JP2006120965A

JP2006120965A - ゲート酸化膜の形成方法

Info

Publication number: JP2006120965A
Application number: JP2004309105A
Authority: JP
Inventors: Takuo Ohashi; 拓夫大橋
Original assignee: Elpida Memory Inc
Current assignee: Micron Memory Japan Ltd
Priority date: 2004-10-25
Filing date: 2004-10-25
Publication date: 2006-05-11

Abstract

【課題】薄膜化されたゲート酸化膜の形成方法において、ラジカル酸化装置を用い、トランジスタの閾値電圧ばらつきを最小とする好適なゲート酸化膜形成方法を提供する。
【解決手段】ラジカル酸化法を用いたゲート酸化膜の形成方法においては、シリコン界面における不純物の偏析を一定にするためＯＨ種密度を均一にし、さらにＯＨ種及び酸素種を含めた総酸化種密度を均一化させることによりトランジスタの閾値電圧ばらつきを最小にする。酸化膜厚の均一性のよい圧力より１〜２ｔｏｒｒ低い圧力範囲において、ＯＨ種密度ばらつきが最小となり、不純物偏析ばらつきを最小とすることでトランジスタの閾値電圧を均一にすることが出来る。
【選択図】図６

Description

本発明は、ゲート酸化膜の形成方法に係り、特にラジカル酸化装置におけるゲート酸化膜の形成方法に関する。

半導体装置の素子寸法は年々微細化され、素子寸法の微細化にともない、ゲート絶縁膜の膜厚も薄膜化されている。ゲート絶縁膜は薄膜化されるとともにその膜厚均一性の要求もますます厳しくなっている。主としてゲート絶縁膜には酸化膜が用いられており、その代表的な形成方法として乾燥酸化法や湿式酸化法が知られている。

乾燥酸化法は乾燥酸素雰囲気中にシリコン基板を晒して加熱し酸化膜を形成する方法であり、湿式酸化法は水蒸気雰囲気中にシリコン基板を晒して加熱し酸化膜を形成する方法である。これらの方法によって形成される膜質は酸化プロセス条件によって左右されるため膜質向上のためいろんな工夫がなされているが、耐圧、膜厚、界面準位等の膜質においてすべての要求を満たす酸化膜は得られていない。

また新しいゲート酸化膜の形成方法として酸素プラズマ中の活性な酸素ラジカルを用いるラジカル酸化法が検討されている。特許文献１のおいてはプラズマイオンの流れる方向を変え、主に酸素ラジカルを基板に到達させることで絶縁耐圧、膜厚の均一性を向上させる技術が開示されている。

さらに非特許文献１には枚葉型加熱方式のラジカル酸化装置におけるラジカル酸化膜厚の均一性について記載されている。この文献によれば図７に示すように酸素種（Ｏ＊）とＯＨ種（ＯＨ＊）のウェハ内分布を調べ、酸素種とＯＨ種のトータル密度が均一になる製造条件を求めることで、酸化膜厚を均一にしている。図７（ａ）に酸素種の基板面における密度分布、図７（ｂ）のＯＨ種の密度分布、図７（ｃ）には酸素種及びＯＨ種により形成されたトータルの酸化膜厚分布を示す。

特開２０００−１２４２１４号公報 Neal Sullivan etc、「Exploring ISSG Process Space」（2001.RTP-Conference）

本願発明者は、ラジカル酸化装置を用いてゲート酸化膜を形成し、酸化膜厚の均一性及びトランジスタの特性均一性の確認実験を行った。トランジスタの閾値電圧はゲート絶縁膜に比例することは知られており、閾値電圧のばらつきを抑えるためにはゲート酸化膜の膜厚均一性は必須条件である。

しかし、ラジカル酸化装置を用いた酸化膜をゲート酸化膜としたトランジスタを試作したところ、トランジスタの閾値電圧ばらつきが最小になるのはゲート酸化膜厚ばらつきの最小となるゲート酸化膜の形成条件と異なることを見出した。すなわちゲート酸化膜厚ばらつきが最小となる酸化条件と、トランジスタの閾値電圧ばらつきが最小となる酸化条件とは異なることを発見した。

