、従来の陽極酸化法では、半導体成分のイオンを、化学酸化膜表面に導き、化学酸化膜表面で化学酸化膜を成長させるため、半導体に高電圧を印加する必要がある。特に、半導体成分のイオン化には高電圧が必要となる。   On the other hand, in the conventional anodic oxidation method, ions of semiconductor components are guided to the surface of the chemical oxide film, and a chemical oxide film is grown on the surface of the chemical oxide film, so that a high voltage needs to be applied to the semiconductor. In particular, high voltage is required for ionization of semiconductor components.

また、本形成方法は、基本的には、半導体への電圧印加による化学膜形成反応であるため、陽極酸化と同様、低温での化学酸化膜の形成が可能である。従って、本形成方法では、高電圧および高温が必要ではないため、化学酸化膜の膜質を向上させることができ、リーク電流密度の低い高品質の化学酸化膜を形成することができる。   In addition, since this formation method is basically a chemical film formation reaction by applying a voltage to a semiconductor, a chemical oxide film can be formed at a low temperature as in the case of anodic oxidation. Therefore, in the present forming method, since a high voltage and a high temperature are not required, the film quality of the chemical oxide film can be improved, and a high-quality chemical oxide film having a low leakage current density can be formed.

さらに、電圧を印加することによって、印加しない場合よりも、化学酸化膜の形成速度を向上できる。従って、短時間での化学膜形成が可能となる。   Furthermore, by applying a voltage, the formation rate of the chemical oxide film can be improved as compared with the case where no voltage is applied. Therefore, a chemical film can be formed in a short time.

このように、本形成方法によれば、所望の厚さの高品質の化学酸化膜を、低温・低電圧で、半導体表面に均一に形成することが可能である。すなわち、化学酸化膜の膜質を向上でき、リーク電流密度の低い高品質の化学酸化膜を形成できる。従って、例えば、化学酸化膜を絶縁膜として使用したとしても、その化学酸化膜は高品質の絶縁膜として機能するため、現状の絶縁膜よりも薄膜化(例えば数nm以下)が可能である。   Thus, according to the present forming method, a high-quality chemical oxide film having a desired thickness can be uniformly formed on the semiconductor surface at a low temperature and a low voltage. That is, the quality of the chemical oxide film can be improved, and a high-quality chemical oxide film with a low leakage current density can be formed. Therefore, for example, even if a chemical oxide film is used as the insulating film, the chemical oxide film functions as a high-quality insulating film, and therefore can be made thinner (for example, several nm or less) than the current insulating film.

なお、本形成方法では、酸化性溶液またはその気体から生成する酸化種が、化学酸化膜中を透過して半導体表面に移動可能な酸化剤を用いている。すなわち、酸化力の強い酸化種を生成する、酸化力の強い酸化性溶液またはその気体(酸化剤)を用いている。これにより、酸化種が、形成された化学酸化膜中を浸透して、半導体表面(半導体と化学酸化膜との界面)に移動し、半導体表面で化学酸化膜が成長する。   In this formation method, an oxidizing agent is used that allows the oxidizing species generated from the oxidizing solution or its gas to pass through the chemical oxide film and move to the semiconductor surface. That is, an oxidizing solution having strong oxidizing power or a gas (oxidant) thereof that generates oxidizing species having strong oxidizing power is used. As a result, the oxidized species permeate the formed chemical oxide film and move to the semiconductor surface (interface between the semiconductor and the chemical oxide film), and the chemical oxide film grows on the semiconductor surface.

このように、「酸化性溶液またはその気体」とは、半導体に作用(接触)することにより、化学酸化膜を形成するものであって、半導体成分を酸化しうる酸化種を生成(発生)するものである。また、上記「酸化性溶液またはその気体を作用させる」とは、半導体表面の少なくとも一部に、酸化溶液またはその気体(より詳細には、酸化種)が接触する状態にあれば、特に限定されるものではない。   As described above, the “oxidizing solution or gas thereof” forms a chemical oxide film by acting (contacting) a semiconductor, and generates (generates) an oxidizing species capable of oxidizing a semiconductor component. Is. In addition, the above-mentioned “acting the oxidizing solution or its gas” is particularly limited as long as the oxidizing solution or its gas (more specifically, the oxidizing species) is in contact with at least a part of the semiconductor surface. It is not something.

本形成方法では、上記酸化膜形成工程は、上記電圧を印加する半導体を、酸化性溶液に浸漬して行うことが好ましい。これにより、酸化膜形成工程を酸化性溶液に浸漬するという簡単な構成で行うことができる。従って、特に、大型(大面積)の半導体に化学酸化膜を形成する場合にも適応可能である。このため、CVD装置などの大掛りな装置が不要であるため、製造コストも削減できる。   In the present forming method, the oxide film forming step is preferably performed by immersing the semiconductor to which the voltage is applied in an oxidizing solution. Thereby, an oxide film formation process can be performed with a simple structure of immersing in an oxidizing solution. Therefore, the present invention can be applied particularly when a chemical oxide film is formed on a large (large area) semiconductor. For this reason, since a large-scale apparatus such as a CVD apparatus is unnecessary, the manufacturing cost can be reduced.

本形成方法では、上記半導体がシリコンを含んでおり、上記化学酸化膜が、シリコンの酸化膜であることが好ましい。   In this formation method, the semiconductor preferably contains silicon, and the chemical oxide film is preferably a silicon oxide film.

また、本形成方法では、上記半導体が、単結晶シリコン、多結晶シリコン、非晶質シリコン、炭化シリコンおよびシリコン・ゲルマニウムから選ばれる少なくとも1つであって、上記化学酸化膜が、シリコンの酸化膜であることが好ましい。   Further, in this formation method, the semiconductor is at least one selected from single crystal silicon, polycrystalline silicon, amorphous silicon, silicon carbide, and silicon-germanium, and the chemical oxide film is a silicon oxide film It is preferable that

シリコン酸化膜(二酸化シリコン膜)は、最も使用範囲の広い酸化膜である。しかしながら、膜質が低いため、酸化膜としての機能を果たすには、ある程度の膜厚が必要となる。上記の構成によれば、高品質のシリコン酸化膜を半導体表面に均一に形成できる。従って、従来のシリコン酸化膜を、上記のシリコン酸化膜に置換することにより、シリコン酸化膜の薄型化が可能である。   A silicon oxide film (silicon dioxide film) is an oxide film having the widest use range. However, since the film quality is low, a certain degree of film thickness is required to fulfill the function as an oxide film. According to the above configuration, a high-quality silicon oxide film can be uniformly formed on the semiconductor surface. Therefore, the silicon oxide film can be thinned by replacing the conventional silicon oxide film with the above-described silicon oxide film.

また、本形成方法では、上記酸化性溶液またはその気体が、硝酸、過塩素酸、硫酸、オゾン溶解水、過酸化水素水、塩酸と過酸化水素水との混合溶液、硫酸と過酸化水素水との混合溶液、アンモニア水と過酸化水素水との混合溶液、硫酸と硝酸との混合溶液、王水、および沸騰水の群から選ばれた少なくとも1つの溶液、その気体、またはそれらの混合物からなることが好ましい。   Further, in this forming method, the oxidizing solution or the gas thereof is nitric acid, perchloric acid, sulfuric acid, ozone-dissolved water, hydrogen peroxide solution, a mixed solution of hydrochloric acid and hydrogen peroxide solution, sulfuric acid and hydrogen peroxide solution. From at least one solution selected from the group consisting of: a mixed solution of ammonia water and a hydrogen peroxide solution, a mixed solution of sulfuric acid and nitric acid, aqua regia, and boiling water, its gas, or a mixture thereof It is preferable to become.

上記の構成によれば、酸化性溶液またはその気体が、酸化力の強い酸化種(例えば、酸素イオン、水酸化物イオン、過酸化物イオンなどの酸素のイオンやラジカル)を発生する。このため、化学酸化膜を形成すべき半導体を陽極とすることによって、化学酸化膜形成後も、これらの酸化種を、半導体表面に導くことが可能となる。   According to said structure, an oxidizing solution or its gas generate | occur | produces the oxidizing species (for example, oxygen ions, radicals, such as oxygen ion, hydroxide ion, peroxide ion) with strong oxidizing power. For this reason, by using the semiconductor on which the chemical oxide film is to be formed as the anode, it is possible to guide these oxidized species to the semiconductor surface even after the chemical oxide film is formed.

また、本形成方法では、上記酸化性溶液またはその気体が、共沸濃度以上の共沸混合物であることが好ましく、水との共沸混合物であることがより好ましく、水との共沸混合物である共沸硝酸、水との共沸混合物である共沸硫酸、および水との共沸混合物である共沸過塩素酸の群から選ばれた少なくとも1つの溶液またはその気体からなることがさらに好ましい。さらに、これらの共沸混合物は、共沸温度以上に加熱した上記酸化性溶液またはその気体を、半導体に作用させることが特に好ましい。   In the present forming method, the oxidizing solution or the gas thereof is preferably an azeotropic mixture having an azeotropic concentration or more, more preferably an azeotropic mixture with water, and an azeotropic mixture with water. More preferably, it comprises at least one solution selected from the group of azeotropic nitric acid, azeotropic sulfuric acid that is an azeotrope with water, and azeotropic perchloric acid that is an azeotrope with water, or a gas thereof. . Furthermore, these azeotropes are particularly preferably caused to cause the oxidizing solution or gas thereof heated to the azeotropic temperature or higher to act on the semiconductor.

上記の構成によれば、酸化性溶液またはその気体として、共沸混合物を用いるため、その溶液および蒸気(すなわち気体)は半導体の化学酸化膜の形成中(酸化膜形成工程中)それぞれ濃度が一定になる。すなわち、共沸混合物は、共沸沸点以上に加熱することにより、一定の溶液組成・蒸気組成となる。これにより、化学酸化膜の成長の制御を、時間管理で行うことができる。従って、化学酸化膜の形成(厚さや品質)を、より高精度に制御することが可能となる。   According to the above configuration, since the azeotropic mixture is used as the oxidizing solution or the gas, the concentration of the solution and the vapor (that is, the gas) is constant during the formation of the semiconductor chemical oxide film (during the oxide film forming process). become. That is, the azeotropic mixture becomes a constant solution composition / vapor composition by heating to an azeotropic boiling point or higher. Thereby, the growth of the chemical oxide film can be controlled by time management. Therefore, the formation (thickness and quality) of the chemical oxide film can be controlled with higher accuracy.

本形成方法は、半導体に、共沸濃度未満の酸化性溶液またはその気体を作用させることにより、上記半導体表面に、第1の化学酸化膜を形成する第1工程と、上記第1の化学酸化膜に、共沸濃度以上の酸化性溶液またはその気体を作用させることにより、上記第1の化学酸化膜よりも厚い第2の化学酸化膜を形成する第2工程とを有する酸化膜の形成方法であって、上記第1工程および上記第2工程の少なくとも一方の工程を、半導体に電圧を印加した状態で、上記酸化性溶液またはその気体を、上記半導体に作用させることにより、上記半導体表面で上記化学酸化膜を形成することを特徴とする構成であってもよい。   The present forming method includes a first step of forming a first chemical oxide film on the semiconductor surface by causing an oxidizing solution or gas thereof having an azeotropic concentration to act on the semiconductor, and the first chemical oxidation. And a second step of forming a second chemical oxide film thicker than the first chemical oxide film by applying an oxidizing solution having an azeotropic concentration or higher to the film, or a gas thereof. And at least one of the first step and the second step is performed on the semiconductor surface by allowing the oxidizing solution or the gas to act on the semiconductor in a state where a voltage is applied to the semiconductor. The structure characterized by forming the chemical oxide film may be used.

すなわち、この形成方法は、第1工程または第2工程の少なくとも一方の工程を、前記酸化膜形成工程によって行うことを特徴としている。   That is, this forming method is characterized in that at least one of the first step and the second step is performed by the oxide film forming step.

上記の構成によれば、第1工程また第2工程の少なくとも一方を、前述の酸化膜形成工程と同様に行っているため、前述と同様に、所望の厚さの高品質の化学酸化膜を、低温・低電圧で、半導体表面に均一に形成することが可能である。すなわち、化学酸化膜の膜質を向上でき、リーク電流密度の低い高品質の化学酸化膜を形成できる。従って、例えば、化学酸化膜を絶縁膜として使用したとしても、その化学酸化膜は高品質の絶縁膜として機能するため、現状の絶縁膜よりも薄膜化(例えば数nm以下)が可能である。   According to the above configuration, since at least one of the first step and the second step is performed in the same manner as the above-described oxide film forming step, a high-quality chemical oxide film having a desired thickness is formed in the same manner as described above. It can be uniformly formed on the semiconductor surface at low temperature and low voltage. That is, the quality of the chemical oxide film can be improved, and a high-quality chemical oxide film with a low leakage current density can be formed. Therefore, for example, even if a chemical oxide film is used as the insulating film, the chemical oxide film functions as a high-quality insulating film, and therefore can be made thinner (for example, several nm or less) than the current insulating film.

さらに、上記の構成によれば、第1工程によって、第2の化学酸化膜よりも薄い第1の化学酸化膜を形成し、第2工程によって、第1の化学酸化膜よりも厚い第2の化学酸化膜を形成する。また、特に、第1の工程を共沸濃度未満、第2の工程を共沸濃度以上の酸化性溶液またはその気体を作用させているため、第1の化学酸化膜は、第2の化学酸化膜に比べて、原子密度の低い化学酸化膜となる。すなわち、第1工程は、有孔(ポアー)が存在する第1の化学酸化膜を形成する工程ともいえる。そして、第2工程では、第1工程で形成された第1の化学酸化膜に存在するポアーに、酸化性溶液またはその気体が作用することによって、第2の化学酸化膜が形成される。つまり、ポアーを含む低い原子密度の第1の化学酸化膜が触媒となって、第2の化学酸化膜形成の酸化反応が、順次進行する。これにより、より一層高品質の化学酸化膜を形成できる。   Further, according to the above configuration, the first chemical oxide film thinner than the second chemical oxide film is formed in the first step, and the second thicker than the first chemical oxide film is formed in the second step. A chemical oxide film is formed. In particular, the first chemical oxide film is made to react with the second chemical oxidation because an oxidizing solution or gas thereof having an azeotropic concentration lower than that in the first step and an azeotropic concentration higher than that in the second step are allowed to act. It becomes a chemical oxide film having a lower atomic density than the film. That is, it can be said that the first step is a step of forming a first chemical oxide film having pores. In the second step, the second chemical oxide film is formed by the action of the oxidizing solution or the gas on the pores present in the first chemical oxide film formed in the first step. That is, the first chemical oxide film having a low atomic density including the pores serves as a catalyst, and the oxidation reaction for forming the second chemical oxide film proceeds sequentially. Thereby, an even higher quality chemical oxide film can be formed.

なお、第1工程および第2工程は、低濃度(好ましくは共沸濃度未満)と、高濃度(好ましくは共沸濃度以上)との2種類の酸化性溶液またはその気体を準備して、第1および第2の化学酸化膜を形成してもよいし、上記低濃度から高濃度へ多段階(2種類以上の濃度の酸化性溶液またはその気体を準備する)で、順次高濃度に切り替えてもよい。また、低濃度から高濃度へ連続的に濃度を上昇させることもできる。つまり、低濃度溶液を濃縮することにより、連続的に高濃度溶液とすることもできる。たとえば、共沸濃度未満の酸化性溶液を、共沸濃度になるまで加熱すれば、その加熱状態を維持することにより、共沸濃度となった酸化性溶液は、一定の溶液組成・蒸気組成となる。これにより、化学酸化膜の成長の制御を、時間管理で行うことができる。従って、化学酸化膜の形成(厚さや品質)を、より高精度に制御することが可能となる。   In the first step and the second step, two kinds of oxidizing solutions of low concentration (preferably less than azeotropic concentration) and high concentration (preferably azeotropic concentration or more) or a gas thereof are prepared, The first and second chemical oxide films may be formed, or the high concentration is sequentially switched in multiple steps (preparing two or more kinds of oxidizing solutions or gases thereof) from the low concentration to the high concentration. Also good. It is also possible to increase the concentration continuously from a low concentration to a high concentration. That is, by concentrating a low-concentration solution, a high-concentration solution can be continuously obtained. For example, if an oxidizing solution having an azeotropic concentration is heated to an azeotropic concentration, by maintaining the heating state, the oxidizing solution having an azeotropic concentration has a constant solution composition / vapor composition. Become. Thereby, the growth of the chemical oxide film can be controlled by time management. Therefore, the formation (thickness and quality) of the chemical oxide film can be controlled with higher accuracy.

