JP2010118516A - 薄膜形成方法、及び薄膜形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 低温で形成されたＳｉＯ_２膜は高温で形成されたＳｉＯ_２膜より特性が僅かに劣るため、そのままでは使う事が出来なかった。又、高温で形成されたＳｉＯ_２膜と同等の特性を得るためには、後工程で少なくとも５００℃以上でのアニールを行う必要があった。ところが、プロセス低温化の要求から、基板温度を５００℃以下に維持したまま、高品質なＳｉＯ_２膜を形成する技術の開発が必要とされていた。
【解決手段】
活性な酸素原子を用いて５００℃以下の低温でＳｉＯ_２膜を成膜後、紫外光をシリコン基板のシリコン酸化膜側表面に１回または複数回照射する事で、Ｓｉ基板を高温にする事なくＳｉＯ_２膜の特性を改善させる事が可能となった。前記紫外光とは、２００ｎｍ以上３７０ｎｍ以下の波長のみが含まれ、１回の照射時間が０．１マイクロ秒以下であり、照射１回当たりのエネルギー密度が０．０１Ｊ／ｃｍ^２以上であるという条件を満たす紫外光である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体装置の製造における、極薄シリコン酸化膜の形成方法、及び極薄シリコン酸化膜形成装置に関するものである。

近年、ＬＳＩのデザインルールの微細化にともない、ゲート絶縁膜の酸化膜換算膜厚（ＥＯＴ）の薄膜化が進み、ＩＴＲＳのロードマップでは、２００８年に１ｎｍ以下のＥＯＴの達成が必要であるとされている。しかし、半導体素子のゲート絶縁膜材料として従来用いられてきたＳｉＯ_２又はＳｉＯＮ膜を上記膜厚程度まで薄膜化すると、膜の絶縁性が急激に低下し、リーク電流が極めて大きくなる。これは、絶縁膜厚が数分子層と薄くなったため、直接トンネル電流が急激に増加した為である。一方、近年急速に普及した携帯電子機器では、バッテリー駆動時間を長くするため、素子の消費電力を可能な限り小さくする事が求められている。そこで、従来用いられてきたＳｉＯ_２又はＳｉＯＮ膜に代わり、金属酸化物などの高誘電率絶縁膜（所謂Ｈｉｇｈ−ｋ膜）の導入が検討されている。しかし、上記Ｈｉｇｈ−ｋ膜も、研究から量産への移行がなかなか進んでいない。その原因の一つに、長期信頼性の問題がある。即ち、ＨｆＳｉＯＮ系のＨｉｇｈ−ｋ膜は、膜中に多数の酸素欠損に起因する欠陥を含み、それが原因となり、長期間使用時に、徐々に特性がずれてしまうのである。このような観点から、ＳｉＯ_２膜或いはＳｉＯＮ膜の延命に関する検討も依然行われているのである。

ところで、今後の半導体製造プロセスの方向性の一つに、プロセスの低温化が挙げられる。これは、以下に示す様々な観点から要求されている。まず、デザインルールの縮小に伴い拡散接合深さを浅くする必要があり、ドーパント拡散を抑制するために熱工程を低温化する必要がある。また、高温プロセスでは、基板洗浄後に表面に残留した不純物が、熱処理を施す事で膜や基板中に深く拡散するが、プロセスを低温化することで、上記汚染物質の拡散を抑制する事が出来る。また、拡散抑制の為には、サーマルバジェットを減らす目的で、ＲＴＰ（ラピッドサーマルプロセッシング）やＦＬＡ（フラッシュランプアニール）などの急速加熱／冷却プロセスが広く用いられている。しかし、これらの方法では、基板面内での温度が不均一になる事で応力が発生し、結晶欠陥が発生するという問題をはらんでいる。