本願の目的は、上記した本願発明者の発見に鑑み、トランジスタのゲート酸化膜として閾値電圧ばらつきを最小とするラジカル酸化法によるゲート酸化膜の形成方法を提供することにある。

本願発明のゲート酸化膜の形成方法は、酸素種及びＯＨ種を含む雰囲気で基板を酸化するラジカル酸化法であって、前記基板上における前記ＯＨ種の密度を均一にして前記ゲート酸化膜を形成することを特徴とする。

本願発明のゲート酸化膜の形成方法においては、前記ＯＨ種の密度の均一性としては、±３０％以下の密度ばらつきであることを特徴とする。

本願発明のゲート酸化膜の形成方法においては、前記酸素種及びＯＨ種は酸素及び水素ガスを注入し、ランプまたは抵抗加熱することでラジカル化することで形成することを特徴とする。

本願発明のゲート酸化膜の形成方法においては、前記水素ガスの比率は０．１％〜４０％であることを特徴とする。

本願発明のゲート酸化膜の形成方法においては、前記ＯＨ種の密度を均一にする圧力条件は、前記酸素種及びＯＨ種とのトータル密度を均一にする圧力条件より低い圧力であることを特徴とする。

本願発明のゲート酸化膜の形成方法においては、前記ＯＨ種の密度を均一にする圧力条件は、前記酸素種及びＯＨ種とのトータル密度を均一にする圧力条件より１〜２Ｔｏｒｒ低い圧力であることを特徴とする。

本願発明のゲート酸化膜の形成方法は、酸素種及びＯＨ種を含む雰囲気で基板を酸化するラジカル酸化法であって、酸素及び水素ガスを注入するステップと、前記酸素及び水素を加熱しラジカル化し酸素種及びＯＨ種を生成するステップと、前記酸素種及びＯＨ種により前記基板上に酸化膜を形成するステップとを備え、前記基板上の前記ＯＨ種密度を均一化するように圧力を制御することを特徴とする。

本願発明のゲート酸化膜の形成方法においては、前記圧力は前記酸素種及びＯＨ種とのトータル密度を均一にする圧力条件より１〜２Ｔｏｒｒ低い圧力であることを特徴とする。

本発明のラジカル酸化法を用いたゲート酸化膜の形成方法においては、基板上におけるＯＨ種密度を均一にすることでシリコン界面における不純物偏析を均一にできる効果が得られる。不純物濃度分布を均一とすることでトランジスタの閾値電圧ばらつきを最小にすることが可能となる。

さらに、ＯＨ種及び酸素種を含めた総酸化種密度を均一にすることにより、トランジスタの閾値電圧ばらつきを最小にすることが可能となる。

酸化膜厚の均一性のよい圧力より１〜２ｔｏｒｒ低い圧力範囲とすることで、ＯＨ種密度ばらつきが最小となり、不純物偏析ばらつきを最小とすることができる。これらのゲート酸化膜形成方法により閾値電圧ばらつきが小さいトランジスタが得られる。

以下、本発明のラジカル酸化装置を用いたゲート酸化膜の形成方法について、図を参照して説明する。

本発明の第１の実施例について図を用いて説明する。

最初に本願発明者が行った実験結果を説明する。図１にラジカル酸化装置の模式図を示す。図２はラジカル酸化法における処理容器内の圧力と形成される膜厚ばらつきとの相関関係を示す。図３は膜厚ばらつきと閾値電圧（Ｖｔｈ）ばらつきとの相関関係を示す。

枚葉型のラジカル酸化装置１０は、処理容器１、自転機構を備えたサセプタ２、セセプタ上に保持されたシリコン基板３、ガスの注入口４及び排気口５から構成されている。またシリコン基板３は図示していないランプまたは抵抗により加熱される。ガス注入口４から注入された酸素及び水素は、処理容器１内で過熱されラジカルを形成し酸素種（Ｏ＊）あるいはＯＨ種（ＯＨ＊）となり、基板上に到達し酸化膜を形成する。さらに図示されない排気ポンプにより未反応ガスは排気口５から排気されるとともに処理容器内は一定圧力に保たれる。