本形成方法では、上記酸化膜形成工程後に、上記化学酸化膜を窒化処理する窒化工程を行うことが好ましい。これにより、化学酸化膜は窒化され、化学酸化膜と窒化膜とからなる窒化化学酸化膜が形成される。   In this forming method, it is preferable to perform a nitriding step of nitriding the chemical oxide film after the oxide film forming step. As a result, the chemical oxide film is nitrided, and a nitrided chemical oxide film composed of the chemical oxide film and the nitride film is formed.

窒化化学酸化膜は、基本的には、その組成に応じて、酸化膜と窒化膜との中間的な性質を有する。例えば、酸化膜中に比べて窒化膜中では、不純物の拡散係数が小さいため(熱窒化)、窒化化学酸化膜は、ゲート電極中にドーピングした不純物、特にホウ素のSi基板中への外方拡散を阻止する能力に優れている。このため、窒化化学酸化膜は、極薄ゲート絶縁膜(例えば4nm以下)を必要とする半導体装置に適用可能である。   The nitride chemical oxide film basically has an intermediate property between the oxide film and the nitride film depending on its composition. For example, since the diffusion coefficient of impurities is smaller in the nitride film than in the oxide film (thermal nitridation), the nitrided chemical oxide film diffuses impurities doped in the gate electrode, especially boron, into the Si substrate. Excellent ability to prevent Therefore, the nitrided chemical oxide film can be applied to a semiconductor device that requires an extremely thin gate insulating film (for example, 4 nm or less).

このように、窒化処理は、トランジスタを高性能化するための1つの手段であり、この窒化処理によって、より一層化学酸化膜の膜質を向上できる。従って、化学酸化膜の薄膜化が可能となる。   Thus, the nitriding process is one means for improving the performance of the transistor, and the film quality of the chemical oxide film can be further improved by the nitriding process. Therefore, it is possible to reduce the thickness of the chemical oxide film.

なお、「化学酸化膜を窒化処理する」とは、形成した化学酸化膜の少なくとも一部を窒化することである。つまり、窒化処理とは、半導体表面の酸化により化学酸化膜を形成した後、窒化種を含んだ雰囲気中で加熱することにより、化学酸化膜の一部、または、半導体表面に形成された化学酸化膜とその半導体との界面を窒化する処理である。   Note that “nitriding the chemical oxide film” means nitriding at least a part of the formed chemical oxide film. In other words, nitriding is a process in which a chemical oxide film is formed by oxidation of the semiconductor surface, and then heated in an atmosphere containing nitriding species to form a part of the chemical oxide film or a chemical oxidation film formed on the semiconductor surface. This is a process of nitriding the interface between the film and its semiconductor.

窒化処理としては、アンモニア(NH)窒化、亜硝酸(NO)窒化、一酸化窒素(NO)窒化、などが挙げられる。これらの方法では、窒化種が、アンモニア、亜硝酸、一酸化窒素となる。なお、NO窒化により得られた窒化化学酸化膜は、特性を劣化させず、ゲート絶縁膜の経時絶縁破壊耐性、ホットキャリア耐性に優れている。 Examples of the nitriding treatment include ammonia (NH 3 ) nitridation, nitrous acid (N 2 O) nitridation, and nitric oxide (NO) nitridation. In these methods, the nitriding species is ammonia, nitrous acid, or nitric oxide. Note that the nitrided chemical oxide film obtained by NO nitriding does not deteriorate the characteristics, and is excellent in the dielectric breakdown resistance and hot carrier resistance of the gate insulating film over time.

本発明の半導体装置の製造方法(本製造方法)は、前記したいずれかの酸化膜の形成方法によって化学酸化膜を形成する酸化膜形成工程を有することを特徴とするものである。   The method for manufacturing a semiconductor device of the present invention (this manufacturing method) includes an oxide film forming step of forming a chemical oxide film by any of the oxide film forming methods described above.

また、本製造方法では、上記半導体の表面に化学酸化膜を形成した後または上記化学酸化膜を窒化処理した後、酸化膜、窒化シリコン膜、誘電体膜(例えば、高誘電体膜・強誘電体膜)の少なくとも一つの被膜を形成する工程を有することが好ましい。   In this manufacturing method, after forming a chemical oxide film on the surface of the semiconductor or after nitriding the chemical oxide film, an oxide film, a silicon nitride film, a dielectric film (for example, a high dielectric film / ferroelectric film) It is preferable to have a step of forming at least one film of the body membrane.

また、本発明の半導体装置は、前記いずれかの半導体装置の製造方法によって得られた半導体装置であって、上記酸化性溶液によって半導体が酸化された化学酸化膜を備えていることを特徴としている。   According to another aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device obtained by any one of the above semiconductor device manufacturing methods, comprising a chemical oxide film obtained by oxidizing the semiconductor with the oxidizing solution. .

また、本発明の半導体装置の製造装置は、半導体に電圧を印加した状態で、その半導体表面に化学酸化膜を形成する酸化膜形成部を有する半導体装置の製造装置において、上記酸化膜形成部が、前記したいずれかの酸化膜の形成方法または前記したいずれかの半導体装置の製造方法によって、半導体表面で化学酸化膜を形成する機能(半導体表面で化学酸化膜を成長する機能)を有することを特徴とするものである。   According to another aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device manufacturing apparatus comprising: an oxide film forming unit that forms a chemical oxide film on a semiconductor surface in a state where a voltage is applied to the semiconductor; And a function of forming a chemical oxide film on a semiconductor surface (function of growing a chemical oxide film on a semiconductor surface) by any of the above-described oxide film forming method or any of the semiconductor device manufacturing methods described above. It is a feature.

上記各構成・方法によれば、本形成方法と同様に、所望の厚さの高品質の化学酸化膜を、低温・低電圧で、半導体表面に均一に形成することが可能である。すなわち、化学酸化膜の膜質を向上でき、リーク電流密度の低い高品質の化学酸化膜を形成できる。従って、例えば、化学酸化膜を絶縁膜として使用したとしても、その化学酸化膜は高品質の絶縁膜として機能するため、現状の絶縁膜よりも薄膜化(例えば数nm以下)が可能である。それゆえ、高品質の化学酸化膜を有する高性能な半導体装置を提供できる。   According to each of the above-described configurations and methods, a high-quality chemical oxide film having a desired thickness can be uniformly formed on the semiconductor surface at a low temperature and a low voltage, as in the present forming method. That is, the quality of the chemical oxide film can be improved, and a high-quality chemical oxide film with a low leakage current density can be formed. Therefore, for example, even if a chemical oxide film is used as the insulating film, the chemical oxide film functions as a high-quality insulating film, and therefore can be made thinner (for example, several nm or less) than the current insulating film. Therefore, a high-performance semiconductor device having a high-quality chemical oxide film can be provided.

また、本発明のSiC基板の表面酸化方法は、上記の課題を解決するために、SiC基板を硝酸溶液中で電圧印加して正電位に保ち、前記SiC基板の表面に二酸化シリコン膜を形成することを特徴としている。   Further, in order to solve the above problems, the method for surface oxidation of a SiC substrate of the present invention applies a voltage in a nitric acid solution to keep the SiC substrate at a positive potential and forms a silicon dioxide film on the surface of the SiC substrate. It is characterized by that.

また、本発明のSiCMOS型半導体装置の製造方法は、上記の課題を解決するために、SiC基板に硝酸溶液中で電圧印加して、前記SiC基板の表面に二酸化シリコン膜を形成する工程を含むことを特徴としている。   Moreover, in order to solve the above-described problem, the method for manufacturing a SiCMOS type semiconductor device of the present invention includes a step of forming a silicon dioxide film on the surface of the SiC substrate by applying a voltage to the SiC substrate in a nitric acid solution. It is characterized by that.

また、本発明のSiCMOS型半導体装置は、前記SiC基板の酸化方法、または、前記SiC−MOS型半導体装置の製造方法によってSiC基板上に形成された二酸化シリコン膜を備えていることを特徴としている。   According to another aspect of the present invention, there is provided a SiCMOS type semiconductor device comprising a silicon dioxide film formed on a SiC substrate by the SiC substrate oxidation method or the SiC-MOS type semiconductor device manufacturing method. .

また、本発明のSiC−MOS型集積回路は、前記SiC−MOS型半導体装置を用いたことを特徴としている。   The SiC-MOS type integrated circuit of the present invention is characterized by using the SiC-MOS type semiconductor device.

また、本発明のSiC−MOS型半導体装置およびSiC−MOS型集積回路の製造装置は、前記SiC基板の酸化方法、または、前記SiC−MOS型半導体装置の製造方法によって、SiC基板に二酸化シリコン膜を形成する酸化膜形成部を備えていることを特徴としている。   Further, the SiC-MOS type semiconductor device and the SiC-MOS type integrated circuit manufacturing apparatus of the present invention can be obtained by oxidizing the SiC substrate or the SiC-MOS type semiconductor device by the silicon dioxide film on the SiC substrate. It is characterized by having an oxide film forming part for forming the film.

上記各構成・方法によれば、SiC基板の表面に、低温かつ短時間で界面準位の良好な二酸化シリコン膜を形成する技術およびその利用法を提供することができる。   According to each of the above-described configurations and methods, it is possible to provide a technique for forming a silicon dioxide film having a good interface state at a low temperature and in a short time on the surface of the SiC substrate and a method for using the same.

本発明に係る酸化膜の形成方法は、以上のように、酸化性溶液またはその気体を上記半導体に作用させることにより、上記半導体表面で上記化学酸化膜を形成する酸化膜形成工程を備えているので、所望の厚さの高品質の化学酸化膜を、低温・低電圧で、半導体表面に均一に形成することが可能である。すなわち、化学酸化膜の膜質を向上でき、リーク電流密度の低い高品質の化学酸化膜を形成できるという効果を奏する。   As described above, the method for forming an oxide film according to the present invention includes the oxide film forming step of forming the chemical oxide film on the semiconductor surface by causing the oxidizing solution or the gas to act on the semiconductor. Therefore, a high-quality chemical oxide film having a desired thickness can be uniformly formed on the semiconductor surface at a low temperature and a low voltage. That is, it is possible to improve the quality of the chemical oxide film and to form a high-quality chemical oxide film having a low leakage current density.

〔実施の形態1〕
本発明の一実施形態について図1ないし図11に基づいて説明すると以下の通りである。以下では、シリコン基板上に二酸化シリコン膜および電極が形成されてなるMOSキャパシタの製造方法を例に挙げて説明する。なお、本発明は、これに限定されるものではない。
[Embodiment 1]
An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. In the following, a manufacturing method of a MOS capacitor in which a silicon dioxide film and an electrode are formed on a silicon substrate will be described as an example. Note that the present invention is not limited to this.

本実施形態におけるMOSキャパシタ(半導体装置)の製造方法は、半導体に電圧を印加した状態で、酸化性溶液またはその気体を上記半導体に作用させることにより、上記半導体表面で上記化学酸化膜を形成する酸化膜形成工程を有することを特徴としている。以下、本発明に特徴的な酸化膜形成工程を重点的に説明する。   In the manufacturing method of the MOS capacitor (semiconductor device) in the present embodiment, the chemical oxide film is formed on the semiconductor surface by applying an oxidizing solution or a gas to the semiconductor in a state where a voltage is applied to the semiconductor. It has an oxide film forming step. Hereinafter, the oxide film forming process characteristic of the present invention will be described mainly.

図1は、本発明の第1の実施形態として、シリコン基板上に二酸化シリコン膜(化学酸化膜)を形成する方法に使用する製造装置(半導体装置の製造装置)の主要部の概略断面図であり、被処理用のシリコン基板1を処理槽2内の酸化性溶液(酸化性溶液またはその気体)3に浸した状態で、シリコン基板1に、電源4を接続して、シリコン基板1と処理槽2内に設置した対向電極5との間で所定の電圧を印加できるように構成したものである。すなわち、この製造装置は、以下に示す、本発明の酸化膜の形成方法を実施する酸化膜形成部を有している。   FIG. 1 is a schematic sectional view of a main part of a manufacturing apparatus (semiconductor device manufacturing apparatus) used in a method for forming a silicon dioxide film (chemical oxide film) on a silicon substrate as a first embodiment of the present invention. Yes, a silicon substrate 1 to be processed is immersed in an oxidizing solution (oxidizing solution or gas thereof) 3 in a processing tank 2, and a power source 4 is connected to the silicon substrate 1 to treat the silicon substrate 1 and the processing. A predetermined voltage can be applied between the counter electrode 5 installed in the tank 2. In other words, this manufacturing apparatus has an oxide film forming unit for performing the oxide film forming method of the present invention described below.

図1の製造装置では、シリコン基板1および対向電極5に電圧を印加すると、処理槽2内の酸化性溶液3が、電解することにより、酸化性溶液3から、シリコン基板1を酸化する酸化種が形成される。そして、この酸化種がシリコン基板1を酸化することによって、シリコン基板1表面に二酸化シリコン膜が形成される。   In the manufacturing apparatus of FIG. 1, when a voltage is applied to the silicon substrate 1 and the counter electrode 5, the oxidizing solution 3 in the treatment tank 2 undergoes electrolysis to oxidize the silicon substrate 1 from the oxidizing solution 3. Is formed. The oxidized species oxidizes the silicon substrate 1 to form a silicon dioxide film on the surface of the silicon substrate 1.

図2(a)〜(f)は、上記図1に示した製造装置により、シリコン基板11上に二酸化シリコン膜(化学酸化膜)および電極を形成して、MOSキャパシタを製造する方法を開示する工程フロ−断面図であり、以下に本発明の一実施形態の方法を説明する。   2A to 2F disclose a method of manufacturing a MOS capacitor by forming a silicon dioxide film (chemical oxide film) and an electrode on a silicon substrate 11 by the manufacturing apparatus shown in FIG. It is process flow sectional drawing, The method of one Embodiment of this invention is demonstrated below.

まず、図2(a)のように、シリコン基板11上に、予め、分離領域12を形成する。ここで、シリコン基板11には、比抵抗が10〜15Ωcm,面方位(100)のP形基板を用い、このシリコン基板11にチャンネルストッパーのボロン(B)を注入後、シリコン基板11の一方の面に、分離領域12としてLOCOS(local oxidation of silicon)技術で作られる二酸化シリコン膜を約500nmの膜厚で形成した。この分離領域12は、LOCOSに限らず、例えばシリコン基板に埋め込みの二酸化シリコン膜を形成したものでも良い。この過程でシリコン基板11の表面に自然酸化膜13が形成されているときは、よく知られているRCA洗浄方法,すなわちアンモニア−過酸化水素系水溶液で洗浄した後、濃度0.5%(vol.%)の希フッ酸溶液に約5分間浸漬することで、図2(b)のように、自然酸化膜13を完全に除去できる。   First, as shown in FIG. 2A, an isolation region 12 is formed on a silicon substrate 11 in advance. Here, a P-type substrate having a specific resistance of 10 to 15 Ωcm and a plane orientation (100) is used as the silicon substrate 11, and after boron (B) of a channel stopper is implanted into this silicon substrate 11, On the surface, a silicon dioxide film made of LOCOS (local oxidation of silicon) technology as an isolation region 12 was formed with a thickness of about 500 nm. This isolation region 12 is not limited to LOCOS, but may be, for example, one in which a silicon dioxide film embedded in a silicon substrate is formed. In this process, when the natural oxide film 13 is formed on the surface of the silicon substrate 11, after the well-known RCA cleaning method, that is, cleaning with an ammonia-hydrogen peroxide aqueous solution, the concentration is 0.5% (vol.%). ), The natural oxide film 13 can be completely removed as shown in FIG. 2B.

次に、超純水で5分間リンス処理(洗浄)した後、シリコン基板11を,図1に示す処理槽2内に満たした,低濃度でも酸化力の強い溶液(酸化性溶液)に浸漬し、かつ、そのシリコン基板11に,電源4を通じて,処理槽2内に設置した対向電極5との間で10Vの正の電圧を印加して室温で約10分間維持する。ここでは、酸化性溶液として、硝酸濃度1モル(mol./l)の硝酸水溶液を用いて、図2(c)のように、シリコン基板11表面の活性領域14上に厚さ約10nmの二酸化シリコン膜15を均一に形成した。   Next, after rinsing (cleaning) with ultrapure water for 5 minutes, the silicon substrate 11 is immersed in a solution (oxidizing solution) having a high oxidizing power even at a low concentration, which is filled in the processing tank 2 shown in FIG. In addition, a positive voltage of 10 V is applied to the silicon substrate 11 between the counter electrode 5 installed in the processing tank 2 through the power source 4 and maintained at room temperature for about 10 minutes. Here, a nitric acid aqueous solution having a nitric acid concentration of 1 mol (mol./l) is used as the oxidizing solution, and the carbon dioxide having a thickness of about 10 nm is formed on the active region 14 on the surface of the silicon substrate 11 as shown in FIG. A silicon film 15 was formed uniformly.