以上のような要求から、ＭＯＳＦＥＴ作成工程の主要な熱工程である、ドーパントの活性化工程及びＳｉ基板の酸化によるＳｉＯ_２成膜工程において、低温化の検討が進められている。そして、低温での活性化や高品質ＳｉＯ_２膜の形成が可能になると、微細化のみならず、ガラス基板やメタル配線上へのＴＦＴ形成が可能になり、革新的構造のＬＳＩの製造に大きく寄与するなど、その応用範囲は極めて広いものである。

上記理由により、低温で高品質なＳｉＯ_２膜の作成プロセスの開発が強く望まれている。その上限温度は、ガラス基板の場合で５００℃、アルミ配線の場合は４５０℃である。しかし、従来用いられてきた熱酸化法で上記温度まで成膜温度を下げると、著しく成膜速度が低下し、且つ膜質も劣化するため、使用に耐えないものであった。そこで、低温においても高速で且つ高品位な酸化膜を形成する方法として、プラズマ酸化法、ラジカル酸化法、オゾン酸化法など、様々な方法が検討されている。しかし、上記様々な方法を用いて５００℃以下の低温で作成したＳｉＯ_２膜は、そのままでは高温で作成したＳｉＯ_２膜の特性に及ばなかった。

そのため、特許文献１に記載されている如く、低温で作成したＳｉＯ_２膜にＲＴＰ処理を施す事で、特性の向上を図り、且つサーマルバジェットを極力低減させようという試みがなされて来た。図６に、従来例であるところの、低温ラジカル酸化とＲＴＰによるアニールを連続して行う成膜工程を模式的に示す。図において、１０１．はＳｉＯ_２膜、１０２．は界面ストレス層、１０３．はＳｉ基板、１０４．は酸素ラジカル、１０５．は可視光である。先ず、第一の工程として、洗浄により自然酸化膜と汚染を除去したＳｉ基板を準備し、真空容器内で酸素ラジカルを照射してＳｉＯ_２膜を形成する。次に、第二の工程として、Ｓｉ基板上面からハロゲンランプ光を照射し、膜の改質を行う。この時、ハロゲンランプ光は、可視光であるため、Ｓｉ基板中の数十μｍの深さにまで到達する。そして、典型的な光照射時間である数秒〜数十秒の間に、Ｓｉ基板の厚さ方向で十分な熱拡散が起るため、Ｓｉ基板全体が加熱されるのである。

従来例において、アニール温度は２００〜６００℃が必要であると開示されているが、本発明者の行った実験では、基板温度を４５０℃としても、膜質の改善効果は見られなかった。そこで、膜質を改善するためのアニール温度は、最低でも５００℃以上が必要であろうと推定された。また、水素ガスを添加した雰囲気でのアニールを行うと、アニール温度が３００℃程度でも初期特性は改善するが、加速試験を行うと、水素が脱離して特性が徐々にシフトする等の問題点が発生していた。
特開２０００−２８６２５９号公報

以上の様に、低温で形成されたＳｉＯ_２膜は、高温で形成されたＳｉＯ_２膜より特性が僅かに劣るため、そのままでは使う事が出来なかった。また、高温で形成されたＳｉＯ_２膜と同等の特性を得るためには、後工程で少なくとも５００℃でのアニールを行う必要があった。ところが、プロセス低温化の要求から、基板温度を５００℃以下に維持したまま、高品質なＳｉＯ_２膜を形成する技術の開発が求められていた。

本発明者らは、従来の低温でのＳｉＯ_２形成方法における上述した問題点を解決し、上記課題を達成すべく鋭意努力した。その結果、活性な酸素原子を用いて５００℃以下の低温でＳｉＯ_２膜を成膜後、パルス状の紫外光をシリコン基板のシリコン酸化膜側表面に１回または複数回照射する事で、Ｓｉ基板を高温にする事なくＳｉＯ_２膜の特性を改善させる事が可能であるという知見を得た。前記紫外光とは、２００ｎｍ以上３７０ｎｍ以下の波長のみが含まれ、１回の照射時間が０．１マイクロ秒以下であり、照射１回当たりのエネルギー密度が０．０１Ｊ／ｃｍ^２以上であるという条件を満たす紫外光である。