ラジカル酸化装置においては、図２に示すように、最適な処理容器内の圧力において最小の膜厚ばらつきを有する。しかし、トランジスタの閾値電圧を測定した結果、図３の示すように最小の膜厚ばらつきを示す条件においてトランジスタの閾値電圧のばらつきが最小になるのではなく、膜厚ばらつきが小さい領域では逆にトランジスタの閾値電圧Ｖｔｈのばらつきが大きくなる結果が得られた。

以下、これらの現象を説明する。図４（ａ）〜（ｆ）にプラズマ酸化装置１０において、処理容器内の圧力におけるシリコン基板位置とその位置における酸化種密度を示す。基板の位置としては基板中央を０とし、半径Ｒである両端をそれぞれーＲ，Ｒと表示する。ここでシリコン基板は自転しているため両端位置は注入口側と、及び排気口側と交互に回転しており酸化種密度はその累計平均値を示す。

図４（ａ）に示すように圧力４ｔｏｒｒと低い場合には、ガスの注入口から注入された酸素及び水素は流入口付近ではラジカル化されず、基板中央部でラジカル化がピークとなり、排気口付近においても残り一部がラジカル化される。基板の流入口側では酸化種は零であり、基板の中央部及び排気口側において酸化種が存在することになる。したがって、自転の中心部である基板中央部の酸素種密度およびＯＨ種密度が大きくなり、形成される酸化膜の膜厚も基板中央部が厚く、シリコン基板の酸化膜厚ばらつきは大きい。

圧力を高くし、図４（ｂ）圧力５ｔｏｒｒの場合には、ガスの注入口から注入された酸素及び水素は流入口付近から基板の注入口側でラジカル化がピークとなる。ラジカル化された酸素種及びＯＨ種の寿命は短いために基板中央部では生成されたラジカルは部分的に消滅する。その結果酸素種密度はやや均一化されるが、短寿命であるＯＨ種は大部分が消滅するため基板中央のＯＨ種密度は減少し、両端及び中心点のＯＨ種密度は小さく、基板のＲ／２の位置のＯＨ種密度は大きくなり、基板面内でちいさな波形の分布となる。

図４（ｃ）圧力６ｔｏｒｒ、図４（ｄ）圧力７ｔｏｒｒと順次圧力を高くした場合には、ガスの注入口４から注入された酸素及び水素がラジカル化される位置はさらにガス注入口側に移り、基板中央部におけるラジカルの消滅する数は多くなる。酸素種は基板中央部での消滅により酸素種密度は均一化され、ＯＨ種密度は基板中央部での消滅するラジカル数が大きいためにＯＨ種密度はさらに減少し、大きな波形分布を示す。しかし、絶対数の大きな酸化種密度が均一であるためこの状態における酸化膜厚のばらつきは最小である。

さらに圧力を高くした図４（ｅ）圧力８ｔｏｒｒ、図３（ｆ）圧力９ｔｏｒｒと順次圧力を高くした場合には、ガスの注入口４から注入された酸素及び水素がラジカル化される位置はさらに注入口側に移り、基板中央部におけるラジカルの消滅する数はますます多くなる。そのため酸化種密度は基板中央部において、酸素種、ＯＨ種とも密度はさらに減少し凹状の分布となり、形成される酸化膜厚のばらつきは大きくなる。

上記した圧力６または７ｔｏｒｒの条件でラジカル酸化を行った場合が酸化膜厚の均一性はもっとも良好であった。しかし、トランジスタの閾値のばらつきは図４（ｂ）５ｔｏｒｒの圧力条件がもっとも良好であった。