このときの上記シリコン基板11への電圧印加の条件は、加熱温度が200℃以下に設定されているときの温度を加味して選定する。一例を挙げると、上記シリコン基板11の全面に均等電界が与えられるような電極配置、例えば上記シリコン基板とこれに平行配置の対向電極との間で、上記シリコン基板11の側に正電位の数10ボルトの範囲(直流で100V未満)で選定し、上記硝酸濃度1モル(mol./l)の硝酸水溶液の場合では直流5〜20Vの範囲で適宜設定するのがよい。この電圧印加により、酸化種のOやOHなどの陰イオンまたはラジカルが、上記シリコン基板11表面に引き込まれてかつ二酸化シリコン膜15が形成されてもそれを通過して、上記シリコン基板11表面での酸化反応が一様に加速される。これによって、上記シリコン基板11表面で二酸化シリコン膜15が生成される。 The conditions for applying voltage to the silicon substrate 11 at this time are selected in consideration of the temperature when the heating temperature is set to 200 ° C. or lower. As an example, the number of positive potentials on the side of the silicon substrate 11 between the electrode arrangement such that a uniform electric field is applied to the entire surface of the silicon substrate 11, for example, between the silicon substrate and a counter electrode arranged in parallel therewith. In the case of the nitric acid aqueous solution having a nitric acid concentration of 1 mol (mol./l), it is preferable to set it appropriately in the range of 5 to 20 V DC. By applying this voltage, anions or radicals such as O and OH of oxidizing species are drawn into the surface of the silicon substrate 11 and pass through the silicon dioxide film 15 even if it is formed. The oxidation reaction at the surface is uniformly accelerated. As a result, a silicon dioxide film 15 is generated on the surface of the silicon substrate 11.

なお、上記シリコン基板11への電圧印加の条件は、これに負電位を印加することにより、酸化種の上記シリコン基板11面に引き込まれることを抑止することができる。上記シリコン基板11への電圧印加がない(つまり、印加電圧値が零)のときにも、拡散によって、シリコン基板11表面に到来した酸化種により上記シリコン基板11表面では二酸化シリコン膜15の成長があるから、上記シリコン基板11表面での化学酸化膜の成長を止めるには、適当な負電圧を印加するのがよい。これは、上記シリコン基板11表面での二酸化シリコン膜15の成長を終えて、シリコン基板11を処理槽2中の酸化性溶液3から取り出す(切り離す)際に実施すると有効に機能させることができる。   In addition, the conditions of the voltage application to the silicon substrate 11 can suppress the pulling of oxidized species to the surface of the silicon substrate 11 by applying a negative potential thereto. Even when no voltage is applied to the silicon substrate 11 (that is, when the applied voltage value is zero), the silicon dioxide film 15 grows on the surface of the silicon substrate 11 due to the oxidization species that has arrived on the surface of the silicon substrate 11 due to diffusion. Therefore, in order to stop the growth of the chemical oxide film on the surface of the silicon substrate 11, an appropriate negative voltage is preferably applied. This can be made to function effectively when it is carried out when the growth of the silicon dioxide film 15 on the surface of the silicon substrate 11 is finished and the silicon substrate 11 is taken out (separated) from the oxidizing solution 3 in the processing bath 2.

つづいて、図2(d)のように、二酸化シリコン膜15および分離領域12上に金属膜(金属を含む膜)16を形成した。この金属膜16は、1wt%のシリコンを含むアルミニウム合金を、周知の抵抗加熱蒸着法により膜厚約200nmに堆積することで形成した(以下、この種の金属膜電極を単にアルミニウム電極と称する)。この金属膜16に代えて、ポリシリコン電極(材)を付着させて用いることもできる。   Subsequently, as shown in FIG. 2D, a metal film (a film containing metal) 16 was formed on the silicon dioxide film 15 and the isolation region 12. The metal film 16 was formed by depositing an aluminum alloy containing 1 wt% silicon to a thickness of about 200 nm by a known resistance heating vapor deposition method (hereinafter, this type of metal film electrode is simply referred to as an aluminum electrode). . Instead of the metal film 16, a polysilicon electrode (material) can be attached and used.

その後、金属膜16を所望の形状にパターニングして、図2(f)のように、電極17を形成することで、MOSキャパシタを製造することができる。   Thereafter, the metal film 16 is patterned into a desired shape, and the electrode 17 is formed as shown in FIG. 2F, whereby a MOS capacitor can be manufactured.

次に、このようにして製造したMOSキャパシタの特性について説明する。   Next, the characteristics of the MOS capacitor thus manufactured will be described.

図3は、本実施形態で得たMOSキャパシタの静電容量(C)と印加電圧(V)との関係、いわゆるC−V特性図である。この特性図で見られるように、電極17に正電圧を印加することにより、酸化膜との界面(半導体表面)に反転層が誘起され、安定なキャパシタ容量(静電容量)が得られている。   FIG. 3 is a so-called CV characteristic diagram showing the relationship between the capacitance (C) and the applied voltage (V) of the MOS capacitor obtained in this embodiment. As can be seen from this characteristic diagram, when a positive voltage is applied to the electrode 17, an inversion layer is induced at the interface with the oxide film (semiconductor surface), and a stable capacitor capacity (capacitance) is obtained. .

また、上述のMOSキャパシタは、図3のC−V特性図からもわかるように、リーク電流密度も、通常の高温熱酸化法で形成した二酸化シリコン膜を絶縁膜に用いて形成したMOSキャパシタのリーク電流密度特性と同程度ないしはそれ以上であり、確実に高性能が認められる。   Further, as can be seen from the CV characteristic diagram of FIG. 3, the above-described MOS capacitor also has a leakage current density of a MOS capacitor formed by using a silicon dioxide film formed by a normal high temperature thermal oxidation method as an insulating film. It is the same as or higher than the leakage current density characteristic, and high performance is confirmed with certainty.

なお、上記の説明では、酸化性溶液または酸化性気体として、硝酸濃度1モルの硝酸水溶液を用いた例で述べたが、これに代えて、任意濃度の硝酸、過塩素酸、硫酸、オゾン溶解水、過酸化水素水、塩酸と過酸化水素水との混合溶液、硫酸と過酸化水素水との混合溶液、アンモニア水と過酸化水素水との混合溶液、硫酸と硝酸との混合溶液,王水、およびさらに酸化力のある沸騰水の群から選ばれた少なくとも1つの溶液、その気体、またはそれらの混合物用いることもできる。すなわち、これらの酸化性溶液または酸化性気体は、単独で用いても、混合物で用いてもよい。これらの酸化性溶液または酸化性気体は、酸化力が強い酸化種、例えば、酸素イオン、水酸化物イオン、過酸化物イオンなどの酸素のイオンやラジカルを発生する。このため、二酸化シリコン膜15を形成すべきシリコン基板11を陽極とすることによって、二酸化シリコン膜15形成後も、これらの酸化種を、シリコン基板11表面(シリコン基板11と二酸化シリコン膜15の界面)に導くことが可能となる。   In the above description, an example in which a nitric acid aqueous solution having a nitric acid concentration of 1 mol is used as the oxidizing solution or oxidizing gas is used. Instead of this, nitric acid, perchloric acid, sulfuric acid, ozone dissolved at any concentration Water, hydrogen peroxide solution, mixed solution of hydrochloric acid and hydrogen peroxide solution, mixed solution of sulfuric acid and hydrogen peroxide solution, mixed solution of ammonia water and hydrogen peroxide solution, mixed solution of sulfuric acid and nitric acid, Wang It is also possible to use at least one solution selected from the group of water and further oxidative boiling water, its gas, or a mixture thereof. That is, these oxidizing solutions or oxidizing gases may be used alone or in a mixture. These oxidizing solutions or oxidizing gases generate oxidizing species having strong oxidizing power, such as oxygen ions and radicals such as oxygen ions, hydroxide ions, and peroxide ions. For this reason, by using the silicon substrate 11 on which the silicon dioxide film 15 is to be formed as an anode, even after the silicon dioxide film 15 is formed, these oxidized species are converted into the surface of the silicon substrate 11 (the interface between the silicon substrate 11 and the silicon dioxide film 15). ).

酸化性溶液として硝酸水溶液を用いる場合は、硝酸濃度が1〜65%(重量比、以下、wtと記す)の範囲の低濃度であっても、シリコンに対する酸化力が強く、シリコン基板11への印加電圧なしでも、上述の二酸化シリコン膜15の形成に好適である。   In the case where an aqueous nitric acid solution is used as the oxidizing solution, the oxidizing power against silicon is strong even when the nitric acid concentration is a low concentration in the range of 1 to 65% (weight ratio, hereinafter referred to as wt). Even without an applied voltage, it is suitable for forming the silicon dioxide film 15 described above.

また、高濃度の酸化性溶液、とりわけ、硝酸濃度が65%(wt)を超える高濃度、たとえば、硝酸濃度68%(wt)以上(共沸濃度以上)の硝酸水溶液では、シリコンに対する酸化力が極めて強く、シリコン基板11への印加電圧なしでも、均一な二酸化シリコン膜15が形成される。そして、この硝酸水溶液では、加熱温度を120.7℃(いわゆる共沸温度以上)に保つと、硝酸と水とが共沸状態になり、その溶液および蒸気(すなわち気体)はそれぞれ濃度が一定になり、二酸化シリコン膜15の成長の制御を時間管理で行うことができる。   In addition, an oxidizing solution having a high concentration, particularly a nitric acid solution having a nitric acid concentration exceeding 65% (wt), for example, a nitric acid aqueous solution having a nitric acid concentration of 68% (wt) or more (azeotropic concentration or more) has an oxidizing power against silicon. It is extremely strong, and a uniform silicon dioxide film 15 is formed even without a voltage applied to the silicon substrate 11. In this nitric acid aqueous solution, when the heating temperature is maintained at 120.7 ° C. (above the so-called azeotropic temperature), nitric acid and water become azeotropic, and the concentration of the solution and vapor (ie, gas) is constant. Thus, the growth of the silicon dioxide film 15 can be controlled by time management.

そして、それらは蒸気、すなわち酸化性気体でも強い酸化力があるため、この蒸気をシリコン基板11に電圧印加なしで作用させたとしても、シリコン基板11の表面に二酸化シリコン膜(化学酸化膜)15を形成することができる。この場合、シリコン基板11の温度は適宜選定することができる。しかし、シリコン基板11に電圧を印加して、二酸化シリコン膜15を形成することによって、二酸化シリコン膜15の生成速度を高めることができる。   Since they have a strong oxidizing power even with a vapor, that is, an oxidizing gas, even if this vapor is applied to the silicon substrate 11 without applying a voltage, a silicon dioxide film (chemical oxide film) 15 is formed on the surface of the silicon substrate 11. Can be formed. In this case, the temperature of the silicon substrate 11 can be selected as appropriate. However, the generation rate of the silicon dioxide film 15 can be increased by applying a voltage to the silicon substrate 11 to form the silicon dioxide film 15.

また、上記の酸化性溶液またはその気体の中でも、高濃度の酸化性溶液または酸化性気体が、本実施形態で用いた硝酸と水との共沸混合物である共沸硝酸、硫酸と水との共沸混合物である共沸硫酸、および過塩素酸と水との共沸混合物である共沸過塩素酸の群から選ばれた少なくとも1つである場合は、特に酸化力が強く、本発明による酸化物の形成方法に特に好適である。これらの共沸混合物は、シリコン基板11への印加電圧が低くても(印加電圧がゼロであっても)、酸化膜形成工程ならびに得られる二酸化シリコン膜15の性能がいずれも安定である。   Further, among the above oxidizing solutions or gases thereof, a high concentration oxidizing solution or oxidizing gas is an azeotropic nitric acid, sulfuric acid and water, which is an azeotropic mixture of nitric acid and water used in the present embodiment. When it is at least one selected from the group of azeotropic sulfuric acid which is an azeotropic mixture and azeotropic perchloric acid which is an azeotropic mixture of perchloric acid and water, the oxidizing power is particularly strong, and according to the present invention It is particularly suitable for an oxide formation method. In these azeotropes, even if the applied voltage to the silicon substrate 11 is low (even if the applied voltage is zero), the oxide film forming step and the performance of the resulting silicon dioxide film 15 are both stable.

このように、本実施形態では、上記酸化性溶液またはその気体が、共沸濃度以上の共沸混合物であることが好ましく、水との共沸混合物であることがより好ましく、水との共沸混合物である共沸硝酸、水との共沸混合物である共沸硫酸、および水との共沸混合物である共沸過塩素酸の群から選ばれた少なくとも1つの溶液またはその気体からなることがさらに好ましい。さらに、これらの共沸混合物は、共沸温度以上に加熱した上記酸化性溶液またはその気体を、半導体に作用させることが特に好ましい。   Thus, in this embodiment, the oxidizing solution or gas thereof is preferably an azeotropic mixture having an azeotropic concentration or more, more preferably an azeotropic mixture with water, and azeotropy with water. It consists of at least one solution selected from the group of azeotropic nitric acid that is a mixture, azeotropic sulfuric acid that is an azeotrope with water, and azeotropic perchloric acid that is an azeotrope with water, or a gas thereof. Further preferred. Furthermore, these azeotropes are particularly preferably caused to cause the oxidizing solution or gas thereof heated to the azeotropic temperature or higher to act on the semiconductor.

上記の説明では、酸化膜形成工程を、1種類の濃度の硝酸水溶液を用いて二酸化シリコン膜15を形成しているが、異なる複数の濃度の硝酸などの酸化性溶液またはその気体を適用することも可能である。ただし、この場合、酸化性溶液またはその気体は、共沸混合物である。   In the above description, the silicon dioxide film 15 is formed using a nitric acid aqueous solution of one kind of concentration in the oxide film forming step, but an oxidizing solution such as nitric acid having a plurality of different concentrations or its gas is applied. Is also possible. However, in this case, the oxidizing solution or the gas thereof is an azeotropic mixture.

すなわち、シリコン基板(半導体)に、共沸濃度未満の酸化性溶液またはその気体を作用させることにより、シリコン基板11表面に、第1の二酸化シリコン膜(第1の化学酸化膜)を形成する第1工程と、第1の二酸化シリコン膜に、共沸濃度以上の酸化性溶液またはその気体を作用させることにより、第1の二酸化シリコン膜よりも厚い第2の二酸化シリコン膜(第2の化学酸化膜)を形成する第2工程とを有し、上記第1工程および上記第2工程の少なくとも一方の工程を、上記の酸化膜形成工程(すなわち、シリコン基板に電圧を印加した状態で、上記酸化性溶液またはその気体を、上記シリコン基板に作用させることにより、上記シリコン基板表面で第1または第2の化学酸化膜を形成する)を行ってもよい。すなわち、第1工程または第2工程の少なくとも一方の工程を、前記酸化膜形成工程によって行うこともできる。   That is, a first silicon dioxide film (first chemical oxide film) is formed on the surface of the silicon substrate 11 by allowing an oxidizing solution having a lower azeotropic concentration or its gas to act on the silicon substrate (semiconductor). A second silicon dioxide film (second chemical oxidation) that is thicker than the first silicon dioxide film by causing an oxidizing solution or gas thereof having an azeotropic concentration or higher to act on the first silicon dioxide film in one step. A second step of forming a film), and at least one of the first step and the second step is performed by performing the oxidation in the state of applying the voltage to the silicon substrate (that is, applying a voltage to the silicon substrate). A first chemical oxide film or a second chemical oxide film may be formed on the surface of the silicon substrate by applying a reactive solution or a gas thereof to the silicon substrate. That is, at least one of the first step and the second step can be performed by the oxide film forming step.

これにより、前述の酸化膜形成工程と同様に、所望の厚さの高品質の化学酸化膜を、低温・低電圧で、シリコン基板表面に均一に形成することが可能である。すなわち、二酸化シリコン膜の膜質を向上でき、リーク電流密度の低い高品質の二酸化シリコン膜を形成できる。従って、例えば、二酸化シリコン膜を絶縁膜として使用したとしても、その二酸化シリコン膜は高品質の絶縁膜として機能するため、現状の絶縁膜よりも薄膜化(例えば数nm以下)が可能である。   As a result, similarly to the oxide film forming step described above, a high-quality chemical oxide film having a desired thickness can be uniformly formed on the silicon substrate surface at a low temperature and a low voltage. That is, the film quality of the silicon dioxide film can be improved, and a high-quality silicon dioxide film with a low leakage current density can be formed. Therefore, for example, even if a silicon dioxide film is used as an insulating film, the silicon dioxide film functions as a high-quality insulating film, so that it can be made thinner (for example, several nm or less) than the current insulating film.