本発明のプラズマ処理方法を、図１を用いて説明する。図において、１０１．はＳｉＯ_２膜、１０２．は界面ストレス層、１０３．はＳｉ基板、１０４．は酸素ラジカル、１０６．は紫外光である。

先ず、第一の工程として、洗浄により自然酸化膜と汚染を除去したＳｉ基板を準備し、５００℃以下に制御された基板支持台上に設置し、真空容器内で酸素プラズマを発生させて酸素ラジカルを基板に照射し、ＳｉＯ_２膜を形成する。次に、第二の工程として、Ｓｉ基板上面から２００ｎｍ以上３７０ｎｍ以下の波長のみが含まれ、１回の照射時間が０．１マイクロ秒以下であり、照射１回当たりのエネルギー密度が０．０１Ｊ／ｃｍ^２以上である紫外光を１回または複数回照射し、膜の改質を行う。この時、前記紫外光は、Ｓｉ基板での吸収率が高いため、Ｓｉ基板中の５ｎｍ程度の深さで止まり、Ｓｉ基板とＳｉＯ_２膜の界面近傍のみを選択的に加熱することが可能となる。その結果、Ｓｉ基板全体の温度を低く保ったまま、Ｓｉ基板とＳｉＯ_２膜の界面特性のみを改善することが可能となるのである。

本発明者がＴＥＭを用いてＳｉＯ_２／Ｓｉ界面を調査した結果、低温プラズマ酸化ＳｉＯ_２では、基板のＳｉの規則性がＳｉＯ_２膜中まで及んでいる事を見出した。これは、低温で処理したため、ＳｉＯ_２／Ｓｉ界面に、応力が緩和されていない層が存在する事を示唆している。その層の厚さは、Ｓｉ基板直上の２〜３原子層である。そして、高温熱酸化したＳｉＯ_２膜では、この界面層が存在せず、ほぼ１原子層で急峻に非晶質ＳｉＯ_２層へと変化していた。つまり低温酸化では、ＳｉＯ_２／Ｓｉ界面で基板の周期性が残ったまま、即ち、応力を含んだままの層が残留し、高温にする事で、その応力が緩和して、特性の良い膜となると考えられる。この界面層の応力を緩和させるためには、ＳｉＯ_２／Ｓｉ界面のみを選択的に加熱励起するだけで良く、Ｓｉ基板全体を加熱する必要はない。そして、界面のみを選択的に加熱するには、ＳｉＯ_２は透過し、Ｓｉ基板で高い吸収率を有する紫外光のみを照射すれば良い。

図２に、Ｓｉ中への光の侵入深さ（強度が１／ｅとなる深さ）の、波長依存性を示す。間接励起バンドギャップである１０００ｎｍ以下の波長で吸収が起るが、間接励起のため吸収率は低く、そのため光はＳｉ基板中の数十μｍ程度の深さまで侵入する。一方、直接励起バンドギャップ（約４００ｎｍ）より短波長では、吸収率が急激に上昇し、３７０ｎｍ以下の波長では光の侵入深さは１０ｎｍ程度と非常に浅くなる。更に、３００ｎｍ以下の波長の紫外線では、侵入深さは５ｎｍ程度と、更に浅くなる。そのため、上記波長より短波長の紫外線のみを照射すると、紫外線照射表面の浅い部分が選択的に加熱されるのである。但し、波長が２００ｎｍ以下の紫外線は、ＳｉＯ_２膜に吸収されるため、Ｓｉ基板への到達量が減少してしまう。また、上記波長の紫外線は、ＳｉＯ_２膜中に結合欠陥等のダメージを与えるため、好ましくない。更に、大気中の酸素により吸収されるため、光源を真空中に設置する必要があるなど、取扱が複雑化する。以上より、Ｓｉ基板表面のみを選択的に加熱するのに好適な紫外線波長は、２００ｎｍ以上、３７０ｎｍ以下であり、更に好ましくは、２００ｎｍ以上、３００ｎｍ以下である。上記波長の紫外光はＳｉ基板表面から５ｎｍ以内の領域で強く吸収されるため、ＳｉＯ_２／Ｓｉ界面近傍のみを選択的に加熱し、Ｓｉ基板内部は加熱されない。そのため、基板温度は低く保ちながら、効果的にＳｉＯ_２／Ｓｉ界面の応力層の緩和を行う事が可能となるのである。

