JP2545777B2 - 絶縁物層の界面改質方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は半導体層と絶縁物層の界面の改質方法に関す
るものである。

〔発明の概要〕

この発明は、半導体層と絶縁物層の界面に反応層を形
成する方法において、 当該界面部分を局所的に加熱するエネルギービームを
照射することによって、 低温で短時間に均質な反応層を形成するものである。

〔従来の技術〕

一般に、集積回路の製造技術においては、例えば酸化
シリコン膜や窒化シリコン膜等の絶縁物層の形成が不可
欠を技術になっている。

この例えば酸化シリコン膜等の絶縁物層の形成は、熱
酸化法やCVD法等により行われ、上記熱酸化法では、例
えば半導体層を800℃以上の温度に加熱し絶縁膜を形成
することができ、上記CVD法のうち例えばプラズマCVD法
やサーマルCVD法等では、酸化シリコン膜を低温で堆積
し形成することができ、これらの種々の方法により形成
された酸化シリコン膜等の絶縁膜はたとえばゲート絶縁
膜や各素子の分離などに用いられている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

最近の半導体装置の製造プロセスでは、熱的な歪を防
止するような低温の製造プロセスが求められている。例
えば、熱酸化法によってガラスのような低融点の基板上
に酸化シリコン膜を形成しようとしても、上記ガラスの
耐熱性の問題から約800℃以上の高温で熱処理すること
ができないため十分な熱酸化を行うことはできない。ま
た、上記熱酸化法による場合では、絶縁膜の界面部分に
凹凸が生じ易いという欠点もある。

従って、半導体装置に不可欠な絶縁膜の形成工程で
は、熱処理の不必要な基板の部分に、余分な熱を加える
こともなく、熱的な歪を抑え、界面部分に凹凸も少なく
低温で絶縁膜を形成するようなプラズマCVD法、サーマ
ルCVD法等による被着形成が行われている。

しかしながら、これらのCVD法による絶縁膜の被着形
成は、熱酸化法により形成される絶縁膜と比較して緻密
性を欠き絶縁耐圧も劣っており、半導体層と絶縁物層の
界面状態ではよくない。このため上記CVD法による絶縁
膜は、一度上記CVD法によって絶縁膜を被着形成した
後、絶縁膜の改質のために800℃以上の高温で再度熱処
理する工程が必要であり、熱的な影響を防止できず、製
造工程面からも熱処理工程が加わることになって、解決
すべき問題点は残されることにのなる。

そこで、本発明は上述の問題点に鑑み、短時間で均質
な絶縁膜の形成を低温で行うことを可能とする絶縁物層
と半導体層の界面の改質方法を提供することを目的とす
る。

〔問題点を解決するための手段〕

半導体層と絶縁物層との界面近傍を絶縁物層が酸化膜
の場合には酸素ガス、オゾンガスの少なくとも１種を含
む雰囲気中で、絶縁物層が窒化膜の場合には窒素ガス、
アンモニアガスの少なくとも１種を含む雰囲気中でエネ
ルギービームの照射により局所的に加熱し、上記半導体
層と絶縁物層との界面にこれら絶縁物層の構成原子と半
導体層の構成原子との反応層を形成する絶縁物層の界面
改質方法により上述の問題点を解決する。

〔作用〕

界面及びその近傍のみを局所的に加熱するエネルギー
ビームを照射して、当該エネルギービームの局所的に短
時間で加熱する特性から、他の加熱の不要な部分への熱
の影響を防止して絶縁物層の構成原子と半導体層の構成
原子との反応層を形成する。このとき、雰囲気ガスの構
成元素が絶縁物層を介して半導体層との界面に導入さ
れ、エネルギービームの照射によって短時間で均質な界
面が形成される。

〔実施例〕

本発明の好適実施例を図面を参照しながら説明する。

第１図は本発明の界面改質方法を実現する改質装置１
の照射例である。まず、この改質装置１の反応室４内部
に基板２を所定の位置に載置する。尚、上記改質載置１
には石英窓５、ガス吸気口７、ガス排気口８がそれぞれ
所定の位置に取り付けられている。

ここで上記基板２は第２図に示すような多層構造から
なっていて、基体10上に半導体層としてシリコン層11を
被着形成し、その上にプラズマCVD法や蒸着法あるいは
スパッター法などによって形成される絶縁物層として酸
化シリコン層12をCVD法により被着形成したものであ
る。

このような基体10、シリコン層11、CVD法により形成
された酸化シリコン膜12の多層構造からなる基板２に対
して、反応室４の雰囲気を例えば酸素ガス（400Torr）
としてエネルギービームであるレーザービームａを上記
石英窓４を介して照射する。このレーザービームａは、
本実施例の場合は、パルスレーザーであるXeClエキシマ
レーザー３（波長308nm）を用いている。