さらに、特に、第1工程を共沸濃度未満、第2工程を共沸濃度以上の酸化性溶液またはその気体を作用させているため、第1の二酸化シリコン膜は、第2の二酸化シリコン膜に比べて、原子密度の低い化学酸化膜となる。すなわち、第1工程では、有孔(ポアー)が存在する第1の二酸化シリコン膜を形成できる。そして、第2工程では、第1工程で形成された第1の二酸化シリコン膜に存在するポアーに、酸化性溶液またはその気体が作用することによって、第2の二酸化シリコン膜が形成される。つまり、ポアーを含む低い原子密度の第1の二酸化シリコン膜が触媒となって、第2の二酸化シリコン膜の酸化反応が、順次進行する。これにより、より一層高品質の二酸化シリコン膜を形成できる。   Furthermore, in particular, the first silicon dioxide film is applied to the second silicon dioxide film because an oxidizing solution having a concentration lower than the azeotropic concentration in the first step and an oxidizing solution having a concentration higher than the azeotropic concentration or the gas in the second step are allowed to act. Compared to a chemical oxide film having a lower atomic density. That is, in the first step, a first silicon dioxide film having a hole (pore) can be formed. In the second step, the second silicon dioxide film is formed by the action of the oxidizing solution or its gas on the pores present in the first silicon dioxide film formed in the first step. That is, the first silicon dioxide film having a low atomic density including pores serves as a catalyst, and the oxidation reaction of the second silicon dioxide film proceeds sequentially. Thereby, an even higher quality silicon dioxide film can be formed.

なお、第1工程および第2工程は、低濃度(好ましくは共沸濃度未満)と、高濃度(好ましくは共沸濃度以上)との2種類の酸化性溶液またはその気体を準備して、第1および第2の二酸化シリコン膜を形成してもよいし、上記低濃度から高濃度へ多段階(2種類以上の濃度の酸化性溶液またはその気体を準備する)で、順次高濃度に切り替えてもよい。また、低濃度から高濃度へ連続的に濃度を上昇させることもできる。たとえば、共沸濃度未満の酸化性溶液を、共沸濃度になるまで加熱すれば、その加熱状態を維持することにより、酸化性溶液は一定の溶液組成・蒸気組成となる。これにより、化学酸化膜の成長の制御を、時間管理で行うことができる。従って、二酸化シリコン膜の形成(厚さや品質)を、より高精度に制御することが可能となる。   In the first step and the second step, two kinds of oxidizing solutions of low concentration (preferably less than azeotropic concentration) and high concentration (preferably azeotropic concentration or more) or a gas thereof are prepared, The first and second silicon dioxide films may be formed, and the low concentration is gradually changed to the high concentration in multiple steps (preparing two or more kinds of oxidizing solutions or gases thereof). Also good. It is also possible to increase the concentration continuously from a low concentration to a high concentration. For example, if an oxidizing solution having an azeotropic concentration is heated to an azeotropic concentration, the oxidizing solution has a constant solution composition / vapor composition by maintaining the heating state. Thereby, the growth of the chemical oxide film can be controlled by time management. Therefore, the formation (thickness and quality) of the silicon dioxide film can be controlled with higher accuracy.

本実施形態では、シリコン基板11への電圧印加は、それによって、シリコン基板11上での二酸化シリコン膜15の生成速度を高めるとともに、その膜厚を増大させることに寄与する。シリコン基板11に電圧を印加することにより、溶液中の酸化種であるOやOHなどの陰イオンまたはラジカルが引き寄せられて、かつ二酸化シリコン膜15の形成後も、二酸化シリコン膜15中を通過して、シリコン基板11表面に到着しやすくなり、酸化反応速度を高め、厚い二酸化シリコン膜15を得ることができる。 In the present embodiment, voltage application to the silicon substrate 11 thereby contributes to increasing the film thickness while increasing the generation rate of the silicon dioxide film 15 on the silicon substrate 11. By applying a voltage to the silicon substrate 11, anions or radicals such as O and OH which are oxidizing species in the solution are attracted, and the silicon dioxide film 15 is formed in the silicon dioxide film 15 even after the silicon dioxide film 15 is formed. Passing through and reaching the surface of the silicon substrate 11 is facilitated, the oxidation reaction rate is increased, and a thick silicon dioxide film 15 can be obtained.

本実施形態では、上述の二酸化シリコン膜15に対して、窒化処理を行う窒化工程を行うことが好ましい。例えば、窒化工程としては、窒素を含む気体中,とりわけプラズマ窒化処理で、二酸化シリコン膜15表面の一部を、窒化シリコンに転化した窒化シリコン含有二酸化シリコン膜(窒化化学酸化膜)を形成することや、上述の窒化処理後の窒化シリコン含有膜上に重ねて、CVD法などで厚いSiO等の絶縁膜(酸化膜)を形成することも可能である。これにより、二酸化シリコン膜15は、窒化シリコンと二酸化シリコンとの膜(窒化化学酸化膜)となる。このような窒化処理を行えば、化学酸化膜の絶縁破壊特性や電荷トラップ特性を向上できる。 In the present embodiment, it is preferable to perform a nitriding step for nitriding the silicon dioxide film 15 described above. For example, as the nitriding step, a silicon nitride-containing silicon dioxide film (nitrided chemical oxide film) in which a part of the surface of the silicon dioxide film 15 is converted into silicon nitride in a gas containing nitrogen, particularly by plasma nitriding, is formed. Alternatively, a thick insulating film (oxide film) such as SiO 2 can be formed on the silicon nitride-containing film after the nitriding treatment by a CVD method or the like. Thereby, the silicon dioxide film 15 becomes a film of silicon nitride and silicon dioxide (nitrided chemical oxide film). By performing such nitriding treatment, the dielectric breakdown characteristics and charge trapping characteristics of the chemical oxide film can be improved.

本実施形態では、上述の二酸化シリコン(SiO)膜15上に、高誘電体膜、例えば、ハフニウムオキサイド、酸化アルミニウム等を積層した複合膜とすることによって、MOSトランジスタのゲート絶縁膜に用いることができる。その場合は、高誘電体膜のみを用いる場合に比べて、トランジスタ特性の性能向上(リーク電流の低減、界面準位の低減等による移動度の向上など)が得られる。上記高誘電体膜の下(シリコン基板11側)に形成する二酸化シリコン膜15は、例えば1nmまたはそれ以下の極薄膜でよく、電圧印加なしで、形成しても良い。なお、通常の熱酸化法で形成する二酸化シリコン膜15は、1nm程度のものでは、膜質が低いため、リーク電流や界面準位が大きく実用に耐えない。 In the present embodiment, a high dielectric film, for example, a composite film in which hafnium oxide, aluminum oxide, or the like is laminated on the silicon dioxide (SiO 2 ) film 15 described above is used as a gate insulating film of a MOS transistor. Can do. In that case, performance improvement of transistor characteristics (improvement of mobility due to reduction of leakage current, reduction of interface state, etc.) can be obtained as compared with the case where only a high dielectric film is used. The silicon dioxide film 15 formed under the high dielectric film (on the silicon substrate 11 side) may be an extremely thin film of 1 nm or less, for example, and may be formed without applying a voltage. Note that the silicon dioxide film 15 formed by the usual thermal oxidation method is about 1 nm, and the film quality is low. Therefore, the leakage current and the interface state are large and cannot be practically used.

これに対し、本実施形態の二酸化シリコン(SiO)膜15は、高品質であるため、二酸化シリコン膜15上に、厚い絶縁膜を形成した積層構造の複合膜に好適である。すなわち、MOSトランジスタのゲート絶縁膜に好適である。さらに、上記高誘電体膜のみでなく、本実施形態の二酸化シリコン膜15は、強誘電体膜を積層して形成したものにも同様に適用できる。 On the other hand, since the silicon dioxide (SiO 2 ) film 15 of this embodiment is of high quality, it is suitable for a composite film having a laminated structure in which a thick insulating film is formed on the silicon dioxide film 15. That is, it is suitable for a gate insulating film of a MOS transistor. Further, not only the high dielectric film but also the silicon dioxide film 15 of the present embodiment can be similarly applied to a film formed by laminating ferroelectric films.

また、本実施形態では、二酸化シリコン膜15を形成するための被処理用基板として単結晶シリコン基板11を用いてMOSキャパシタを製造する例で説明したが、上記の各工程は、ガラス基板上やPETなどの基板上に多結晶(微結晶を含む)シリコンあるいは非晶質シリコンを形成して、薄膜トランジスタ(TFT)を形成する場合にも適用できる。   Further, in the present embodiment, the example in which the MOS capacitor is manufactured using the single crystal silicon substrate 11 as the substrate to be processed for forming the silicon dioxide film 15 has been described. The present invention can also be applied to the case where a thin film transistor (TFT) is formed by forming polycrystalline (including microcrystalline) silicon or amorphous silicon on a substrate such as PET.

さらに、本実施形態では、均一な二酸化シリコン膜15が得られるため、上記単結晶シリコン基板11は、平面形状に限られることなく、3次元形状や球状の凹凸や曲面を持つ基板で、その凹凸や曲面の領域をトランジスタのチャンネルに利用することも可能である。すなわち、上記の方法によれば、形成した二酸化シリコン膜15などの高品質の絶縁膜を、シリコン基板11の凹凸や曲面にあわせて、低温で均一に形成することができる。   Furthermore, in this embodiment, since the uniform silicon dioxide film 15 is obtained, the single crystal silicon substrate 11 is not limited to a planar shape, and is a substrate having a three-dimensional shape, a spherical unevenness, or a curved surface. It is also possible to use a curved surface area for a transistor channel. That is, according to the above method, a high-quality insulating film such as the formed silicon dioxide film 15 can be uniformly formed at a low temperature in accordance with the unevenness and curved surface of the silicon substrate 11.

さらに、上述の各工程は、半導体装置として、MOSキャパシタを製造する場合に限定されるものではない。すなわち、本実施形態ではMOSキャパシタを例に述べたが、薄膜トランジスタ(TFT)のゲート絶縁膜を形成する場合、この積層二酸化シリコン膜あるいは積層二酸化シリコン膜の中間に窒化シリコン含有膜を介在させたものは、界面準位の少ない高性能な絶縁膜が得られ、高性能なTFTを得ることができる。また、大規模集積回路(LSI)や電荷結合デバイス(CCD)などで、多結晶シリコン電極材料などを配線に用いて形成する多層配線構造の層間絶縁膜あるいはフラッシュメモリ等のメモリの容量絶縁膜として用いることができ、この分野での利用が十分に期待できる。   Furthermore, the above-described steps are not limited to the case where a MOS capacitor is manufactured as a semiconductor device. That is, in this embodiment, the MOS capacitor has been described as an example. However, when a gate insulating film of a thin film transistor (TFT) is formed, a silicon nitride-containing film is interposed between the laminated silicon dioxide film or the laminated silicon dioxide film. As a result, a high-performance insulating film with few interface states can be obtained, and a high-performance TFT can be obtained. Also, as a large-scale integrated circuit (LSI), charge coupled device (CCD), etc., as an interlayer insulating film of a multilayer wiring structure formed by using a polycrystalline silicon electrode material or the like as a wiring, or as a capacitor insulating film of a memory such as a flash memory It can be used and expected to be used in this field.

また、本実施形態では、被処理用基板として、単結晶シリコンのシリコン基板11を用いてMOSキャパシタを製造する例で説明したが、ここで述べた各工程は、単結晶シリコン基板を用いる場合に限らず、ガラス基板上やPETなどの基板上の多結晶(微結晶を含む)シリコンあるいは非晶質シリコン、炭化シリコン、シリコン・ゲルマニウムなどで薄膜トランジスタ(TFT)を形成する場合にも、十分に適用できる。   In this embodiment, the example in which the MOS capacitor is manufactured using the silicon substrate 11 of single crystal silicon as the substrate to be processed has been described. However, each step described here is performed when the single crystal silicon substrate is used. Not limited to this, it is fully applicable when thin film transistors (TFTs) are formed of polycrystalline silicon (including microcrystals), amorphous silicon, silicon carbide, silicon / germanium, etc. on a glass substrate or a substrate such as PET. it can.

また、本実施形態では、シリコン基板11に直流電圧を印加しているが、交流電圧を印加してもよい。交流電圧を印加する場合、パルスを制御により、直流電圧の場合と同様にして、二酸化シリコン膜を形成できる。また、パルスの制御により、形成する二酸化シリコン膜の膜厚の制御も可能となる。   In the present embodiment, a DC voltage is applied to the silicon substrate 11, but an AC voltage may be applied. When an AC voltage is applied, a silicon dioxide film can be formed by controlling the pulse in the same manner as in the case of a DC voltage. Further, the film thickness of the silicon dioxide film to be formed can be controlled by controlling the pulse.

なお、上記の説明では、金属膜16(金属を含む膜)としてアルミニウムを用いたが、金属原子を含む膜としては、アルミニウム、マグネシウム、ニッケル、クロム、白金、パラジウム、タングステン、チタン、及びタンタルの群から選ばれる金属原子を含む膜が挙げられる。なお、金属原子を含む膜としては活性な金属原子を含む膜が望ましく、例えばアルミニウム、マグネシウム、ニッケルなどの金属膜や、シリコンを含んだアルミニウムなどの合金膜が望ましい。また、金属原子を含む膜としては窒化チタンや五酸化タンタルなどの化合物を用いることもできる。   In the above description, aluminum is used as the metal film 16 (metal-containing film). However, as the film containing metal atoms, aluminum, magnesium, nickel, chromium, platinum, palladium, tungsten, titanium, and tantalum are used. Examples include a film containing a metal atom selected from the group. The film containing metal atoms is preferably a film containing active metal atoms, for example, a metal film such as aluminum, magnesium, or nickel, or an alloy film such as aluminum containing silicon. As the film containing metal atoms, a compound such as titanium nitride or tantalum pentoxide can be used.

なお、本発明の酸化膜の形成方法と、従来の陽極酸化法とでは、以下のような違いがある。   The oxide film forming method of the present invention and the conventional anodic oxidation method have the following differences.

従来、半導体に電圧を印加した状態で、その半導体表面に酸化膜を形成する方法として、陽極酸化法が行われていた。陽極酸化法は、酸化膜を溶かさない電解質中での半導体成分のイオンの移動を、電界が加速することによって、半導体表面に酸化膜を形成する方法である。   Conventionally, an anodic oxidation method has been performed as a method of forming an oxide film on a semiconductor surface in a state where a voltage is applied to the semiconductor. The anodic oxidation method is a method in which an oxide film is formed on a semiconductor surface by accelerating the movement of ions of a semiconductor component in an electrolyte that does not dissolve the oxide film.

例えば、陽極酸化法によりSi基板にSiO膜を形成する場合、Si基板への電圧印加により、Si基板表面からSiO膜にSiイオンを導く。そして、Si基板から離脱したSiイオンが、形成したSiO膜中を透過して移動することにより、離脱したSiイオンをSiO膜表面に導く。そして、SiO膜表面のSiイオンの酸化によって、SiO膜表面にSiO膜を形成する。つまり、陽極酸化法では、SiO膜の成長は、SiO膜表面で起こる。すなわち、陽極酸化では、SiO膜表面にSiイオンを導くことによって、SiO膜表面で、酸化反応が起こる。 For example, when a SiO 2 film is formed on a Si substrate by an anodic oxidation method, Si + ions are guided from the surface of the Si substrate to the SiO 2 film by applying a voltage to the Si substrate. Then, the Si + ions released from the Si substrate permeate through the formed SiO 2 film and move to guide the released Si + ions to the surface of the SiO 2 film. Then, by the oxidation of Si + ions in the SiO 2 film surface to form a SiO 2 film on the SiO 2 film surface. That is, in the anodic oxidation, the growth of the SiO 2 film occurs at the SiO 2 film surface. That is, in the anodic oxidation, by directing the Si + ions in the SiO 2 film surface of SiO 2 film surface, the oxidation reaction takes place.