次に、上記波長の光を照射するために必要な光源について説明する。図３に、従来技術であるところの、光による急速加熱装置で用いられてきたハロゲンランプ及びキセノンランプの発光スペクトルを示す。ハロゲンランプは可視光領域にブロードなスペクトルを持ち、Ｓｉウエハに対する吸収率が最も高いとされる６００ｎｍ付近で強い発光強度を持つ。また、ＦＬＡで用いられるキセノンランプは、紫外領域でも発光しているため、光吸収領域はハロゲンランプに比べて多少表面近くとなるが、依然４００ｎｍ以上の波長の光も存在するため、基板内部まで加熱されてしまう。以上のように、従来技術のランプ光源では、Ｓｉ基板とＳｉＯ_２との界面近傍のみを選択的に加熱することは出来なかった。本発明に好適な波長の紫外線を照射するための光源として、ＫｒＦエキシマレーザーが挙げられる。ＫｒＦエキシマレーザーの波長は２４８ｎｍであり、Ｓｉ基板への侵入深さが最も浅くなる波長に該当する。更に、パルス幅が数十ナノ秒で１パルスあたりのエネルギー密度は０．０１Ｊ／ｃｍ^２と、非常に高パワーの光源が市販されている。この光源を使った場合、吸収率が４０％、そのうち９５％が深さ１５ｎｍの領域で吸収されて熱に変換されたとすると、１パルス照射で表面温度は約５００℃上昇すると推定される。また、数十ミリ秒の間に厚さ７５０μｍの基板内で均熱化すると、その温度上昇は無視できるレベルである。エキシマレーザーでは、ＫｒＦの他に、ＸｅＣｌ（３０８ｎｍ）、ＸｅＦ（３５１ｎｍ）を用いても、同様の効果を得る事が出来る。本発明に必要な波長の紫外線を照射するための別の光源として、窒素レーザー、色素レーザー、Ｎｄ：ＹＡＧなどのうち、前記条件を満たすレーザー光源が挙げられる。また、本発明に必要な波長の紫外線を照射するための、更に別の光源として、キセノンフラッシュランプとバンドパスフィルターの組合せが挙げられる。これ以外にも、パルス状の紫外光を発する光源とバンドパスフィルターを組み合わせれば、本発明に必要な光源を得る事が出来る。但し、Ｓｉ基板の熱拡散が急速に起るため、高強度の光を短時間照射する事が必要となる点に注意を要する。Ｓｉ基板の熱拡散率は８８ｍｍ^２／秒と大きいため、裏面温度が表面の１／２となる時間は約１０ミリ秒と、非常に短い。そのため、熱拡散が起る前に表面温度を十分上昇させるためには、エネルギー密度が０．０１Ｊ／ｃｍ^２以上の紫外線を、０．１マイクロ秒以内の短時間で照射する必要がある。紫外線のエネルギー密度を調節するためには、光源に投入する電力を調節する方法、絞りを用いる方法、またはレンズを用いて照射面積を変化させる方法が考えられ、何れの方法を用いても構わない。また、１回の紫外線照射で応力緩和が不十分な場合、十分な緩和が起るまで複数回照射しても構わない。