ゲート酸化膜厚を均一にしても、トランジスタの閾値のばらつきが最小にならない理由としてシリコン基板と酸化膜における不純物の偏析状態を考察する。図５（ａ），（ｂ）は乾燥酸化法、湿式酸化法及びラジカル酸化における酸素種による酸化膜であり、図５（ｃ）、（ｄ）はラジカル酸化におけるＯＨ種による酸化膜による不純物偏析を示す。

図５（ａ）、（ｂ）は、よく知られているシリコン基板とシリコン酸化膜における不純物の偏析を示す図である。Ｐ型不純物であるボロン（Ｂ）はシリコン酸化膜に偏析することでシリコン界面のボロン濃度は低下する。逆にＮ型不純物である燐（Ｐ）はシリコン基板側に偏析することでシリコン界面の不純物濃度は高くなる。

図５（ｃ）、（ｄ）はラジカル酸化におけるＯＨ種による酸化膜における不純物の偏析を示す図であり、Ｐ型不純物であるボロン（Ｂ）はシリコン酸化膜に偏析しにくいためにシリコン界面のボロン濃度の低下は小さい。またＮ型不純物である燐（Ｐ）もシリコン基板側に偏析しにくいためにシリコン界面の不純物濃度はあまり高くならない。

ＯＨ種から形成された酸化膜においては、界面における不純物の偏析が少ないことから、ＯＨ種により形成された酸化膜厚が薄い場合には不純物偏析が起こり、ＯＨ種により形成された酸化膜厚が厚い場合には不純物の偏析が少なくなる。ＯＨ種により形成される膜厚は基板の位置によりばらつき、さらに界面における不純物濃度がばらつく結果、トランジスタの閾値電圧ばらつきが生じると考えられる。

したがって、酸素種及びＯＨ種によるトータルの総酸化膜厚ばらつきによる閾値電圧ばらつきと、ＯＨ種により形成される酸化膜厚ばらつきによる不純物濃度ばらつきによる閾値電圧ばらつきとの大小関係により閾値電圧ばらつきのもっとも小さくなる条件が得られる。

図４（ｃ）、（ｄ）においては、トータル酸化膜厚ばらつきは最小であるが、ＯＨ種による酸化膜厚ばらつきにより界面不純物濃度がばらつくことで閾値電圧ばらつきが大きくなる。一方図４（ｂ）においては、トータル酸化膜厚ばらつきはやや大きいが、ＯＨ種による酸化膜厚ばらつきが小さく界面不純物濃度ばらつきが最小となることで閾値電圧ばらつきがもっとも良好となる。以上のメカニズムにより図３における酸化膜厚ばらつきと閾値電圧ばらつきの相関関係において、膜厚ばらつきが小さい場合に閾値電圧ばらつきが大きくなることが説明できる。

ここで不純物濃度の偏析量は酸素種とＯＨ種の密度により異なる。しかし、トランジスタの閾値電圧ばらつきを抑えるためには、不純物濃度の偏析量のばらつきを抑えることが重要である。したがって、酸素種とＯＨ種の密度を一定とし、酸素種により形成される酸化膜と、ＯＨ種により形成される酸化膜との比率を一定にすることで基板面内における不純物の偏析ばらつきを抑え、均一化することでトランジスタの閾値電圧ばらつきを小さくすることができる。

上記したことから、ＯＨ種から形成される酸化膜厚を均一の膜厚とし、基板と酸化膜との界面における不純物濃度分布を均一にすることが最重要であることが判る。まず、第一にＯＨ種の密度ばらつき少なくすること。このときＯＨ種密度のばらつきは±３０％以下が好ましく、±２０％以下がより好ましい。さらに総酸化膜厚を一定にするために、酸素種及びＯＨ種の総酸化種密度のばらつきも少なくすることが重要である。