これに対し、本発明の酸化物の形成方法(本形成方法)では、酸化力の強い酸化性溶液またはその気体(高酸化性溶液またはその気体)を用いることで、例えば、Si基板にSiO膜を形成する場合、Si基板への電圧印加により、酸化性溶液から解離酸素イオン(O)や酸素原子などの活性種(酸化種)が、Si基板表面に生成する。この活性種は、SiO/Si基板の界面に移動し、この界面で、Si基板と反応してSiO膜を形成する。前述のように、本形成方法では、Si基板への電圧印加により、Si基板表面(Si基板とSiO膜との界面)に、Oイオンや酸素原子などの酸化種を導いている。従って、SiO膜の形成後、上記酸化種のイオンまたはラジカルが、Si基板表面(Si基板とSiO膜との界面)のSiを酸化することにより、SiO膜を形成する。つまり、SiO膜の成長は、SiO膜表面ではなく、Si基板表面(Si基板とSiO膜との界面)で起こる。すなわち、本形成方法では、Si基板表面(Si基板とSiO膜との界面)に酸化種のイオンまたはラジカルを導くことによって、Si基板表面(Si基板とSiO膜との界面)で、酸化反応が起こる。 On the other hand, in the method for forming an oxide of the present invention (the present forming method), an oxidizing solution having a strong oxidizing power or a gas thereof (a highly oxidizing solution or a gas thereof) is used, for example, SiO 2 on a Si substrate. When forming a film, by applying a voltage to the Si substrate, active species (oxidized species) such as dissociated oxygen ions (O ) and oxygen atoms are generated on the surface of the Si substrate. This active species moves to the SiO 2 / Si substrate interface, and reacts with the Si substrate at this interface to form a SiO 2 film. As described above, in the present forming method, by applying a voltage to the Si substrate, oxidizing species such as O ions and oxygen atoms are introduced to the surface of the Si substrate (interface between the Si substrate and the SiO 2 film). Therefore, after the formation of the SiO 2 film, the ions or radicals of the oxidizing species oxidize Si on the surface of the Si substrate (the interface between the Si substrate and the SiO 2 film), thereby forming the SiO 2 film. In other words, the growth of the SiO 2 film is not a SiO 2 film surface, it occurs in the Si substrate surface (interface between the Si substrate and the SiO 2 film). That is, in this formation method, oxidation ions or radicals are guided to the surface of the Si substrate (interface between the Si substrate and the SiO 2 film) to oxidize on the surface of the Si substrate (interface between the Si substrate and the SiO 2 film). A reaction takes place.

このように、本形成方法では、半導体表面(半導体と化学酸化膜との界面)で酸化反応が起こるのに対し、陽極酸化法では、酸化膜表面で酸化反応が起こる。従って、本形成方法と陽極酸化法とでは、化学酸化膜の成長部位が異なる。すなわち、陽極酸化では、界面から、基板とは反対側に酸化膜が形成されていくのに対して、本形成方法では、界面から基板側に化学酸化膜が形成されていく。つまり、Si基板と二酸化シリコン膜との界面は、酸化反応に伴って、シリコンバルク側に移動して、常に清浄になる。従って、本形成方法では、良好な界面特性を得ることができる。   Thus, in this formation method, an oxidation reaction occurs on the semiconductor surface (interface between the semiconductor and the chemical oxide film), whereas in the anodic oxidation method, an oxidation reaction occurs on the oxide film surface. Therefore, the growth site of the chemical oxide film differs between the present formation method and the anodic oxidation method. That is, in anodic oxidation, an oxide film is formed on the side opposite to the substrate from the interface, whereas in this formation method, a chemical oxide film is formed on the substrate side from the interface. That is, the interface between the Si substrate and the silicon dioxide film moves to the silicon bulk side with the oxidation reaction and is always clean. Therefore, in this forming method, good interface characteristics can be obtained.

さらに、陽極酸化法では、半導体表面から酸化される半導体成分のイオンを離脱し、酸化膜表面に、その半導体成分のイオンを導く必要があるため、高い電圧が必要である。これに対し、本形成方法では、半導体表面(半導体と化学酸化膜との界面)で、化学酸化膜が成長するため、半導体表面から酸化される半導体成分のイオンを離脱する必要がない。従って、本形成方法では、陽極酸化法よりも低電圧での化学酸化膜の形成が可能である。   Furthermore, in the anodic oxidation method, it is necessary to release the semiconductor component ions to be oxidized from the semiconductor surface and to guide the semiconductor component ions to the oxide film surface, so that a high voltage is required. On the other hand, in this formation method, since the chemical oxide film grows on the semiconductor surface (interface between the semiconductor and the chemical oxide film), it is not necessary to release semiconductor component ions to be oxidized from the semiconductor surface. Therefore, in this forming method, it is possible to form a chemical oxide film at a lower voltage than in the anodic oxidation method.

また、特許文献1では、シリコン基板表面に、低電圧で酸化膜を形成するために、多孔質の酸化膜を形成した後、酸化膜を形成している。すなわち、特許文献1では、多孔質の酸化膜を形成することが必須である。また、形成した酸化膜の膜質も不充分である。
これに対し、本形成方法では、そのような多孔質の酸化膜を形成することなく、半導体表面に化学酸化膜を形成することができる。
In Patent Document 1, in order to form an oxide film on the surface of a silicon substrate at a low voltage, an oxide film is formed after a porous oxide film is formed. That is, in Patent Document 1, it is essential to form a porous oxide film. Further, the quality of the formed oxide film is insufficient.
On the other hand, in this formation method, a chemical oxide film can be formed on the semiconductor surface without forming such a porous oxide film.

また、従来の陽極酸化では、低電圧での酸化反応を行うために、多孔質シリコン基板を使用している。   In the conventional anodic oxidation, a porous silicon substrate is used in order to perform an oxidation reaction at a low voltage.

これに対し、本形成方法では、酸化力の強い酸化性溶液またはその蒸気を使用しているため、必ずしも多孔質の処理基板(例えば多孔質シリコン基板など)を使用する必要はない。   On the other hand, in the present forming method, since an oxidizing solution having a strong oxidizing power or a vapor thereof is used, it is not always necessary to use a porous processing substrate (for example, a porous silicon substrate).

また、本発明を以下の〔1〕〜〔19〕のように表現することも可能である。すなわち、〔1〕本発明の酸化膜の形成方法は、半導体に対して100V未満の所定の電圧を印加したまま、酸化性溶液またはその気体を作用させて、上記半導体の表面に化学酸化膜を形成することを特徴とする。   Also, the present invention can be expressed as [1] to [19] below. That is, [1] In the oxide film forming method of the present invention, a chemical oxide film is formed on the surface of the semiconductor by applying an oxidizing solution or its gas while applying a predetermined voltage of less than 100 V to the semiconductor. It is characterized by forming.

〔2〕本発明の酸化膜の形成方法は、上記〔1〕記載の酸化膜の形成方法において、上記半導体が単結晶シリコン、多結晶シリコン、非晶質シリコン、炭化シリコンおよびシリコン・ゲルマニウムから選ばれる少なくとも1つであって、上記化学酸化膜の主体がシリコンの酸化膜からなることを特徴とする。   [2] A method for forming an oxide film according to the present invention is the method for forming an oxide film according to [1], wherein the semiconductor is selected from single crystal silicon, polycrystalline silicon, amorphous silicon, silicon carbide, and silicon-germanium. The chemical oxide film is mainly composed of a silicon oxide film.

〔3〕本発明の酸化膜の形成方法は、上記〔1〕または〔2〕記載の酸化膜の形成方法において、上記酸化性溶液またはその気体が、硝酸、過塩素酸、硫酸、オゾン溶解水、過酸化水素水、塩酸と過酸化水素水との混合溶液、硫酸と過酸化水素水との混合溶液、アンモニア水と過酸化水素水との混合溶液、硫酸と硝酸との混合溶液、王水、および沸騰水の群から選ばれた少なくとも1つの溶液またはその気体からなることを特徴とする。   [3] The oxide film formation method of the present invention is the oxide film formation method according to [1] or [2], wherein the oxidizing solution or gas thereof is nitric acid, perchloric acid, sulfuric acid, ozone-dissolved water. , Hydrogen peroxide solution, mixed solution of hydrochloric acid and hydrogen peroxide solution, mixed solution of sulfuric acid and hydrogen peroxide solution, mixed solution of ammonia water and hydrogen peroxide solution, mixed solution of sulfuric acid and nitric acid, aqua regia And at least one solution selected from the group of boiling water or a gas thereof.

〔4〕本発明の酸化膜の形成方法は、上記〔1〕または〔2〕記載の酸化膜の形成方法において、上記酸化性溶液またはその気体が、水との共沸混合物である共沸硝酸、水との共沸混合物である共沸硫酸、および水との共沸混合物である共沸過塩素酸の群から選ばれた少なくとも1つの溶液またはその気体からなることを特徴とする。   [4] The method for forming an oxide film according to the present invention is the method for forming an oxide film according to the above [1] or [2], wherein the oxidizing solution or the gas thereof is an azeotropic mixture with water. And at least one solution selected from the group consisting of azeotropic sulfuric acid which is an azeotrope with water and azeotropic perchloric acid which is an azeotrope with water, or a gas thereof.

〔5〕本発明の酸化膜の形成方法は、上記〔1〕〜〔4〕のいずれか1つに記載の酸化膜の形成方法において、上記半導体の表面に化学酸化膜を形成した後、上記化学酸化膜を窒化処理する工程を含むことを特徴とする。   [5] The method for forming an oxide film according to the present invention is the method for forming an oxide film according to any one of [1] to [4], wherein after the chemical oxide film is formed on the surface of the semiconductor, The method includes a step of nitriding the chemical oxide film.

〔6〕本発明の酸化膜の形成方法は、半導体の表面に低濃度の酸化性溶液またはその気体を作用させて、上記半導体表面に第1の化学酸化膜を形成する工程および高濃度の酸化性溶液またはその気体を作用させて上記第1の化学酸化膜の厚みを越える第2の化学酸化膜を形成する工程をそなえたことを特徴とする。   [6] The method for forming an oxide film of the present invention comprises a step of forming a first chemical oxide film on the semiconductor surface by causing a low concentration oxidizing solution or gas to act on the surface of the semiconductor, and a high concentration oxidation. And a step of forming a second chemical oxide film exceeding the thickness of the first chemical oxide film by the action of a reactive solution or a gas thereof.

〔7〕本発明の酸化膜の形成方法は、上記〔6〕に記載の酸化膜の形成方法において、上記第1の化学酸化膜を形成する工程及び上記第2の化学酸化膜を形成する工程の少なくとも1つの工程で、上記半導体に電圧を印加することを特徴とする。   [7] The method for forming an oxide film according to the present invention includes the step of forming the first chemical oxide film and the step of forming the second chemical oxide film in the method for forming an oxide film according to [6]. A voltage is applied to the semiconductor in at least one of the steps.

〔8〕本発明の酸化膜の形成方法は、上記〔6〕または〔7〕に記載の酸化膜の形成方法において、上記低濃度の酸化性溶液またはその気体が、硝酸水溶液,硫酸水溶液および過塩素酸水溶液の群の少なくとも1つで共沸濃度未満の濃度の溶液またはその気体から選ばれ、上記高濃度の酸化性溶液またはその気体が、上記水溶液群中の少なくとも1つで共沸濃度の溶液またはその気体から選ばれたことを特徴とする。   [8] The method for forming an oxide film according to the present invention is the method for forming an oxide film according to [6] or [7], wherein the low-concentration oxidizing solution or a gas thereof is an aqueous nitric acid solution, an aqueous sulfuric acid solution, or an excess solution. The solution is selected from a solution having a concentration lower than the azeotropic concentration or a gas thereof in at least one of the chloric acid aqueous solution groups, and the high-concentration oxidizing solution or the gas has an azeotropic concentration in at least one of the aqueous solution groups. It is selected from a solution or a gas thereof.

〔9〕本発明の半導体装置の製造方法は、半導体を含む基板に、上記半導体に対して所定の電圧を印加したまま、酸化性溶液またはその気体を作用させて、酸化種のイオンまたはラジカルを上記半導体の表面で反応させて所望の化学酸化膜を形成する工程をそなえたことを特徴とする。   [9] In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, an oxidizing solution or a gas thereof is allowed to act on a substrate including a semiconductor while a predetermined voltage is applied to the semiconductor to thereby generate ions or radicals of oxidizing species. A step of forming a desired chemical oxide film by reacting on the surface of the semiconductor is provided.

〔10〕本発明の半導体装置の製造方法は、上記〔9〕に記載の半導体装置の製造方法において、上記酸化性溶液またはその気体が、硝酸、過塩素酸、硫酸、オゾン溶解水、過酸化水素水、塩酸と過酸化水素水との混合溶液、硫酸と過酸化水素水との混合溶液、アンモニア水と過酸化水素水との混合溶液、硫酸と硝酸との混合溶液、王水および沸騰水の群から選ばれた少なくとも1つの溶液またはその気体からなることを特徴とする。   [10] A method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention is the method for manufacturing a semiconductor device according to [9], wherein the oxidizing solution or the gas thereof is nitric acid, perchloric acid, sulfuric acid, ozone-dissolved water, peroxidation. Hydrogen water, mixed solution of hydrochloric acid and hydrogen peroxide solution, mixed solution of sulfuric acid and hydrogen peroxide solution, mixed solution of ammonia water and hydrogen peroxide solution, mixed solution of sulfuric acid and nitric acid, aqua regia and boiling water It consists of at least 1 solution chosen from the group of these, or its gas.

〔11〕本発明の半導体装置の製造方法は、半導体の表面に低濃度の酸化性溶液またはその気体を作用させて、上記半導体表面に第1の化学酸化膜を形成する工程及び高濃度の酸化性溶液またはその気体を作用させて上記第1の化学酸化膜の厚みを越える第2の化学酸化膜を形成する工程をそなえたことを特徴とする。   [11] A method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step of forming a first chemical oxide film on a surface of a semiconductor by causing a low concentration oxidizing solution or gas to act on the surface of the semiconductor, and a high concentration oxidation. And a step of forming a second chemical oxide film exceeding the thickness of the first chemical oxide film by the action of a functional solution or a gas thereof.

〔12〕本発明の半導体装置の製造方法は、上記〔11〕に記載の半導体装置の製造方法において、上記第1の化学酸化膜を形成する工程及び上記第2の化学酸化膜を形成する工程の少なくとも1つの工程で、上記半導体に電圧を印加することを特徴とする。   [12] A method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes the step of forming the first chemical oxide film and the step of forming the second chemical oxide film in the method of manufacturing a semiconductor device according to [11]. A voltage is applied to the semiconductor in at least one of the steps.

〔13〕本発明の半導体装置の製造方法は、上記〔11〕または〔12〕に記載の半導体装置の製造方法において、上記低濃度の酸化性溶液またはその気体が、硝酸、過塩素酸、硫酸から選ばれた少なくとも1つと水との混合物の群から選ばれて共沸濃度より低い濃度範囲に選定され、上記高濃度の酸化性溶液またはその気体が、上記群中から選ばれて上記低濃度の濃度範囲の設定値を超えた高濃度に選定されることを特徴とする。   [13] A method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention is the method for manufacturing a semiconductor device according to [11] or [12], wherein the low-concentration oxidizing solution or gas thereof is nitric acid, perchloric acid, sulfuric acid. Selected from the group of a mixture of at least one selected from water and water, and selected in a concentration range lower than the azeotropic concentration, the high-concentration oxidizing solution or the gas thereof is selected from the group and the low concentration A high concentration exceeding the set value of the concentration range is selected.

〔14〕本発明の半導体装置の製造方法は、上記〔11〕〜〔13〕のいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法において、上記高濃度の酸化性溶液または酸化性気体が、水との共沸混合物である共沸硝酸、水との共沸混合物である共沸硫酸、および水との共沸混合物である共沸過塩素酸の群から選ばれた少なくとも1つの溶液またはその気体からなることを特徴とする。   [14] A method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention is the method for manufacturing a semiconductor device according to any one of [11] to [13], wherein the high-concentration oxidizing solution or oxidizing gas is water. At least one solution selected from the group consisting of azeotropic nitric acid as an azeotrope with water, azeotropic sulfuric acid as an azeotrope with water, and azeotropic perchloric acid as an azeotrope with water, or a gas thereof It is characterized by comprising.

〔15〕本発明の半導体装置の製造方法は、上記〔9〕〜〔14〕のいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法において、上記半導体が単結晶シリコン、多結晶シリコン、非晶質シリコン、炭化シリコンおよびシリコン・ゲルマニウムから選ばれる少なくとも1つからなることを特徴とする。   [15] A method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention is the method for manufacturing a semiconductor device according to any one of [9] to [14], wherein the semiconductor is monocrystalline silicon, polycrystalline silicon, or amorphous. It is characterized by comprising at least one selected from silicon, silicon carbide and silicon-germanium.

〔16〕本発明の半導体装置の製造方法は、上記〔9〕〜〔15〕のいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法において、上記半導体の表面に化学酸化膜を形成した後、上記化学酸化膜を窒化処理する工程を含むことを特徴とする。   [16] A method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention is the method for manufacturing a semiconductor device according to any one of [9] to [15], wherein a chemical oxide film is formed on the surface of the semiconductor, The method includes a step of nitriding the chemical oxide film.

〔17〕本発明の半導体装置の製造方法は、上記〔9〕〜〔16〕のいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法において、上記半導体の表面に化学酸化膜を形成した後または上記化学酸化膜を窒化処理した後、化学気相成長(CVD)による酸化膜、窒化シリコン膜、高誘電体膜および強誘電体膜の少なくとも一つの被膜を形成する工程をそなえたことを特徴とする。   [17] A method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention is the method for manufacturing a semiconductor device according to any one of [9] to [16], wherein a chemical oxide film is formed on the surface of the semiconductor, or It is characterized by comprising a step of forming at least one film of chemical vapor deposition (CVD) oxide film, silicon nitride film, high dielectric film, and ferroelectric film after nitriding the chemical oxide film .