本発明を実現するための装置形態の一例を図４に示す。図は、酸化室と、紫外線照射室を、大気に触れる事なく移送する手段で連結した装置である。図において、２０１．は真空容器、２０２．は基板支持台、２０３．は酸素プラズマ、２０４．はＳｉ基板、２０５．はゲートバルブ、２０６．はトランスファーチャンバー、２０７．は搬送ロボット、２０８．は石英窓、２０９．は紫外光である。基板支持台は、５００℃までの温度制御が可能な構造となっている。先ず、酸化室内に、洗浄により汚染と自然酸化膜を除去したＳｉ基板を導入し、温度制御された基板支持台上に設置する。そして、酸素プラズマを生成し、発生した酸素原子によってＳｉ基板の酸化を行う。ここで、酸化を行う手段としては、プラズマを用いる方法以外に、ラジカルガンを用いた酸素ラジカル照射酸化、ＵＶオゾン酸化などの方法を用いても良い。次に、酸化膜が形成されたＳｉ基板を、搬送ロボットを用い、大気に触れないようトランスファーチャンバーを介して紫外線照射室に移送する。そして、石英窓を介して、ＫｒＦエキシマレーザーを基板に照射する。その後、トランスファーチャンバーを介して装置外に取り出し、次工程へと進める。ＫｒＦエキシマレーザーの代わりに、キセノンフラッシュランプとバンドパスフィルターを用いても、同様の効果を得る事が可能である。この場合、２００〜３７０ｎｍの波長の光の全てまたは一部を透過するフィルタを設置すれば、本発明に必要な波長の紫外光のみを基板に照射する事が可能となる。フィルタは、石英窓とは別に設けても良いし、石英窓に密着させるか、直接蒸着する等の手段で形成しても構わない。

酸化工程と紫外線照射工程との間に大気暴露した場合、次のような問題が発生するため、好ましくない。その問題とは、大気暴露により基板表面に付着した有機物の、ＳｉＯ_２中への混入である。本発明で用いられる波長の紫外線は、ＳｉＯ_２膜は透過するが、有機物は分解され、ＣやＯＨ等を生じ、それらがＳｉＯ_２膜中に拡散して膜質を劣化させる。そのため、酸化工程と紫外線照射工程とは、真空一貫或いは窒素や希ガス等の不活性ガスによりパージされた空間を介して移送される必要がある。

本発明を実現するための、別の装置形態を図５に示す。図は、酸化と紫外線照射を一つの処理室内で行う装置であり、酸素プラズマの代わりに、ラジカルガンを用いる装置形態を示している。ラジカルガンを用いて処理室側面から酸素ラジカルを供給すると、処理室上面に石英窓及び光源が設置可能となるため、一つの処理室で二つの工程を連続して実施する事が可能となる。

本発明の酸化方法を用いて作成したＳｉＯ_２膜の断面ＴＥＭ観察を行うと、紫外線照射を行う事で、界面層が消失し、急峻なＳｉＯ_２／Ｓｉ界面が観察される。そして、Ｓｉ基板温度を５００℃以下に維持して成膜したＳｉＯ_２膜においても、高温で酸化したＳｉＯ_２膜と同等の電気特性を得る事が出来る。更に、基板温度を低温に維持したまま高品質なＳｉＯ_２膜を成膜する事が出来るため、基板中のドーパントの不必要な拡散を抑制する事が出来、浅い接合の実現が可能となる。また、基板表面に付着した不純物汚染の、基板内部への拡散も抑制する事が出来、トランジスタ特性の安定化を図る事が出来る。そして、低温で高品質なＳｉＯ_２膜が作成可能となる事で、ＳＯＩ基板上のＭＯＳＦＥＴやガラス基板上のＴＦＴの性能を向上させる事が可能となるのである。

次に、本発明の詳細を実施例の記述に従って説明する。

以下実施例を挙げて本発明の成膜方法をより具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

本発明の第１の実施例として、紫外光源としてＫｒＦエキシマレーザーを用い、膜厚２ｎｍのＳｉＯ_２膜を成膜した例を示す。本実施例では、図４に示した処理装置を使用した。