図６には、図１のラジカル酸化装置１０を用いてゲート酸化膜を形成したトランジスタの閾値電圧ばらつきを小さくするための製造条件を示す。水素濃度と処理室内の圧力に対する酸化膜厚の均一性のよい条件（Ａ）及びトランジスタの閾値電圧の均一性のよい条件（Ｂ）を示している。水素濃度は０．１〜４０％とし、残りは酸素を供給している。それぞれの水素濃度に対し酸化膜厚の均一性のよい圧力より１〜２ｔｏｒｒ低い圧力範囲において、ＯＨ種密度ばらつきが最小となり、不純物偏析ばらつきを最小とすることでトランジスタの閾値電圧を均一にすることが出来る。このときの水素濃度は０．１〜４０％が好ましく、１〜３３％程度がより好ましい。

本実施例のラジカル酸化法を用いたゲート酸化膜の形成方法においては、不純物の偏析を均一にするためにＯＨ種密度を均一にすることでトランジスタの閾値電圧ばらつきを最小にできるゲート酸化膜の形成方法が得られる。さらに総酸化種密度を均一化させることによりトランジスタの閾値電圧ばらつきを最適化できるゲート酸化膜の形成方法が得られる。

以上本願発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本願発明は前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。例えば図６においてはメーカＡ社のラジカル酸化装置に対する製造条件を示したが、装置メーカにより、また処理容器の大きさによりその絶対値がことなるものであり、これらは本願要旨を逸脱しない範囲で含まれる。

ラジカル酸化装置の概略図である。ラジカル酸化における圧力と酸化膜厚との相関関係を示す図である。本発明における膜厚ばらつきと閾値電圧ばらつきとの相関関係を示す図である。本発明における基板位置と酸化種密度との相関関係を示す図である。酸化膜及び基板における不純物濃度を示す模式図である。本発明における製造範囲を示す図である。プラズマ装置のおける基板位置と酸化種密度、膜厚との相関関係を示す図である。

符号の説明

１処理容器
２サセプタ
３基板
４ガス注入口
５排気口
１０ラジカル酸化装置

Claims

酸素種及びＯＨ種を含む雰囲気で基板を酸化するラジカル酸化法を用いたゲート酸化膜の形成方法であって、前記基板上における前記ＯＨ種の密度を均一にして前記ゲート酸化膜を形成することを特徴とするゲート酸化膜の形成方法。
請求項１記載のゲート酸化膜の形成方法において、前記ＯＨ種の密度の均一性としては、±３０％以下の密度ばらつきであることを特徴とするゲート酸化膜の形成方法。
請求項１記載のゲート酸化膜の形成方法において、前記酸素種及びＯＨ種は酸素及び水素ガスを注入し、ランプまたは抵抗加熱することでラジカル化することで形成することを特徴とするゲート酸化膜の形成方法。
請求項３記載のゲート酸化膜の形成方法において、前記水素ガスの比率は０．１％〜４０％であることを特徴とするゲート酸化膜の形成方法。
請求項１記載のゲート酸化膜の形成方法において、前記ＯＨ種の密度を均一にする圧力条件は、前記酸素種及びＯＨ種とのトータル密度を均一にする圧力条件より低い圧力であることを特徴とするゲート酸化膜の形成方法。
請求項５記載のゲート酸化膜の形成方法において、前記ＯＨ種の密度を均一にする圧力条件は、前記酸素種及びＯＨ種とのトータル密度を均一にする圧力条件より１〜２Ｔｏｒｒ低い圧力であることを特徴とするゲート酸化膜の形成方法。
酸素種及びＯＨ種を含む雰囲気で基板を酸化するラジカル酸化法を用いたゲート酸化膜の形成方法であって、酸素及び水素ガスを注入するステップと、前記酸素及び水素を加熱しラジカル化し酸素種及びＯＨ種を生成するステップと、前記酸素種及びＯＨ種により前記基板上に酸化膜を形成するステップとを備え、前記基板上の前記ＯＨ種密度を均一化するように圧力を制御することを特徴とするゲート酸化膜の形成方法。
請求項７記載のゲート酸化膜の形成方法において、前記圧力は前記酸素種及びＯＨ種とのトータル密度を均一にする圧力条件より１〜２Ｔｏｒｒ低い圧力であることを特徴とするゲート酸化膜の形成方法。