〔18〕本発明の半導体装置の製造装置は、半導体の表面に低濃度の酸化性溶液またはその気体を作用させて、上記半導体表面に第1の化学酸化膜を形成する機能および高濃度の酸化性溶液またはその気体を作用させて上記第1の化学酸化膜の厚みを越える第2の化学酸化膜を形成する機能をそなえたことを特徴とする。   [18] The semiconductor device manufacturing apparatus of the present invention has a function of forming a first chemical oxide film on the semiconductor surface by causing a low concentration oxidizing solution or gas to act on the surface of the semiconductor, and a high concentration oxidation. It has a function of forming a second chemical oxide film exceeding the thickness of the first chemical oxide film by the action of a reactive solution or its gas.

〔19〕本発明の半導体装置の製造装置は、半導体を含む基板に、電圧印加のまま酸化性溶液またはその気体を作用させて、上記半導体の表面に化学酸化膜を形成する機能をそなえたことを特徴とする。   [19] The semiconductor device manufacturing apparatus of the present invention has a function of forming a chemical oxide film on the surface of the semiconductor by applying an oxidizing solution or its gas to a substrate including the semiconductor while applying a voltage. It is characterized by.

上記本発明の酸化膜の形成方法によると、半導体に対して、陽極酸化の場合より低い,100V未満の所定の電圧を印加したまま、酸化性溶液またはその気体を作用させて、酸化種のイオンまたはラジカルを前記半導体の表面で反応させて所望の化学酸化膜を形成する際に、その印加電圧を適宜選定することで、低温で高品質の上記化学酸化膜を所定の厚い被膜で均一に制御することができる。   According to the method for forming an oxide film of the present invention, an oxidizing solution or a gas thereof is allowed to act on a semiconductor while applying a predetermined voltage lower than 100 V, which is lower than that in the case of anodic oxidation, to generate ions of oxidizing species. Alternatively, when a desired chemical oxide film is formed by reacting radicals on the surface of the semiconductor, the applied voltage is appropriately selected to uniformly control the high-quality chemical oxide film at a low temperature with a predetermined thick film. can do.

また、上記本発明の酸化膜の形成方法によると、半導体の表面に低濃度の酸化性溶液またはその気体を作用させて、上記半導体表面に第1の化学酸化膜を形成する工程および高濃度の酸化性溶液またはその気体を作用させて上記第1の化学酸化膜の厚みを越える第2の化学酸化膜を形成する工程をそなえたことで、低温で高品質の上記化学酸化膜を所望の厚い被膜に形成することができる。   In addition, according to the method for forming an oxide film of the present invention, a step of forming a first chemical oxide film on the semiconductor surface by causing a low concentration oxidizing solution or gas to act on the surface of the semiconductor, and a high concentration By providing a step of forming a second chemical oxide film that exceeds the thickness of the first chemical oxide film by the action of an oxidizing solution or its gas, a high-quality chemical oxide film having a desired thickness can be formed at a low temperature. It can be formed into a film.

上記本発明の半導体装置の製造方法によると、半導体を含む基板に、上記半導体に対して陽極酸化の場合より低い,100V未満の所定の電圧を印加したまま、酸化性溶液またはその気体を作用させて、酸化種のイオンまたはラジカルを前記半導体の表面で反応させて所望の化学酸化膜を形成する工程をそなえたことにより、上記化学酸化膜を所定の厚い被膜に選定して半導体装置を製造することができる。   According to the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, an oxidizing solution or a gas thereof is allowed to act on a substrate including a semiconductor while a predetermined voltage lower than 100 V, which is lower than that in the case of anodization, is applied to the semiconductor. Then, by providing a step of forming a desired chemical oxide film by reacting ions or radicals of oxidizing species on the surface of the semiconductor, the chemical oxide film is selected as a predetermined thick film to manufacture a semiconductor device. be able to.

上記本発明の半導体装置の製造方法によると、半導体の表面に低濃度の酸化性溶液またはその気体を作用させて、上記半導体表面に第1の化学酸化膜を形成する工程及び高濃度の酸化性溶液またはその気体を作用させて上記第1の化学酸化膜の厚みを越える第2の化学酸化膜を形成する工程をそなえたことにより、上記第1の化学酸化膜を含む所定の厚い被膜を持った半導体装置を製造することができる。   According to the method of manufacturing a semiconductor device of the present invention, a step of forming a first chemical oxide film on the semiconductor surface by causing a low concentration oxidizing solution or gas to act on the semiconductor surface and a high concentration oxidizing property. By providing a step of forming a second chemical oxide film exceeding the thickness of the first chemical oxide film by acting a solution or a gas thereof, a predetermined thick film including the first chemical oxide film is obtained. A semiconductor device can be manufactured.

上記本発明の半導体装置の製造装置によると、半導体の表面に低濃度の酸化性溶液またはその気体を作用させて、上記半導体表面に第1の化学酸化膜を形成する機能および高濃度の酸化性溶液またはその気体を作用させて上記第1の化学酸化膜の厚みを越える第2の化学酸化膜を形成する機能をそなえたことにより、上記半導体を含む基体上に上記第1の化学酸化膜を含めた所定の厚い被膜の絶縁膜を形成して、高性能かつ安定な特性の半導体装置を製造することができる。   According to the semiconductor device manufacturing apparatus of the present invention, a function of forming a first chemical oxide film on the semiconductor surface by causing a low concentration oxidizing solution or gas to act on the semiconductor surface and a high concentration oxidizing property. The first chemical oxide film is formed on the substrate including the semiconductor by providing a function of forming a second chemical oxide film exceeding the thickness of the first chemical oxide film by acting a solution or a gas thereof. A semiconductor device having high performance and stable characteristics can be manufactured by forming an insulating film having a predetermined thick film.

上記本発明の半導体装置の製造装置によると、半導体を含む基板に、電圧印加のまま酸化性溶液またはその気体を作用させて、上記半導体の表面に化学酸化膜を形成する機能をそなえたことにより、上記化学酸化膜を所定の厚い被膜に形成して、高性能かつ安定な特性の半導体装置を製造することができる。   According to the semiconductor device manufacturing apparatus of the present invention, by providing a function of forming a chemical oxide film on the surface of the semiconductor by allowing an oxidizing solution or a gas thereof to act on a substrate including the semiconductor while applying a voltage. By forming the chemical oxide film in a predetermined thick film, a semiconductor device having high performance and stable characteristics can be manufactured.

本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope shown in the claims. That is, embodiments obtained by combining technical means appropriately modified within the scope of the claims are also included in the technical scope of the present invention.

以下、本実施の形態を実施例により詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, the present embodiment will be described in detail by way of examples, but the present invention is not limited to the following examples.

〔実施例1〕
次に、酸化性溶液として硝酸を用いて、シリコン基板11上に二酸化シリコン膜15を形成した例(実施例)を示す。
[Example 1]
Next, an example (Example) in which the silicon dioxide film 15 is formed on the silicon substrate 11 using nitric acid as the oxidizing solution will be described.

比抵抗が約10Ωcmで,面方位(100)のn型シリコンウェーハ(シリコン基板11上に形成された酸化膜(分離領域(LOCOS酸化膜))等を含めた全体)を、周知のRCA洗浄法で洗浄した後、ウェーハ表面の一部にオーミック接触の電極を設けて、このウェーハを室温(25℃)で、濃度1モル(mol./l)の硝酸(HNO)水溶液に浸漬して、対向電極5の白金参照電極との間に、5〜20Vの範囲で可変の電源4から電圧を印加して、ウェーハ表面に二酸化シリコン(SiO)膜15を形成した。 A well-known RCA cleaning method for an n-type silicon wafer having a specific resistance of about 10 Ωcm and a plane orientation (100) (the entire oxide film including the isolation film (isolation region (LOCOS oxide film)) formed on the silicon substrate 11) Then, an ohmic contact electrode is provided on a part of the wafer surface, and the wafer is immersed in a 1 mol (mol./l) nitric acid (HNO 3 ) aqueous solution at room temperature (25 ° C.). A voltage was applied from the variable power source 4 in the range of 5 to 20 V between the counter electrode 5 and the platinum reference electrode to form a silicon dioxide (SiO 2 ) film 15 on the wafer surface.

図4は、印加電圧をパラメータとして、処理時間(分)とSiO膜15の膜厚(nm)との関係を示す,SiO膜15の成長膜厚−時間特性図である。印加電圧が5Vの場合には、処理時間に対して、SiO膜の膜厚が放物線状に増加しており、このことから、SiO膜15の成長は、酸化種であるOやOHなどの陰イオンまたはラジカルによる,拡散律速になっていると認められる。そして、印加電圧が10Vの場合には、処理時間に対してSiO膜15厚が直線状に増加しており、反応律速になっていると認められる。すなわち、印加電圧が高い場合、酸化種であるOやOHなどの陰イオンまたはラジカルのSiO/Si界面(二酸化シリコン膜15とシリコン基板11との界面)への移動が促進される結果、その界面での酸化反応が律速過程になっているとみられる。ただし、そのいずれの場合も、SiO膜15の成長は、SiO/Si界面での酸化反応による化学酸化膜である。 FIG. 4 is a growth film thickness-time characteristic diagram of the SiO 2 film 15 showing the relationship between the processing time (minutes) and the film thickness (nm) of the SiO 2 film 15 using the applied voltage as a parameter. When the applied voltage is 5 V, the film thickness of the SiO 2 film increases in a parabolic manner with respect to the processing time. From this, the growth of the SiO 2 film 15 is caused by O or OH which is an oxidizing species. - by anion or radical, such as, is deemed to have become diffusion limited. When the applied voltage is 10 V, the thickness of the SiO 2 film 15 increases linearly with respect to the processing time, and it is recognized that the reaction rate is controlled. That is, when the applied voltage is high, the movement of anions or radicals such as O and OH that are oxidation species to the SiO 2 / Si interface (the interface between the silicon dioxide film 15 and the silicon substrate 11) is promoted. The oxidation reaction at the interface seems to be the rate-limiting process. However, in any case, the growth of the SiO 2 film 15 is a chemical oxide film by an oxidation reaction at the SiO 2 / Si interface.

この実施例によると、シリコン基板11への印加電圧を10Vに設定した場合、SiO膜15厚と時間との関係がほぼ直線関係になるため、その時間を増加して、膜厚20〜30nmのSiO膜15を形成することも十分に可能である。 According to this embodiment, when the applied voltage to the silicon substrate 11 is set to 10 V, the relationship between the thickness of the SiO 2 film 15 and the time is almost linear, so the time is increased and the film thickness is 20 to 30 nm. It is sufficiently possible to form the SiO 2 film 15.

図5は、上記SiO膜15上に直径0.3mmのアルミニウム電極(金属膜16)を形成して、Al/SiO/Si(100)構造のMOSダイオード(キャパシタ)として、上記印加電圧5V,60分(処理時間)で得たSiO膜の場合のMOSダイオードによる電流−電圧(I−V)特性図である。このときのSiO膜15の厚さは、SiO膜15の比誘電率を3.9と仮定して,電気容量−電圧(C−V)法により測定したところ、約6.1nmであった。また、上記SiO膜15上のアルミニウム電極に4Vおよび−4Vの各電圧を印加した際のリーク電流密度は、それぞれ、8×10−8A/cm,9×10−9A/cmであり、室温で形成したSiO膜15であるにも拘らず、比較的低い値であった。 FIG. 5 shows a case where an aluminum electrode (metal film 16) having a diameter of 0.3 mm is formed on the SiO 2 film 15 to form the Al / SiO 2 / Si (100) structure MOS diode (capacitor) with the applied voltage of 5 V, 60 minutes current by MOS diodes in the case of the SiO 2 film obtained in (treatment time) - a voltage (I-V) characteristic diagram. The thickness of the SiO 2 film 15 at this time was about 6.1 nm as measured by the capacitance-voltage (CV) method assuming that the relative dielectric constant of the SiO 2 film 15 was 3.9. Moreover, the leakage current densities when 4V and −4V voltages are applied to the aluminum electrode on the SiO 2 film 15 are 8 × 10 −8 A / cm 2 and 9 × 10 −9 A / cm 2, respectively. Although the SiO 2 film 15 was formed at room temperature, it was a relatively low value.

図6は、印加電圧5V,10V,15Vおよび20Vのそれぞれで形成したSiO膜について、そのSiO膜中の電界強度を5MV/cmに設定した際のMOSダイオードでのリーク電流密度とSiO膜厚との関係をランダムにプロットした相関図である。観測したすべての膜厚の範囲で、そのリーク電流密度は1×10−7A/cm以下であった。 FIG. 6 shows the leakage current density and the SiO 2 in the MOS diode when the electric field strength in the SiO 2 film is set to 5 MV / cm for the SiO 2 films formed at the applied voltages of 5 V, 10 V, 15 V and 20 V, respectively. It is the correlation diagram which plotted the relationship with a film thickness at random. The leak current density was 1 × 10 −7 A / cm 2 or less in all observed film thickness ranges.

図7は、0.01モルの過塩素酸(HClO)水溶液中でシリコン基板11に10Vの電圧を10分間印加することによって形成したSiO膜15を持つMOSダイオードのI−V特性図およびC−V特性図である。上記SiO膜15上のアルミニウム電極に3Vおよび−3Vの各電圧を印加した際のリーク電流密度は、それぞれ、7×10−8A/cm,8×10−9〜8×10−8A/cmであり、C−V特性ではほぼ0.9Vのヒステレシスが存在する。X線光電子スペクトル(XPS:X-ray photoelectron spectrum)測定およびC−V特性から求めたSiO膜厚は、8.5nm(XPS)および6.7nm(C−V)であった。 FIG. 7 shows an IV characteristic diagram of a MOS diode having a SiO 2 film 15 formed by applying a voltage of 10 V to a silicon substrate 11 in a 0.01 mol perchloric acid (HClO 4 ) aqueous solution for 10 minutes, and C— It is a V characteristic diagram. The leakage current densities when 3V and −3V voltages are applied to the aluminum electrode on the SiO 2 film 15 are 7 × 10 −8 A / cm 2 and 8 × 10 −9 to 8 × 10 −8, respectively. A / cm 2 , and there is approximately 0.9 V hysteresis in the CV characteristics. The SiO 2 film thicknesses determined from X-ray photoelectron spectrum (XPS) measurement and CV characteristics were 8.5 nm (XPS) and 6.7 nm (CV).

以上はHNO水溶液又はHClO水溶液中で形成したSiO膜15にアニール等の後処理を施さない場合の結果である。SiO膜15形成後、これを窒素中で熱処理(post-oxidation annealing−以下、POA処理という)を施すことによって、以下に示すように、電気特性が向上した。 The above is the result when the post-treatment such as annealing is not performed on the SiO 2 film 15 formed in the HNO 3 aqueous solution or the HClO 4 aqueous solution. After the SiO 2 film 15 was formed, this was subjected to heat treatment in nitrogen (post-oxidation annealing—hereinafter referred to as POA treatment), whereby the electrical characteristics were improved as shown below.

図8および図9は、上述の0.01モルの過塩素酸(HClO)水溶液中でシリコン基板11に10Vの電圧を10分間印加することによって形成したSiO膜15(図7に示すもの)を、窒素中200℃で30分間の加熱によるPOA処理した後、アルミニウム電極を形成してMOS構造として得たI−V特性図およびC−V特性図である。これによると、上記SiO膜15上のアルミニウム電極に4Vおよび−4Vの各電圧を印加した際のリーク電流密度は、それぞれ、1〜8×10−8A/cm,1〜8×10−9A/cmであり、この熱処理(POA処理)により処理前の値の1/5〜1/10程度に減少した。また、C−V特性でも、ヒステレシスが0.4V程度と、この熱処理(POA処理)で約半分になった。 FIGS. 8 and 9 show the SiO 2 film 15 (shown in FIG. 7) formed by applying a voltage of 10 V to the silicon substrate 11 for 10 minutes in the above-mentioned 0.01 mol perchloric acid (HClO 4 ) aqueous solution. FIG. 4 is an IV characteristic diagram and a CV characteristic diagram obtained as a MOS structure by forming an aluminum electrode after POA treatment by heating at 200 ° C. for 30 minutes in nitrogen. According to this, the leak current densities when 4 V and −4 V are applied to the aluminum electrode on the SiO 2 film 15 are 1 to 8 × 10 −8 A / cm 2 and 1 to 8 × 10 respectively. It was −9 A / cm 2 , and this heat treatment (POA treatment) decreased to about 1/5 to 1/10 of the value before the treatment. Also, in the CV characteristics, the hysteresis was about 0.4 V, and this heat treatment (POA treatment) was about half.

