JP2504558B2 - 熱酸化膜の形成方法 - Google Patents

熱酸化膜の形成方法

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JP2504558B2 JP1083387A JP8338789A JP2504558B2 JP 2504558 B2 JP2504558 B2 JP 2504558B2 JP 1083387 A JP1083387 A JP 1083387A JP 8338789 A JP8338789 A JP 8338789A JP 2504558 B2 JP2504558 B2 JP 2504558B2
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Description

【発明の詳細な説明】 [発明の目的] (産業上の利用分野) 本発明は、熱酸化膜の形成方法に関する。
(従来の技術) 近年の半導体技術の向上により、各種の大規模集積回
路(LSI)が広範な分野で用いられるに到っている。し
かし、その一方で汎用化に伴って苛酷な環境下で使用さ
れるケースも増加しつつあり、そのために例えば高温、
高湿、急激な温度変化、放射線等に対する耐環境性の向
上が常に求められている。
ところで、LSIの損傷原因の一つにその構成上多用さ
れているシリコン(Si)熱酸化膜の破壊がある。すなわ
ち、例えば、LSIのゲート絶縁膜やキャパシタ絶縁膜と
して多用されているSi熱酸化膜は、電圧を印加すると次
第に疲労し、遂には破壊に至るいわゆる経時破壊が起こ
るが、この現象は上述の高温等の環境要因で甚しく加速
されるため、LSIを苛酷な環境下で用いた場合の主要な
故障原因のひとつになっているのである。昨今ではLSI
の縮小化が一段と進み、これら熱酸化膜に印加される電
界ストレスあるいは電流ストレスが相対的に一層増大す
る傾向にあることから、熱酸化膜の経時破壊によるLSI
の故障は増加の一途を辿っており、経時破壊耐性の強化
が切望されていた。
従来の薄いSi熱酸化膜の形成方法としては、MOSキャ
パシタを作成する場合を例として説明すると、第4図お
よび第5図に示すようなものがある。第4図は代表的な
MOSキャパシタの構造、第5図はMOSキャパシタのゲート
酸化膜、即ち薄い熱酸化膜(第4図の符号4で示す)を
酸化炉で成長させる際の時間に対する温度およびガスの
シーケンスである。
まずMOSキャパシタの製造工程の概要を説明する。十
分に洗浄した単結晶シリコンウェハ(以下単に「Siウェ
ハ」と呼ぶ)1にLOCOS法などによる選択酸化処理を施
して8000Å程度のフィールド酸化膜2と結晶面が露出し
ているモート領域部3を形成する。モート領域部3の結
晶表面の欠陥層を取り除くために、モート領域部3を含
むSiウェハ1全面を一旦軽く酸化した後、モート領域部
3にできた酸化膜をエッチングで除去し、モート領域部
3の結晶面を露出させる(いわゆる犠牲酸化処理)。次
に薄い熱酸化膜4を後述するシーケンスパターンでモー
ト領域部3に所定の膜厚だけ成長させる。つづいてSiウ
ェハ1全面に減圧CVD法を用いてポリSi膜を数1000Å堆
積し、リン拡散あるいはP+イオン注入等の手段でこれを
導電化させた後、周知の選択エッチング手段を用いて前
記薄い熱酸化膜4上にポリシリコン(Si)ゲート電極5
を第4図に示すように形成する。次にポリSiゲート電極
5及びフイールド酸化膜2上にPSGのごとき層間絶縁膜
6を所定の膜厚、例えば4000Å程度常圧CVD法を用いて
堆積し、後に形成するアルミ配線9とポリSiゲート電極
5を結線するためのコンタクトホール7をフォトリソグ
ラフィ技術で開孔する。コンタクトホール7を形成した
後、基板全面にスパッタリング法を用いてAl等の金属薄
膜を蒸着し、つづいてこれを選択エッチングすることに
より、アルミ配線9とパッド電極8をパターニングす
る。次にSiウェハ1全面に渡ってPSGあるいはPSGとプラ
ズマCVD法で生成したSi3N4(窒化シリコン)膜とを積層
したパッシベーション膜10を堆積するとともに、パッド
電極8上のパッシベーション膜10をエッチングで除去し
て、ウェハプロセスを終了する。
次に、上述したような熱酸化膜4の熱酸化法として一
般的なものに第5図に示すような乾燥酸素(以下dry
O2)法がある。一例として400ÅのSiO2膜を成長する場
合を挙げて説明する。十分な前処理(洗浄)を施した複
数のSiウェハ1を900℃でdry O2雰囲気の酸化炉に導入
し、導入が完了した段階(t1=10分)で炉内温度を1000