上記XeClエキシマレーザー３からのレーザービームａ
は、上記多層構造の基板２を照射し、界面部分の加熱を
おこなうため、上記シリコン層11と酸化シリコン層12の
間の界面部分の絶縁物層の改質を短時間にかつ局所的に
おこなうことができる。すなわち、上記XeClエキシマレ
ーザー３からのレーザービームａは、絶縁物層である酸
化シリコン層12を透過し、半導体層であるシリコン層11
の界面部分（第２図において番号ｂで示す。）に吸収さ
れ、この界面部分ｂを局所的にかつ短時間で加熱溶融
し、上記CVD法により形成された絶縁物層である酸化シ
リコン層12を反応層として緻密なものとしていく。した
がって、後述するようにレーザービームは、絶縁物層を
透過しかつ半導体層に吸収されるエネルギービームであ
ればよい。また、後述するように絶縁物層で吸収され、
界面部分ｂおよびその近傍を加熱するようなエネルギー
ビームでもよい。

また、上記XeClエキシマレーザー３からのレーザービ
ームａによって、上記シリコン層11と酸化シリコン層12
の間の界面部分の絶縁物層の改質を短時間にかつ局所的
におこなうのみならず、CVD法により予め形成された絶
縁物層に対して加熱するため、CVD法による絶縁物層の
凹凸の少なさをそのまま維持することができ、さらにエ
ネルギーの消費量も小さい。

実施例に示す界面の改質方法によって得られる特性を
第３図および第４図を用いて説明する。

先ず、シリコン層上にプラズマCVD法によって350Åの
膜厚の酸化シリコン層を被着形成し、雰囲気を酸素ガス
（400Torr）としてXeClエキシマレーザー（波長308nm、
パルス幅35ns）を室温、レーザーエネルギー315J/cm²で
12000パルス照射する。

このようにレーザービームを照射することによってIR
吸収スペクトルの曲線は、第３図に示すように、レーザ
ービーム照射前の特性曲線ｄから照射後の特性曲線ｅに
変化する。すなわち、照射前の特性曲線ｄは、吸収のピ
ークが波数1058cm^-1半値幅100cm^-1であるのに対して、
照射後の特性曲線ｅは、吸収のピークが波数1065cm^-1、
半値幅85cm^-1という鋭い吸収曲線になり、従って、反応
層として緻密な均質な界面状態に改質されたことが判
る。また、この照射後の特性曲線ｅは、熱酸化法（酸素
ガス雰囲気、処理温度1000℃）によって形成された界面
状態の特性曲線ｆの（吸収ピークの波数1076cm^-1、半値
幅75cm^-1）と比較しても、特に高温にすることなく室温
で熱酸化法による緻密な酸化シリコン層に近づいた酸化
シリコン層を形成していることを示している。

続いて、本発明の界面改質方法について界面のＣ−Ｖ
特性を測定した例を示す。

まず、Ｐ型のシリコン基板上にプラズマCVD法で膜厚1
300Åの酸化シリコン層を被着形成し、雰囲気を酸化ガ
ス（400Torr）として、上記XeClエキシマレーザー（波
長308nm、パルス幅35ns）を室温、レーザーエネルギー4
10mJ/cm²で1200パルス照射する。

このようにレーザービームを照射することによって、
Ｐ型のシリコンと酸化シリコン層の界面のＣ−Ｖ特性
は、照射前の特性曲線ｇから照射後の特性曲線ｈに変化
している。すなわち、照射前にあっては、界面の状態の
不均一さから界面電荷密度が高かったが、照射後は均質
な界面状態を形成し界面電荷密度が減少して、フラット
バンド電圧が減少していることを示すものである。

上述したように界面の改質をおこなうエネルギービー
ムは、絶縁物層を透過し半導体層との界面部分あるいは
当該界面及びその近傍の絶縁物層を短時間に局所的に加
熱し、再結晶、アニールによって化学量論的な結合界面
或いは結合欠陥のない反応層を形成する。従って、上記
エネルギービームは、XeClエキシマレーザーのレーザー
ビームに限定されず、絶縁物層を透過しかつ半導体層に
吸収されるエネルギービームであればよく、例えば、シ
リコンに強く吸収される550nm以下の波長を有するXeFエ
キシマレーザー、KrFエキシマレーザー、ClFエキシマレ
ーザー、KrClエキシマレーザー、ArFエキシマレーザ
ー、F₂エキシマレーザーや、Xeレゾナンスランプ、重水
素ランプ、低圧水銀ランプ、超高圧水銀ランプ、FeHgメ
タル・ハライド・ランプ等を使用することができる。ま
た、界面の改質をおこなうエネルギービームは、絶縁物
層を透過しかつ半導体層に吸収されるエネルギービーム
に限定されず、絶縁物層に吸収され、そこで発生する熱
を利用して、界面の0.1μｍ程度の部分を加熱溶融する
ような短時間で高エネルギー密度のエネルギービームで
あっても同様の結果を得ることが可能である。このよう
なエネルギービームとして、上述したエキシマレーザー
ビームの他にパルスエレクトロンビーム等を使用するこ
とも可能である。