更に、フーリエ赤外の吸収(FT−IR)スペクトルから、200℃での熱処理によってSiO膜15中の水分子の脱離が認められ、このことから、上述の電気特性の向上はトラップ準位として働く水分子の脱離によるものと見られる。 Further, from the Fourier infrared absorption (FT-IR) spectrum, desorption of water molecules in the SiO 2 film 15 was observed by the heat treatment at 200 ° C. From this, the improvement in the electrical characteristics described above was due to the trap level. This is probably due to the desorption of water molecules.

XPS測定から求めたSiO膜の厚みは8.5nmで、熱処理前と変化はないが、C−V特性から求められるSiO膜の厚みは、7.6nmで、熱処理前より少し増加した値になる。これは、上記熱処理による水分子の離脱で誘電率が低減したことに因るとみられる。すなわち、C−V特性およびXPS測定から求めたSiO膜15の比誘電率を熱処理前後で比較すると、4.9(処理前)および4.4(処理後)と見積もられ、これは、処理前には膜中に極性の大きなHO(水分子)やOHイオンの存在で比誘電率が高く、処理後にはHOが脱離して比誘電率が低減したことによると考えられる。 The thickness of the SiO 2 film obtained from XPS measurement is 8.5 nm, which is the same as that before the heat treatment, but the thickness of the SiO 2 film obtained from CV characteristics is 7.6 nm, which is a slightly increased value before the heat treatment. . This seems to be due to the decrease in dielectric constant due to the separation of water molecules by the heat treatment. That is, when the relative dielectric constant of the SiO 2 film 15 obtained from the CV characteristics and the XPS measurement is compared before and after the heat treatment, it is estimated to be 4.9 (before treatment) and 4.4 (after treatment). It is considered that the relative dielectric constant is high due to the presence of H 2 O (water molecules) and OH ions having a large polarity in the film, and H 2 O is desorbed after the treatment to reduce the relative dielectric constant.

図10および図11は、1モルの硝酸(HNO)水溶液中、印加電圧20Vで形成したSiO膜15に対して、窒素中600℃で加熱処理したのち、これにMOSダイオードを形成して得たC−V特性図およびI−V特性図である。これによると、C−V特性中のヒステレシスはかなり小さくなり、また、I−V特性で、電極への印加電圧10Vおよび−10Vでのリーク電流密度は、約1×10−5A/cmおよび1×10−6A/cm程度であった。窒素中200℃での熱処理によってSiO膜15中のHOは除かれるが、OHイオンは500℃でないと除かれない。したがって、600℃での加熱処理による電気特性の向上は、OH基が除去されたことによるものである。 10 and 11 show that a SiO 2 film 15 formed at an applied voltage of 20 V in a 1 mol nitric acid (HNO 3 ) aqueous solution is heated at 600 ° C. in nitrogen, and then a MOS diode is formed thereon. It is the obtained CV characteristic diagram and IV characteristic diagram. According to this, the hysteresis in the CV characteristic is considerably reduced, and the leakage current density at the applied voltage of 10 V and −10 V to the electrode is about 1 × 10 −5 A / cm 2 in the IV characteristic. And about 1 × 10 −6 A / cm 2 . H 2 O in the SiO 2 film 15 is removed by heat treatment at 200 ° C. in nitrogen, but OH ions are not removed unless the temperature is 500 ° C. Therefore, the improvement of the electrical characteristics by the heat treatment at 600 ° C. is due to the removal of the OH group.

一方、OHイオンは、水素雰囲気中200℃でのPOA処理、あるいは金属膜16形成後の熱処理(post-metallization annealing−以下、PMA処理という)で除去されることを確認したので、上記熱処理を水素雰囲気中200℃で実施することが水分子およびOH基の除去に有効であることがわかった。   On the other hand, since it was confirmed that OH ions were removed by POA treatment at 200 ° C. in a hydrogen atmosphere or heat treatment after forming the metal film 16 (post-metallization annealing—hereinafter referred to as PMA treatment), It was found that carrying out at 200 ° C. in an atmosphere is effective for removing water molecules and OH groups.

〔実施の形態2〕
図12は、実施の形態2で使用した半導体装置の製造装置の概略構成図である。すなわち、SiC基板上に二酸化シリコン膜を形成する方法を実施する酸化膜形成部の主要部の概略構成図である。
[Embodiment 2]
FIG. 12 is a schematic configuration diagram of a semiconductor device manufacturing apparatus used in the second embodiment. That is, it is a schematic configuration diagram of a main part of an oxide film forming unit that implements a method of forming a silicon dioxide film on a SiC substrate.

被処理基板用のSiC基板111には、3C−SiC(100)エピタキシャル基板を用いた。このSiC基板は、抵抗率が0.016Ω−cm(ドープ濃度:4.50E+18cm−3)の結晶板上に、厚さ6μmのエピタキシャル層(ドープ濃度:1.25E+17cm−3)が形成されたものである。なお、ここでは、3C−SiC基板を用いたが、4H−SiC基板および6H−SiC基板等も適用できる。 As the SiC substrate 111 for the substrate to be processed, a 3C-SiC (100) epitaxial substrate was used. In this SiC substrate, an epitaxial layer (doping concentration: 1.25E + 17 cm −3 ) having a thickness of 6 μm is formed on a crystal plate having a resistivity of 0.016 Ω-cm (doping concentration: 4.50E + 18 cm −3 ). It is. Note that a 3C-SiC substrate is used here, but a 4H-SiC substrate, a 6H-SiC substrate, and the like are also applicable.

図12の装置では、まず、SiC基板111を、処理槽2内の1mol/Lの硝酸水溶液3に浸した状態で、SiC基板に電源4を接続する。そして、SiC基板111と処理槽2内に設置した白金の対極5との間に、所定の電圧を印加して、SiC基板111の表面に、二酸化シリコン膜6を形成する。このときの印加電圧は、処理槽2内に設置した三電極系の参照電極7で設定した定電圧となるようになっている。   In the apparatus of FIG. 12, first, the SiC substrate 111 is immersed in a 1 mol / L nitric acid aqueous solution 3 in the treatment tank 2, and the power source 4 is connected to the SiC substrate. Then, a predetermined voltage is applied between the SiC substrate 111 and the platinum counter electrode 5 installed in the processing bath 2 to form the silicon dioxide film 6 on the surface of the SiC substrate 111. The applied voltage at this time is a constant voltage set by the three-electrode reference electrode 7 installed in the treatment tank 2.

なお、SiC基板111の表面は、前処理として、RCA洗浄法による洗浄処理を行うことが好ましい。   The surface of SiC substrate 111 is preferably subjected to a cleaning process by an RCA cleaning method as a pre-process.

硝酸水溶液3中で、電源4からSiC基板111を正、対極5を負とし、かつ、参照電極7で設定した30Vの電圧(+30V)をSiC基板111に印加して、10分間処理した。その結果、SiC基板111表面に、均一な膜厚の二酸化シリコン膜6が形成された。なお、電圧印加は、参照電極7の電位を監視しながら定電圧を維持する定電位法により実施した。   In the nitric acid aqueous solution 3, the SiC substrate 111 was made positive from the power source 4, the counter electrode 5 was made negative, and a voltage of 30 V (+30 V) set by the reference electrode 7 was applied to the SiC substrate 111 for 10 minutes. As a result, a silicon dioxide film 6 having a uniform film thickness was formed on the surface of the SiC substrate 111. The voltage application was performed by a constant potential method that maintains a constant voltage while monitoring the potential of the reference electrode 7.

成膜時の印加電圧は、実用的には、参照電極7で設定する電圧を2〜50V、好ましくは5〜30Vの範囲とする。この範囲内とすれば、特に、反応速度の制御が容易となるため、膜質の制御も可能となる。   The voltage applied at the time of film formation is practically set to the voltage set by the reference electrode 7 in the range of 2 to 50V, preferably 5 to 30V. Within this range, the reaction rate can be easily controlled, and the film quality can also be controlled.

硝酸水溶液3としては、0.01mol/L以上のものを用いることができる。   As the nitric acid aqueous solution 3, one having a concentration of 0.01 mol / L or more can be used.

図14は、SiC基板111の表面に形成された二酸化シリコン膜6の断面を示すSEM画像を示す図である。この図によれば、1μm前後の厚い二酸化シリコン膜6が得られていることが確認できた。   FIG. 14 is a view showing an SEM image showing a cross section of the silicon dioxide film 6 formed on the surface of the SiC substrate 111. According to this figure, it was confirmed that a thick silicon dioxide film 6 of about 1 μm was obtained.

印加電圧、硝酸水溶液3の濃度、および処理時間は、特に限定されるものではなく、目的とする膜厚に応じて、適宜設定を変更することができる。これらの条件の設定は、例えば、実施の形態1と同様とすることができる。   The applied voltage, the concentration of the nitric acid aqueous solution 3, and the treatment time are not particularly limited, and can be appropriately changed according to the target film thickness. These conditions can be set in the same manner as in the first embodiment, for example.

図13は、この二酸化シリコン膜の形成方法を用いて製造したSiC−MOS型集積回路の断面図である。このSiC−MOS型集積回路は、SiC基板111に分離層12を形成し、ゲート酸化膜15およびゲート電極17、ソース電極18、ドレイン電極19を形成したものである。ここで、分離層12およびゲート酸化膜15のいずれも二酸化シリコン膜であり、上記の方法で形成することができる。なお、ソース電極18およびドレイン電極19の不純物層は、耐圧を向上するために、低濃度の不純物を用いて構成してもよい。また、分離層12の下に、p型不純物層を形成してもよい。さらに、SiC基板にトレンチを形成して、そのトレンチ内に、酸化膜を形成して、分離層12としてもよい。   FIG. 13 is a cross-sectional view of a SiC-MOS type integrated circuit manufactured by using this silicon dioxide film forming method. In this SiC-MOS type integrated circuit, a separation layer 12 is formed on a SiC substrate 111, and a gate oxide film 15, a gate electrode 17, a source electrode 18, and a drain electrode 19 are formed. Here, both the isolation layer 12 and the gate oxide film 15 are silicon dioxide films, and can be formed by the above-described method. Note that the impurity layers of the source electrode 18 and the drain electrode 19 may be formed using low-concentration impurities in order to improve the breakdown voltage. A p-type impurity layer may be formed under the separation layer 12. Further, the isolation layer 12 may be formed by forming a trench in the SiC substrate and forming an oxide film in the trench.

すなわち、被処理用のSiC基板111を、処理槽2内の1mol/Lの硝酸水溶液3に浸漬した状態で、SiC基板に、電源4を接続する。SiC基板111と処理槽2内に設置した白金の対極5との間に、三電極系の参照電極7で設定する定電圧を印加することによって、SiC基板111の表面に、例えば、膜厚10nmのゲート酸化膜15用二酸化シリコン膜、および、膜厚1μmの素子分離用の分離層12を形成した。これにより、低温プロセスで、SiC基板111の表面に、二酸化シリコン膜6を形成できる。従って、SiC基板の表面に、低温かつ短時間で界面準位の良好な二酸化シリコン膜を形成して、SiC−MOS型半導体装置およびそれを用いたSiC−MOS型集積回路を実現することができる。なお、形成した二酸化シリコン膜に所定のアニ−ル処理(窒化処理)を行ってもよい。これにより、二酸化シリコン膜の界面準位をさらに高めることができる。   That is, the power supply 4 is connected to the SiC substrate in a state where the SiC substrate 111 to be processed is immersed in the 1 mol / L nitric acid aqueous solution 3 in the processing tank 2. By applying a constant voltage set by the three-electrode system reference electrode 7 between the SiC substrate 111 and the platinum counter electrode 5 installed in the processing tank 2, for example, a film thickness of 10 nm is applied to the surface of the SiC substrate 111. The silicon dioxide film for the gate oxide film 15 and the isolation layer 12 for element isolation having a film thickness of 1 μm were formed. Thereby, silicon dioxide film 6 can be formed on the surface of SiC substrate 111 by a low temperature process. Accordingly, it is possible to realize a SiC-MOS type semiconductor device and a SiC-MOS type integrated circuit using the same by forming a silicon dioxide film having a good interface state at a low temperature in a short time on the surface of the SiC substrate. . A predetermined annealing process (nitriding process) may be performed on the formed silicon dioxide film. Thereby, the interface state of the silicon dioxide film can be further increased.

なお、図13のSiC−MOS型集積回路は、横型MOSFET(metal-oxide semiconductor field-effect transistor)を構成しているが、図15のようにパワーデバイス用の縦型パワーSiC−MOSFETを構成することもできる。   The SiC-MOS integrated circuit of FIG. 13 constitutes a lateral MOSFET (metal-oxide semiconductor field-effect transistor), but constitutes a vertical power SiC-MOSFET for a power device as shown in FIG. You can also

図15は、上記の二酸化シリコン膜の形成方法を用いて製造した縦型SiC−MOSFETの断面図である。図15の縦型SiC−MOSFETは、SiC基板111の一方の面にドレイン電極19が形成されており、他方の面に、ゲート酸化膜15およびソース電極18が間隔を空けて形成されている。ゲート酸化膜15上には、ゲート電極17が形成されている。図15の縦型SiC−MOSFETも、図13のSiC−MOS型集積回路と同様にして製造することができる。ここでも、図13と同様に、ゲート酸化膜15は、SiC基板111への電圧印加により形成した二酸化シリコン膜である。   FIG. 15 is a cross-sectional view of a vertical SiC-MOSFET manufactured by using the silicon dioxide film forming method described above. In the vertical SiC-MOSFET of FIG. 15, the drain electrode 19 is formed on one surface of the SiC substrate 111, and the gate oxide film 15 and the source electrode 18 are formed on the other surface with a space therebetween. A gate electrode 17 is formed on the gate oxide film 15. The vertical SiC-MOSFET of FIG. 15 can also be manufactured in the same manner as the SiC-MOS integrated circuit of FIG. Again, as in FIG. 13, the gate oxide film 15 is a silicon dioxide film formed by applying a voltage to the SiC substrate 111.

以上のように、本発明によれば、SiC基板を硝酸溶液中で電圧印加して正電位に保ち、基板の表面に二酸化シリコン膜を形成するSiC基板の表面酸化方法を提供することができる。この方法は、半導体デバイスの製造に利用することもできる。すなわち、SiC基板に硝酸溶液中で電圧印加して、SiC基板の表面に、二酸化シリコン膜を形成する工程を含む半導体装置の製造方法として適用可能である。   As described above, according to the present invention, it is possible to provide a surface oxidation method for a SiC substrate in which a voltage is applied to the SiC substrate in a nitric acid solution to maintain a positive potential and a silicon dioxide film is formed on the surface of the substrate. This method can also be used for the manufacture of semiconductor devices. That is, it can be applied as a method for manufacturing a semiconductor device including a step of applying a voltage to a SiC substrate in a nitric acid solution to form a silicon dioxide film on the surface of the SiC substrate.

この方法を適用できる半導体装置としては、例えば、SiCによるパワーMOSFET,MOSIC,IC,LSIなどがあり、これらのゲート酸化膜、ゲート絶縁膜、素子分離層、および基板表面保護層などに利用することができる。   Semiconductor devices to which this method can be applied include, for example, SiC power MOSFETs, MOSICs, ICs, LSIs, and the like, which are used for these gate oxide films, gate insulating films, element isolation layers, and substrate surface protection layers Can do.

このように、本実施の形態は、SiC基板を硝酸液中で電圧印加して正電位に保ち、基板表面に二酸化シリコン膜を形成することを特徴とする。また、本実施の形態は、SiC基板に硝酸溶液中で電圧印加して、前記基板の表面に、二酸化シリコン膜を形成する工程を含むことを特徴とする。   Thus, the present embodiment is characterized in that a voltage is applied to the SiC substrate in a nitric acid solution to maintain a positive potential, and a silicon dioxide film is formed on the substrate surface. In addition, the present embodiment includes a step of applying a voltage to a SiC substrate in a nitric acid solution to form a silicon dioxide film on the surface of the substrate.

また、図示しないが、TEM解析を用いてSiC基板表面に、界面が極めて良好な二酸化シリコン膜が形成されていることを確認できた。つまり、本実施形態によれば、SiC基板表面に界面準位が良好な二酸化シリコン膜を容易に形成することが可能となる。   Although not shown, it was confirmed that a silicon dioxide film having a very good interface was formed on the surface of the SiC substrate using TEM analysis. That is, according to this embodiment, it is possible to easily form a silicon dioxide film having a good interface state on the surface of the SiC substrate.