まず、第一の工程として、Ｓｉ基板を洗浄して自然酸化膜と汚染を除去した後、搬送ロボットにより、ゲートバルブを介して酸化室に導入し、温度を３００℃に制御した基板支持台上に設置した。次に、処理室内に１ｓｌｍのＯ_２ガスを導入し、圧力を１Ｔｏｒｒに設定した。次に、不図示の表面波干渉プラズマ源を用い、１．５ｋＷのマイクロ波電力を印加して酸素プラズマを生成した。３０秒間放電を行い、膜厚２ｎｍのＳｉＯ_２膜を形成した。次に、Ｏ_２ガスを停止して０．１Ｐａの圧力まで排気した後、ゲートバルブを開け、搬送ロボットによりゲートバルブを介して紫外線照射室へと基板を移動させ、水冷された基板支持台上に設置した。ゲートバルブを閉じた後、処理室内を１Ｐａ以下の圧力に排気したまま、基板にＫｒＦエキシマレーザーを１０パルス照射した。レーザーの照射領域は１０×１０ｍｍとし、基板支持台を移動させる事で、基板全面に紫外光を照射した。処理終了後に、基板を大気中に取り出し、引き続きゲート電極を形成してＭＯＳキャパシタを作成した。また、同時に、ＲＴＰ装置を用いた熱酸化によりＳｉＯ_２膜を形成したサンプルも作成した。ＭＯＳキャパシタのＴＤＤＢ特性を比較したところ、熱酸化でＳｉＯ_２膜を形成したサンプルと、本発明の方法でＳｉＯ_２膜を形成したサンプルでは、ＴＤＤＢ寿命はほぼ同じであった。

本発明の第２の実施例として、紫外光源としてキセノンフラッシュランプを用い、膜厚２ｎｍのＳｉＯ_２膜を成膜した例を示す。本実施例では、図４に示した処理装置を使用した。

まず、第一の工程として、Ｓｉ基板を洗浄して自然酸化膜と汚染を除去した後、搬送ロボットにより、ゲートバルブを介して酸化室に導入し、温度を３００℃に制御した基板支持台上に設置した。次に、処理室内に１ｓｌｍのＯ_２ガスを導入し、圧力を１Ｔｏｒｒに設定した。次に、不図示の表面波干渉プラズマ源を用い、１．５ｋＷのマイクロ波電力を印加して酸素プラズマを生成した。３０秒間放電を行い、膜厚２ｎｍのＳｉＯ_２膜を形成した。次に、Ｏ_２ガスを停止して０．１Ｐａの圧力まで排気した後、ゲートバルブを開け、搬送ロボットによりゲートバルブを介して紫外線照射室へと基板を移動させ水冷された基板支持台上に設置した。ゲートバルブを閉じた後、処理室内を１Ｐａ以下の圧力に排気したまま、基板にキセノンフラッシュランプ光を１マイクロ秒のパルス幅で１０パルス照射した。本実施例で用いたキセノンフラッシュランプの照射時間はやや長いため、熱拡散により温度上昇が抑制され、実施例１と比較して効果は小さいと推定される。処理終了後に、基板を大気中に取り出し、引き続きゲート電極を形成してＭＯＳキャパシタを作成した。また、同時に、ＲＴＰ装置を用いた熱酸化によりＳｉＯ_２膜を形成したサンプルも作成した。ＭＯＳキャパシタのＴＤＤＢ特性を比較したところ、キセノンフラッシュランプを用いてＳｉＯ_２膜を形成したサンプルでは、僅かに特性の改善は見られたが、熱酸化でＳｉＯ_２膜を形成したサンプルの特性には及ばなかった。

本発明の第３の実施例として、紫外光源としてＫｒＦエキシマレーザーを用い、膜厚２ｎｍのＳｉＯ_２膜をＳＯＩ基板上に成膜した例を示す。本実施例では、図４に示した処理装置を使用した。