上述したように短時間で均質な界面を形成するところ
の半導体層としては、上記酸化シリコン層12の他、Ge、
GaAs、GaP、InP、GaN、SiC等の材料を用いることがで
き、例えば、上記Geの場合には、界面を形成する絶縁物
層が改質の工程でGeの酸化膜の不安定さを取り除くた
め、MOS構造も可能である。また、GaAsの場合には、界
面を形成する絶縁物層により有毒なAsガスの放出を防止
することも可能である。

一方、上記半導体層上に被着形成される絶縁物層は、
酸化シリコン、窒化シリコン、あるいはこれらの材料に
水素、ハロゲン元素（Ｆ、Cl等）を含むような材料の材
料でもよく、この絶縁物層は、上記半導体層あるいは後
述する基体が熱的に影響を受けないような温度で予め上
記半導体層上にプラズマCVD法や蒸着法あるいはスパッ
ター法などによって形成する。また、この半導体層上に
被着形成する絶縁物層は、後述するように所定の厚みで
形成すれば、高密度化、欠陥防止が容易となる。さら
に、この絶縁物層の構成元素のうち少なくとも１種類の
元素が、上記半導体層およびその界面部分に導入され
て、均質な界面状態を形成することもできる。

半導体層を被着形成する基体は、ガラス、プラスチッ
ク、金属、半導体等の種々の材料を選択することが可能
である。この基体は、どのような材料のものでもよく、
高温での処理に適さない材料例えばガラス、プラスチッ
ク等の場合や３次元構造、高精度の要求される素子の場
合には特に本発明は有効である。また、基体をなくして
半導体層と絶縁物層からなる基板によって本発明の界面
改質方法を実施することも可能である。

上記絶縁物層の厚みｔは、レーザービームの加熱特性
に応じて設定することができる。すなわち、熱拡散係数
Ｄとレーザービームの照射時間τによって好適な膜厚ｔ
を選択でき、 の関係から、例えば酸化シリコン膜の熱拡散係数ＤをD₀
＝0.006cm²/sec、レーザービームの照射時間τをτ_０＝
35nsecとした場合にはt₀＝約1450Åとなり、この膜厚t₀
が界面改質の可能な膜厚となる。

上記反応室４に供給される雰囲気ガスは、分子状態、
原子状態、プラズマ状態の酸素によって行うこのがで
き、これに限定されず、オゾンガス、オゾンガスと酸素
ガスの混合ガスを用いることもできる。また、窒素膜を
形成する場合には、窒素やアンモニアのガスを用いるこ
とも可能である。また、この雰囲気ガスの構成元素の少
なくとも１つの構成元素が絶縁物層を介して半導体層と
の界面に導入され、上記レーザービームによって短時間
で低温に均質な界面を形成することもできる。

〔発明の効果〕

本発明の絶縁物層の界面改質方法においては、レーザ
ービームを照射することにより絶縁物層と半導体層の界
面部分を緻密で均質な状態にすることが可能であり、ま
た、レーザービームの特性から短時間でしかも低温でエ
ネルギー消費量も小さく処理することが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の界面改質方法を実現する一例を示す模
式図であり、第２図は本発明に用いられる基板の断面図
であり、第３図および第４図は本発明の界面改質が行わ
れた基板の特性を示す特性図である。 ２……基板 ３……XeClエキシマレーザー 10……基体 11……半導体層（シリコン層） 12……絶縁物層（酸化シリコン層） ａ……レーザービーム ｂ……界面

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体層と絶縁物層との界面近傍を絶縁物
   層が酸化膜の場合には酸素ガス、オゾンガスの少なくと
   も１種を含む雰囲気中で、絶縁物層が窒化膜の場合には
   窒素ガス、アンモニアガスの少なくとも１種を含む雰囲
   気中でエネルギービームの照射により局所的に加熱し、
   上記半導体層と絶縁物層との界面にこれら絶縁物層の構
   成原子と半導体層の構成原子との反応層を形成する絶縁
   物層の界面改質方法。