このように、本発明によると、SiC基板を硝酸溶液中で、定電圧、例えば、3電極系の電気化学セルの参照電極で測定して2〜50Vの電圧を印加して正電位に保ち、低温(例えば室温)、短時間で、SiC基板の表面に、薄い膜から厚い膜まで、任意の厚さの二酸化シリコン膜を容易に形成できる。例えば、数nm〜1μm程度の二酸化シリコン膜を形成することができる。   Thus, according to the present invention, a SiC substrate is measured in a nitric acid solution at a constant voltage, for example, a reference electrode of a three-electrode electrochemical cell, and a voltage of 2 to 50 V is applied to maintain a positive potential. A silicon dioxide film having an arbitrary thickness from a thin film to a thick film can be easily formed on the surface of the SiC substrate at a low temperature (for example, room temperature) in a short time. For example, a silicon dioxide film having a thickness of about several nm to 1 μm can be formed.

従って、印加電圧と時間とを制御することにより、SiC−MOS型トランジスタ(SiCMOS型半導体装置)の、ゲート酸化膜(例えば10〜20nm)および分離層(例えば500nm〜1μm)の形成が可能となる。さらに、そのSiC−MOS型トランジスタを備えたSiC−MOS型集積回路を構成することが可能となる。この場合、ゲート酸化膜および分離層の界面準位を大幅に低減できるため、横型SiC−MOS型トランジスタの性能を大幅に改善でき、高周波特性の良好なSiC−MOS集積回路を実現できる。なお、従来の方法では、SiC基板表面に、充分な膜厚の二酸化シリコン膜を形成できないため、SiC集積回路を実現することはできない。   Therefore, by controlling the applied voltage and time, it becomes possible to form the gate oxide film (for example, 10 to 20 nm) and the separation layer (for example, 500 nm to 1 μm) of the SiC-MOS type transistor (SiCMOS type semiconductor device). . Furthermore, it is possible to configure a SiC-MOS type integrated circuit including the SiC-MOS type transistor. In this case, since the interface state between the gate oxide film and the separation layer can be greatly reduced, the performance of the lateral SiC-MOS transistor can be greatly improved, and a SiC-MOS integrated circuit with good high frequency characteristics can be realized. In the conventional method, since a silicon dioxide film having a sufficient thickness cannot be formed on the surface of the SiC substrate, a SiC integrated circuit cannot be realized.

さらに、縦型パワーSiC−MOSのゲート酸化膜に用いても、当然、ゲート酸化膜の界面準位を大幅に低減できるため、そのスイッチング特性等を大きく向上できる。   Furthermore, even if it is used for a gate oxide film of a vertical power SiC-MOS, naturally the interface state of the gate oxide film can be greatly reduced, so that its switching characteristics and the like can be greatly improved.

本発明によると、SiC基板に硝酸液中で電圧印加して、基板の表面に二酸化シリコン膜を形成する工程を含み、室温で、かつ短時間で、所定の厚さの二酸化シリコン膜を形成できる。   According to the present invention, a silicon dioxide film having a predetermined thickness can be formed at room temperature in a short time, including a step of forming a silicon dioxide film on the surface of the substrate by applying a voltage in a nitric acid solution to the SiC substrate. .

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible within the scope shown in the claims, and embodiments obtained by appropriately combining technical means disclosed in different embodiments. Is also included in the technical scope of the present invention.

本発明によれば、低電圧・低温で高品質の化学酸化膜を所望の厚さに形成すること、およびそのような化学酸化膜を備えた半導体装置を製造できるため、広範囲な電気電子機械産業において利用することができる。また、本発明は、例えば、パワーデバイス用の縦型SiC−MOSFETのゲート酸化膜,高周波デバイス用の横型SiC−MOSFETの分離層(分離酸化膜),およびSiC−MOS型集積回路のゲート酸化膜と素子分離用の分離酸化膜に用いるなどの半導体デバイスに利用することができる。さらにSiCの表面に二酸化シリコン膜を形成して利用する各種機能デバイス、例えば、SiCのメモリ用の容量酸化膜にも応用することができる。   According to the present invention, a high-quality chemical oxide film can be formed to a desired thickness at a low voltage and low temperature, and a semiconductor device having such a chemical oxide film can be manufactured. Can be used. The present invention also provides, for example, a vertical SiC-MOSFET gate oxide film for power devices, a lateral SiC-MOSFET isolation layer (isolation oxide film) for high-frequency devices, and a gate oxide film of an SiC-MOS integrated circuit. And can be used for semiconductor devices such as an isolation oxide film for element isolation. Further, the present invention can be applied to various functional devices that use a silicon dioxide film formed on the surface of SiC, for example, a capacitive oxide film for SiC memory.

本発明の実施の一形態に係るシリコン基板上への二酸化シリコン膜の形成に使用した製造装置の主要部構成を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the principal part structure of the manufacturing apparatus used for formation of the silicon dioxide film on the silicon substrate which concerns on one Embodiment of this invention. 図2(a)〜(f)は、本発明の実施の一形態に係るシリコン基板上に二酸化シリコン膜を形成する方法の工程を示す断面図である。2A to 2F are cross-sectional views showing the steps of a method for forming a silicon dioxide film on a silicon substrate according to an embodiment of the present invention. 図2の方法によって得られたMOSキャパシタにおける容量(C)と電圧(V)との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the capacity | capacitance (C) and the voltage (V) in the MOS capacitor obtained by the method of FIG. 実施例1の二酸化シリコン膜における成長膜厚と時間との関係を示すグラフである。6 is a graph showing the relationship between the growth film thickness and time in the silicon dioxide film of Example 1. 実施例1のMOSダイオードにおける電流と電圧との関係を示すグラフである。3 is a graph showing the relationship between current and voltage in the MOS diode of Example 1. 実施例1のMOSダイオードにおけるリーク電流密度とSiO2膜厚との相関を示すグラフである。3 is a graph showing the correlation between the leakage current density and the SiO 2 film thickness in the MOS diode of Example 1. 実施例1のMOSダイオードにおける電流と電圧との関係、および、容量と電圧との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the electric current in the MOS diode of Example 1, and the relationship between a capacity | capacitance and a voltage. 図7のMOS構造を200℃で加熱処理後電極を形成した場合の電流と電圧との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the electric current at the time of forming an electrode after heat-processing the MOS structure of FIG. 7 at 200 degreeC. 図8のMOS構造における容量と電圧との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the capacity | capacitance and voltage in the MOS structure of FIG. 図7のMOS構造を600℃で加熱処理後電極を形成した場合の容量と電圧との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between a capacity | capacitance at the time of forming an electrode after heat-processing the MOS structure of FIG. 7 at 600 degreeC. 図10のMOS構造における電流と電圧との関係を示すグラフである。11 is a graph showing the relationship between current and voltage in the MOS structure of FIG. 10. 実施の形態2で使用した半導体装置の製造装置の概略構成図である。FIG. 5 is a schematic configuration diagram of a semiconductor device manufacturing apparatus used in a second embodiment. 本発明の実施の形態2における横型MOSFETの断面図である。It is sectional drawing of the lateral MOSFET in Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態2におけるSiC基板の表面に形成された二酸化シリコン膜の断面のSEM画像を示す図である。It is a figure which shows the SEM image of the cross section of the silicon dioxide film formed in the surface of the SiC substrate in Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態2における縦型MOSFETの断面図である。It is sectional drawing of the vertical MOSFET in Embodiment 2 of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1、11、 シリコン基板(半導体)
3 溶液(酸化性溶液)
15 二酸化シリコン膜(化学酸化膜)
111 SiC基板(半導体)
1, 11, silicon substrate (semiconductor)
3 solution (oxidizing solution)
15 Silicon dioxide film (chemical oxide film)
111 SiC substrate (semiconductor)

Claims (19)

半導体に電圧を印加した状態で、その半導体表面に化学酸化膜を形成する酸化膜形成工程を有する酸化膜の形成方法において、
上記酸化膜形成工程は、酸化性溶液またはその気体を上記半導体に作用させることにより、上記半導体表面で上記化学酸化膜を形成することを特徴とする酸化膜の形成方法。
In a method for forming an oxide film having an oxide film forming step of forming a chemical oxide film on a semiconductor surface in a state where a voltage is applied to the semiconductor,
The oxide film forming step is characterized in that the chemical oxide film is formed on the semiconductor surface by allowing an oxidizing solution or a gas thereof to act on the semiconductor.
上記酸化膜形成工程は、上記電圧を印加する半導体を、酸化性溶液に浸漬して行うことを特徴とする請求項1に記載の酸化膜の形成方法。   The method for forming an oxide film according to claim 1, wherein the oxide film forming step is performed by immersing a semiconductor to which the voltage is applied in an oxidizing solution. 上記半導体がシリコンを含んでおり、
上記化学酸化膜が、シリコンの酸化膜であることを特徴とする請求項1または2に記載の酸化膜の形成方法。
The semiconductor contains silicon,
3. The method of forming an oxide film according to claim 1, wherein the chemical oxide film is a silicon oxide film.
上記半導体が、単結晶シリコン、多結晶シリコン、非晶質シリコン、炭化シリコンおよびシリコン・ゲルマニウムから選ばれる少なくとも1つであって、
上記化学酸化膜が、シリコンの酸化膜であることを特徴とする請求項3に記載の酸化膜の形成方法。
The semiconductor is at least one selected from single crystal silicon, polycrystalline silicon, amorphous silicon, silicon carbide, and silicon germanium,
4. The method of forming an oxide film according to claim 3, wherein the chemical oxide film is a silicon oxide film.
上記酸化性溶液またはその気体が、硝酸、過塩素酸、硫酸、オゾン溶解水、過酸化水素水、塩酸と過酸化水素水との混合溶液、硫酸と過酸化水素水との混合溶液、アンモニア水と過酸化水素水との混合溶液、硫酸と硝酸との混合溶液、王水、および沸騰水の群から選ばれた少なくとも1つの溶液、その気体、またはそれらの混合物からなることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の酸化膜の形成方法。   The oxidizing solution or gas thereof is nitric acid, perchloric acid, sulfuric acid, ozone-dissolved water, hydrogen peroxide solution, a mixed solution of hydrochloric acid and hydrogen peroxide solution, a mixed solution of sulfuric acid and hydrogen peroxide solution, ammonia water And at least one solution selected from the group consisting of a mixed solution of water and hydrogen peroxide, a mixed solution of sulfuric acid and nitric acid, aqua regia, and boiling water, a gas thereof, or a mixture thereof. Item 5. The method for forming an oxide film according to any one of Items 1 to 4. 上記酸化性溶液またはその気体が、共沸混合物であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の酸化膜の形成方法。   6. The method for forming an oxide film according to claim 1, wherein the oxidizing solution or the gas thereof is an azeotropic mixture. 上記酸化性溶液またはその気体が、水との共沸混合物である共沸硝酸、水との共沸混合物である共沸硫酸、および水との共沸混合物である共沸過塩素酸の群から選ばれた少なくとも1つの溶液またはその気体からなることを特徴とする請求項6に記載の酸化膜の形成方法。   The oxidizing solution or its gas is from the group of azeotropic nitric acid that is an azeotrope with water, azeotropic sulfuric acid that is an azeotrope with water, and azeotropic perchloric acid that is an azeotrope with water. 7. The method for forming an oxide film according to claim 6, comprising at least one selected solution or a gas thereof. 共沸温度以上に加熱した上記酸化性溶液またはその気体を、半導体に作用させることを特徴とする請求項6または7に記載の酸化膜の形成方法。   8. The method for forming an oxide film according to claim 6, wherein the oxidizing solution heated to an azeotropic temperature or a gas thereof is allowed to act on a semiconductor. 半導体に、共沸濃度未満の酸化性溶液またはその気体を作用させることにより、上記半導体表面に、第1の化学酸化膜を形成する第1工程と、
上記第1の化学酸化膜に、共沸濃度以上の酸化性溶液またはその気体を作用させることにより、上記第1の化学酸化膜よりも厚い第2の化学酸化膜を形成する第2工程とを有する酸化膜の形成方法であって、
上記第1工程および上記第2工程の少なくとも一方の工程を、半導体に電圧を印加した状態で、上記酸化性溶液またはその気体を、上記半導体に作用させることにより、上記半導体表面で上記化学酸化膜を形成することを特徴とする酸化膜の形成方法。
A first step of forming a first chemical oxide film on the semiconductor surface by allowing an oxidizing solution having a concentration lower than the azeotropic concentration or a gas thereof to act on the semiconductor;
A second step of forming a second chemical oxide film thicker than the first chemical oxide film by allowing an oxidizing solution or gas thereof having an azeotropic concentration or higher to act on the first chemical oxide film; A method of forming an oxide film comprising:
The chemical oxide film is formed on the semiconductor surface by causing the oxidizing solution or the gas to act on the semiconductor in a state in which a voltage is applied to the semiconductor in at least one of the first step and the second step. And forming an oxide film.
上記酸化膜形成工程後に、上記化学酸化膜を窒化処理する窒化工程を行うことを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載の酸化膜の形成方法。   The method for forming an oxide film according to any one of claims 1 to 9, wherein a nitriding step of nitriding the chemical oxide film is performed after the oxide film forming step. 請求項1〜10のいずれか1項に記載の酸化膜の形成方法によって化学酸化膜を形成する酸化膜形成工程を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。   A method for manufacturing a semiconductor device, comprising: an oxide film forming step of forming a chemical oxide film by the oxide film forming method according to claim 1. さらに、上記半導体の表面に化学酸化膜を形成した後、または、上記化学酸化膜を窒化処理した後、上記化学酸化膜上に、酸化膜、窒化シリコン膜、高誘電体膜および強誘電体膜のうち少なくとも一つの膜を形成する工程を有することを特徴とする請求項11に記載の半導体装置の製造方法。   Further, after a chemical oxide film is formed on the surface of the semiconductor or after the chemical oxide film is nitrided, an oxide film, a silicon nitride film, a high dielectric film, and a ferroelectric film are formed on the chemical oxide film. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 11, further comprising a step of forming at least one film. 請求項11または12に記載の半導体装置の製造方法によって得られた半導体装置であって、
上記酸化性溶液によって半導体が酸化された化学酸化膜を備えていることを特徴とする半導体装置。
A semiconductor device obtained by the method for manufacturing a semiconductor device according to claim 11 or 12,
A semiconductor device comprising a chemical oxide film in which a semiconductor is oxidized by the oxidizing solution.
半導体に電圧を印加した状態で、その半導体表面に化学酸化膜を形成する酸化膜形成部を有する半導体装置の製造装置において、
上記酸化膜形成部は、請求項1〜10のいずれか1項に記載の酸化膜の形成方法、または、請求項11または12の半導体装置の製造方法によって、半導体表面で化学酸化膜を形成する機能を有することを特徴とする半導体装置の製造装置。
In a semiconductor device manufacturing apparatus having an oxide film forming portion for forming a chemical oxide film on a semiconductor surface in a state where a voltage is applied to the semiconductor,
The oxide film forming portion forms a chemical oxide film on a semiconductor surface by the oxide film forming method according to any one of claims 1 to 10 or the semiconductor device manufacturing method according to claim 11 or 12. A manufacturing apparatus of a semiconductor device having a function.
SiC基板を硝酸溶液中で電圧印加して正電位に保ち、前記SiC基板の表面に二酸化シリコン膜を形成することを特徴とするSiC基板の酸化方法。   A method of oxidizing a SiC substrate, wherein a voltage is applied to the SiC substrate in a nitric acid solution to maintain a positive potential, and a silicon dioxide film is formed on the surface of the SiC substrate. SiC基板に硝酸溶液中で電圧印加して、前記SiC基板の表面に二酸化シリコン膜を形成する工程を含むことを特徴とするSiC−MOS型半導体装置の製造方法。   A method of manufacturing a SiC-MOS type semiconductor device, comprising: applying a voltage to a SiC substrate in a nitric acid solution to form a silicon dioxide film on the surface of the SiC substrate. 請求項15に記載の酸化方法、または、請求項16に記載のSiC−MOS型半導体装置の製造方法によってSiC基板上に形成された二酸化シリコン膜を備えたSiC−MOS型半導体装置。   A SiC-MOS type semiconductor device comprising a silicon dioxide film formed on a SiC substrate by the oxidation method according to claim 15 or the SiC-MOS type semiconductor device manufacturing method according to claim 16. 請求項17に記載のSiC−MOS型半導体装置を用いたSiC−MOS型集積回路。   A SiC-MOS type integrated circuit using the SiC-MOS type semiconductor device according to claim 17. 請求項15に記載のSiC基板の酸化方法、または、請求項16に記載のSiC−MOS型半導体装置の製造方法によって、SiC基板に二酸化シリコン膜を形成する酸化膜形成部を備えていることを特徴とするSiC−MOS型半導体装置およびSiC−MOS型集積回路の製造装置。   An oxide film forming portion for forming a silicon dioxide film on the SiC substrate is provided by the SiC substrate oxidation method according to claim 15 or the SiC-MOS type semiconductor device manufacturing method according to claim 16. An SiC-MOS type semiconductor device and an SiC-MOS type integrated circuit manufacturing apparatus are characterized.
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