まず、第一の工程として、ＳＯＩ基板を洗浄して自然酸化膜と汚染を除去した後、搬送ロボットにより、ゲートバルブを介して酸化室に導入し、温度を３００℃に制御した基板支持台上に設置した。次に、処理室内に１ｓｌｍのＯ_２ガスを導入し、圧力を１Ｔｏｒｒに設定した。次に、不図示の表面波干渉プラズマ源を用い、１．５ｋＷのマイクロ波電力を印加して酸素プラズマを生成した。３０秒間放電を行い、膜厚２ｎｍのＳｉＯ_２膜を形成した。次に、Ｏ_２ガスを停止して０．１Ｐａの圧力まで排気した後、ゲートバルブを開け、搬送ロボットによりゲートバルブを介して紫外線照射室へと基板を移動させ、水冷された基板支持台上に設置した。ゲートバルブを閉じた後、処理室内を１Ｐａ以下の圧力に排気したまま、基板にＫｒＦエキシマレーザーを５パルス照射した。レーザーの照射領域は１０×１０ｍｍとし、基板支持台を移動させる事で、基板全面に紫外光を照射した。処理終了後に、基板を大気中に取り出し、引き続きゲート電極を形成してＭＯＳキャパシタを作成した。また、同時に、ＲＴＰ装置を用いた熱酸化によりＳｉＯ_２膜を形成したサンプルも作成した。ＭＯＳキャパシタのＴＤＤＢ特性を比較したところ、熱酸化でＳｉＯ_２膜を形成したサンプルと、本発明の方法でＳｉＯ_２膜を形成したサンプルでは、ＴＤＤＢ寿命はほぼ同じであった。

本発明の第４の実施例として、紫外光源としてＫｒＦエキシマレーザーを用い、膜厚２ｎｍのＳｉＯ_２膜を多結晶Ｓｉ薄膜上に成膜した例を示す。本実施例では、図４に示した処理装置を使用した。

まず、第一の工程として、Ｓｉ基板上に膜厚１００ｎｍのＳｉＯ_２膜及び膜厚８０ｎｍの多結晶Ｓｉ膜を成膜した基板を準備した。前記基板を洗浄して自然酸化膜と汚染を除去した後、搬送ロボットにより、ゲートバルブを介して酸化室に導入し、温度を３００℃に制御した基板支持台上に設置した。次に、処理室内に１ｓｌｍのＯ_２ガスを導入し、圧力を１Ｔｏｒｒに設定した。次に、不図示の表面波干渉プラズマ源を用い、１．５ｋＷのマイクロ波電力を印加して酸素プラズマを生成した。３０秒間放電を行い、膜厚２ｎｍのＳｉＯ_２膜を形成した。次に、Ｏ_２ガスを停止して０．１Ｐａの圧力まで排気した後、ゲートバルブを開け、搬送ロボットによりゲートバルブを介して紫外線照射室へと基板を移動させ、水冷された基板支持台上に設置した。ゲートバルブを閉じた後、処理室内を大気圧で窒素パージし、基板にＫｒＦエキシマレーザーを３パルス照射した。レーザーの照射領域は１０×１０ｍｍとし、基板支持台を移動させる事で、基板全面に紫外光を照射した。処理終了後に、基板を大気中に取り出し、引き続きゲート電極を形成してＭＯＳキャパシタを作成した。また、同時に、ＲＴＰ装置を用いた熱酸化によりＳｉＯ_２膜を形成したサンプルも作成した。ＭＯＳキャパシタのＴＤＤＢ特性を比較したところ、熱酸化でＳｉＯ_２膜を形成したサンプルと、本発明の方法でＳｉＯ_２膜を形成したサンプルでは、ＴＤＤＢ寿命はほぼ同じであった。

本発明の第５の実施例として、紫外光源としてＫｒＦエキシマレーザーを用い、膜厚２ｎｍのＳｉＯ_２膜を成膜した例を示す。本実施例では、図５に示した処理装置を使用した。