℃まで毎分5℃の速度で昇温する(t2=20分)。1000℃
に達したところで、しばらくこの温度で保持し、所望の
厚さまで酸化を進行させる。ここで、400Å成長させる
には約42分を要する(t3=42分)。所望の膜厚に到達す
ると同時にdry O2の導入を停止し酸化炉内に乾燥窒素
(以下dry N2)を導いて酸化膜の付加的な成長を阻止す
るとともに毎分4℃以下の速度で炉内を徐冷し、Siウェ
ハ1を導入した時の温度900℃に安定させる。炉内温度
が900℃になり降温を開始してからt4=45分程度経過し
たところでSiウェハ1を酸化炉から取り出して酸化全工
程を終了する。なお、酸化膜の成長を阻止するために導
入するガスとしては、dry N2の他に例えばHeやアルゴン
などの不活性ガスでもよい。
(発明が解決しようとする課題) しかしながら、上述した乾燥酸素法により形成された
熱酸化膜にあっては、使用環境が比較的良好な条件下で
は経時絶縁破壊耐性(真因性の経時破壊耐性)が充分で
ある反面、苛酷な使用環境下では経時絶縁破壊耐性が必
ずしも充分ではなく、耐環境性の向上が切望されてい
る。
また結晶欠陥やLSIプロセス中の汚染、損傷などに起
因した潜在欠陥が一部の熱酸化膜に確率的に取り込まれ
るのは避けられず、熱酸化膜に潜在欠陥を含有したLSI
を除去するために出荷前にスクリーニングが施される。
この処理で熱酸化膜故障率を効果的に低減するには十分
なスクリーニングマージン(真因性の経時破壊耐性と外
因(欠陥)性の経時破壊耐性の比)の確保が肝要だが、
現行のように動作電圧が固定のままLSIの縮小化が進展
しつつある昨今では熱酸化膜への電界ストレスが急激
し、マージン確保が次第に困難となっている。
本発明は上記に鑑みてなされたもので、その目的とし
ては、苛酷な環境下にあっても高い信頼性を具備する熱
酸化膜の形成方法を提供することにある。
[発明の構成] (課題を解決するための手段) 上記目的を達成するため、本発明は、基板上に熱酸化
膜を成長形成する方法であって、第1の温度下において
酸素導入状態で熱酸化膜を所定の初期厚さに成長させる
工程と、初期厚さに成長させた後、少なくとも酸素を含
む雰囲気で前記第1の温度より高い第2の温度に向けて
昇温させる工程と、前記第2の温度下で酸素およびハロ
ゲン元素またはハロゲン化合物を含む雰囲気で前記熱酸
化膜を第2の所望厚さに成長させる工程とを少なくとも
含むことを要旨している。
(作用) 本発明に係る熱酸化膜の形成方法にあっては、第1の
温度下において酸素導入状態で熱酸化膜を初期厚さに成
長後、少なくとも酸素を含む雰囲気のもとに、前記第1
の温度より高い第2の温度に向けて昇温させ、その第2
の温度下で酸素およびハロゲン元素またはハロゲン化合
物を含む雰囲気で熱酸化膜を所望厚さに成長させるよう
にすることで、熱酸化膜の経時破壊耐性を向上させてい
る。
(実施例) 以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。
第1図は本発明のMOSキャパシタにおけるシリコン(S
i)熱酸化膜の形成に適用した場合の実施例で、時間に
対する温度およびガスのシーケンスを示すものである。
なお、MOSキャパシタの構造としては、前述した第4図
と同じものとする。
選択酸化を行い犠牲酸化処理後再びモート領域部3に
結晶面を露出させたSiウェハ1を十分洗浄(前処理)し
た後、成長開始温度である900℃でdry O2雰囲気に保持
された酸化炉に導入し、導入が完了してからしばらくそ
のまま緩やかに初期厚さ、例えば少なくとも60Å、望ま
しくは160Å(t10=約55分)成長させる。次にdry O2
囲気中に例えば1%〜10%、望ましくは3〜5%のHCl
ガスを混入するとともに炉内温度を毎分5℃の割合で上
げ、成長温度である1000℃まで昇温させた(t=20分)
後、温度を一定に保ち酸化炉に導入後モート領域部3に
成長した熱酸化膜の総膜厚が所望の値になるまで酸化を
進行させる。所望の膜厚になったところで(例えば400
Åの熱酸化膜ならt=14分)、ただちに酸化炉内への酸
素導入及びHClガス導入を停止すると同時に、dry N2
導き酸化を停止させるとともに、速くとも例えば毎分4
℃/分の速度で炉内温度を暫時減少させる。そして、炉
内温度が900℃になったところで温度を一定とし、降温
を開始してからt(45分程度)経過した時にSiウェハ1
を酸化炉外に搬出し、酸化工程を終了する。
次に、上述したごとき工程で形成された熱酸化膜の経
時破壊耐性を従来工程で形成された熱酸化膜の経時破壊