まず、第一の工程として、Ｓｉ基板を洗浄して自然酸化膜と汚染を除去した後、搬送ロボットにより、ゲートバルブを介して酸化室に導入し、温度を３００℃に制御した基板支持台上に設置した。次に、処理室内を０．１Ｐａの圧力まで排気した後、ラジカルガン２１０を用いて酸素ラジカルを９０秒間照射し、膜厚２ｎｍのＳｉＯ_２膜を形成した。次に、酸素ラジカル照射を停止して０．１Ｐａの圧力まで排気した後、基板支持台の温度を３００℃に維持したまま、基板にＫｒＦエキシマレーザーを５パルス照射した。処理終了後に、基板を大気中に取り出し、引き続きゲート電極を形成してＭＯＳキャパシタを作成した。また、同時に、ＲＴＰ装置を用いた熱酸化によりＳｉＯ_２膜を形成したサンプルも作成した。ＭＯＳキャパシタのＴＤＤＢ特性を比較したところ、熱酸化でＳｉＯ_２膜を形成したサンプルと、本発明の方法でＳｉＯ_２膜を形成したサンプルでは、ＴＤＤＢ寿命はほぼ同じであった。

本発明の薄膜形成方法を、工程を追って模式的に示した図である。 Ｓｉ基板に入射する光の波長と、光が吸収されて１／ｅに減衰する深さの関係を示す図である。 従来例であるハロゲンランプ、キセノンランプ、及び本発明に好適なＫｒＦエキシマレーザーの発光スペクトルを示した図である。 本発明であるところの、酸化室と紫外線照射室を、被処理基体を大気に触れる事なく移送させる手段で連結した薄膜形成装置を模式的に示した図である。 本発明であるところの、酸化と紫外線照射を同一処理容器内で行う薄膜形成装置を模式的に示した図である。 従来例の薄膜形成方法を、工程を追って模式的に示した図である。

符号の説明

１０１ ＳｉＯ_２膜
１０２ 界面ストレス層
１０３ Ｓｉ基板
１０４ 酸素ラジカル
１０５ 可視光
１０６ 紫外光
２０１ 真空容器
２０２ 基板支持台
２０３ 酸素プラズマ
２０４ Ｓｉ基板
２０５ ゲートバルブ
２０６ トランスファーチャンバー
２０７ 搬送ロボット
２０８ 石英窓
２０９ 紫外光
２１０ ラジカルガン

Claims (5)

1. 活性な酸素原子を用いてシリコン基板を酸化してシリコン酸化膜を形成する工程と、
   ２００ｎｍ以上３７０ｎｍ以下の波長のみが含まれ、１回の照射時間が０．１マイクロ秒以下であり、照射１回当たりのエネルギー密度が０．０１Ｊ／ｃｍ^２以上である紫外光を、該シリコン基板の該シリコン酸化膜側表面に１回または複数回入射させる工程を備えることを特徴とする薄膜形成方法。
2. 前記活性な酸素原子の製法が、酸素ガスを含むプラズマ、或いはオゾンに紫外線を照射する製法であることを特徴とする請求項１に記載の薄膜形成方法。
3. 前記シリコン基板を酸化する温度が、５００℃以下である事を特徴とする、請求項１に記載の薄膜形成方法。
4. 酸素原子の生成手段及び温度制御可能な被処理基体支持台を有する第一の容器と、２００ｎｍ以上３７０ｎｍ以下の波長のみが含まれ、１回の照射時間が０．１マイクロ秒以下であり、照射１回当たりのエネルギー密度が０．０１Ｊ／ｃｍ^２以上である紫外光を被処理基体に照射する手段を有する第二の容器を有し、該第一の容器と該第二の容器を、被処理基体を大気に触れる事なく移送させる手段により連結した事を特徴とする薄膜形成装置。
5. 酸素原子の生成手段と、温度制御可能な被処理基体支持台と、２００ｎｍ以上３７０ｎｍ以下の波長のみが含まれ、１回の照射時間が０．１マイクロ秒以下であり、照射１回当たりのエネルギー密度が０．０１Ｊ／ｃｍ^２以上である紫外光を照射する手段を同一容器に有する事を特徴とする薄膜形成装置。

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