耐性との比較において説明する。なお、比較パラメータ
としては、熱酸化膜に定電流ストレスを印加し、熱酸化
膜が破壊に至るまでに膜中を通過した総電荷量(単位面
積当り)Qを用いて行うが、膜中に電流を注入するとき
の向きとして、ゲート電極からSiウェハ(基板)1に向
って流す正極性とこの逆の極性とがあるが、一般的な傾
向として後者の極性の方が熱酸化膜にとっては厳しいの
で、後者を採用する。
第2図(a)および第2図(b)はそれぞれ従来工程
および本実施例の工程で形成された熱酸化膜4について
の逆極性で定電流ストレスをかけた場合の経時破壊試験
結果を示すものである。試験条件は、使用したSiウェハ
1がP型で面方位(100)の比抵抗8〜12Ωcmの鏡面仕
上げ、酸化膜厚が約400Å、キャパシタ面積が1.26×10
-3cm2、サンプル数が約50点である。また、電流ストレ
ス値については、本実施例が10mA/cm2であるのに対し、
従来例はこの値では1秒以内で壊れてしまうので0.625m
A/cm2とした。
従来方法による熱酸化膜については、サンプルのすべ
てが通過電荷量Q=1[c/cm2]以下の値で経時破壊し
てしまうのに対し、本実施例で作成したサンプルは約2
桁も通過電荷量Qが増大し、通過電荷量Qが最大で50
[c/cm2]に達するほどのものも存在する。また本実施
例によれば、図示していないが通過電荷量Q=1[c/cm
2]以下で絶縁破壊するサンプル数としては、17%であ
り従来例に比べ際立った優越性を見せている。なお、酸
化法については記述はないが、Alゲート,P型基板を用い
て約400Åの熱酸化膜に対して同様の試験を行った結果
が例えば文献Philips Journal of Research,Vol40,N
o3, 1985, P137〜P163(D.R.Wolters and J.J.Van
der Schoot)の第4図、第5図に掲載されている。
しかし、いずれも通過電荷量Q<0.1[c/cm2]であり、
本実施例が極めて有効であることがわかる。
なお、本実施例では、900℃から1000℃へ昇温工程か
ら酸素にHClガスを混入させたが、第3図に示す如く、1
000℃における成長工程においてのみ酸素にHClガスを混
入させてもよく、本実施例と略同様の特性の熱酸化膜が
得られる。
また、本実施例では、1000℃での成長工程終了後、直
ちにdry N2を導入すると共に温度降下を開始している
が、dry N2の導入状態で暫時1000℃を維持してアニール
処理をした後に温度降下させる工程も考えられるが、効
果としては同様である。
さらに、本実施例では、dry O2への添加ガスとしてHC
lを用いたが、これに限定されず、他に例えばCl2やトリ
クロルエチレン等のハロゲン元素やハロゲン化合物の蒸
気でもよい。
[発明の効果] 以上説明したように本発明によれば、第1の温度下に
おいて酸素導入状態で熱酸化膜を初期厚さに成長後、少
なくとも酸素を含む雰囲気のもとに、前記第1の温度よ
り高い第2の温度に向けて昇温させ、その第2の温度下
で酸素およびハロゲン元素またはハロゲン化合物を含む
雰囲気で熱酸化膜を所望厚さに成長させるようにするこ
とで、熱酸化膜の経時破壊耐性を向上させているので、
苛酷な環境下にあっても高い信頼性を具備する熱酸化膜
を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例を示す図、第2図は当該一実
施例の効果を説明するための図、第3図は本発明の他の
実施例を示す図、第4図および第5図は従来例を示す図
である。 1……Siウェハ 2……フィールド酸化膜 3……モート領域部 4……熱酸化膜 5……ポリSiゲート電極 6……層間絶縁膜 7……コンタクトホール 8……パッド電極 9……アルミ配線 10……パッシベーション膜

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】基板上に熱酸化膜を成長形成する方法であ
    って、第1の温度下において酸素導入状態で熱酸化膜を
    所定の初期厚さに成長させる工程と、初期厚さに成長さ
    せた後、少なくとも酸素を含む雰囲気で前記第1の温度
    より高い第2の温度に向けて昇温させる工程と、前記第
    2の温度下で酸素およびハロゲン元素またはハロゲン化
    合物を含む雰囲気で前記熱酸化膜を所望厚さに成長させ
    る工程とを少なくとも含むことを特徴とする熱酸化膜の
    形成方法。
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