JP2880993B1 - 半導体酸化膜の形成方法 - Google Patents

半導体酸化膜の形成方法

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Abstract

【要約】 【課題】 酸化膜と半導体の界面をより平坦で均一にす
ることを可能とする半導体酸化膜の形成方法を提供する
こと。 【解決手段】 半導体表面を酸素分子ガスとの化学反応
によって酸化し、原子レベルの多層酸化膜を形成する半
導体酸化膜の形成方法において、半導体と反応しないガ
スと酸素分子ガスを含む雰囲気の下で、表面より一層毎
に酸化反応を行い、その一層毎の酸化反応が終了する度
に、半導体と反応しないガスに対する酸素分子ガスの分
圧比若しくは半導体表面の温度、又は双方を、酸化膜の
成長とともに上昇させることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体酸化膜の形
成方法に係り、特に、半導体表面に原子レベルの多層酸
化膜を一層毎に形成する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】各種半導体装置において、半導体酸化膜
は、絶縁膜として非常に大きな役割を有するため、その
膜質、形成方法等について、多くの研究者により、研究
が重ねられている。半導体酸化膜の形成方法としては、
半導体表面を高温で大気圧中の酸素分子ガスにさらす熱
酸化工程が広く用いられている。
【0003】この熱酸化工程では、半導体の酸化過程は
表面より内部に向かって進行し、酸化膜が成長するとと
もに酸化膜と半導体との界面は半導体の内部に移動して
いくことになる。酸化過程における酸化メカニズムは、
酸素分子の半導体基板への吸着と分子から解離してしま
う酸素原子と半導体原子との化学結合からなるが、その
ような化学結合は、酸化膜と半導体との界面付近で生ず
る。そのため、界面が浅い時の初期酸化においては反応
律速となり、反応は急激に進行する。一方、界面が深く
なるにつれて酸素が表面より界面まで拡散し、移動する
必要があるので、酸化反応は酸素の拡散律速となり、酸
化膜の成長が次第に遅くなる。
【0004】反応律速である初期酸化過程においては、
酸素の化学吸着が急激に生ずるため、温度による熱的揺
らぎなどにより場所により反応の進行が異なる場合が多
く、他方、その後の酸化膜の成長によって酸化速度が低
下するため、いわば不均一な構造の界面が形成されたま
ま酸化が進行し、最終的に半導体と酸化膜の間に不均一
な界面が形成されてしまう。
【0005】このようにして形成された酸化膜は、バン
ドギャップ中に界面付近での状態密度を比較的多く含む
ため、例えばMOSトランジスターのゲート絶縁膜に使
用すると、しきい値電圧のばらつきが大きく、半導体装
置の信頼性の低下につながっていた。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】このように、高温にお
いて大気圧で酸化を行う方法では、均一な酸化膜界面の
形成が困難であり、不均一な酸化膜界面が形成されてし
まうため、素子の信頼性が低下するという問題があっ
た。
【0007】本発明は、このような、製造工程から生じ
る素子の信頼性の問題を解決するためになされたもの
で、酸化膜と半導体の界面をより平坦で均一にすること
を可能とする半導体酸化膜の形成方法を提供することを
目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明は、半導体表面を酸素分子ガスとの化学反応
によって酸化し、原子レベルの多層酸化膜を形成する半
導体酸化膜の形成方法において、半導体と反応しないガ
スと酸素分子ガスを含む雰囲気の下で、表面より一層毎
に酸化反応を行い、その一層毎の酸化反応が終了する度
に、半導体と反応しないガスに対する酸素分子ガスの分
圧比若しくは半導体表面の温度、又は双方を、酸化膜の
成長とともに上昇させることを特徴とする半導体酸化膜
の形成方法を提供する。
【0009】上記の如き条件で酸化工程を行うと、酸化
工程の初期の段階においては酸素分圧が低いか、もしく
は半導体表面の温度が低いため、酸化は反応の活性エネ
ルギーが低い、まず第1層まで進行する。その後、酸素
分圧を上げるか、もしくは半導体表面の温度を上げるこ
とにより、やや活性化エネルギーの高い第2層まで酸化
が進行する。このようにして、酸化が初期の段階より一
層ごとに進行するため、酸化膜の成長とともに酸素分子
ガスの分圧比もしくは半導体表面の温度を上げていくこ
とにより、平坦で均一な界面の構造を保ったまま、酸化
膜が成長することになる。
【0010】本発明の方法による酸化膜の形成に際して
は、まず、原子レベルで平坦な半導体表面を露出させた
後に行うことが望ましい。酸化工程に供される半導体の
表面が平坦でなければ、形成される酸化膜の均一性も、
達成が困難となるからである。
【0011】また、第1層の酸化膜を形成する酸化工程
を、室温において酸素分圧と酸化時間の積が10-5To
rr・分ないし10-6Torr・分の条件で行うことが
望ましい。即ち、酸素分圧が高ければ酸化時間を短く
し、酸素分圧が低ければ酸化時間を長くすることによ
り、原子レベルの酸化膜を、制御性よく形成することが
出来る。
【0012】なお、本発明の酸化膜の形成方法は、界面
が浅い初期酸化においては反応律速であるため、反応は
急激に進行することから、反応の進行を抑えるために、
酸素分圧または半導体温度を低くして行い、徐々に成長
の進行とともに酸素分圧または半導体温度を上昇させて
いるが、成長が所定の膜厚まで達して、拡散律速となる
と、酸素分圧または半導体温度の反応に与える影響は少
なくなるため、酸化工程は、一定のガス分圧と一定の温
度のもとで行うことが出来る。
【0013】以上のように、本発明の方法によると、酸
化膜の成長に伴って酸素分子ガスの分圧及び/又は基板
温度を上げていくことにより、層ごとの酸化膜の形成が
可能となり、原子レベルで平坦な界面が形成されて、界
面付近におけるバンドギャップ中の状態密度が大幅に減
少した酸化膜の形成が可能である。従って、本発明の方
法を、例えば、MOSトランジスターのゲート酸化膜の
形成に適用した場合、しきい値電圧のばらつきが少な
く、均一で安定した動作を行う素子の形成が可能とな
る。
【0014】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態につい
て、図面を参照して説明する。
【0015】図1は、本発明の一実施形態に係る酸化膜
の形成方法に使用される酸化膜形成装置を示す。この酸
化膜形成装置は、複数の半導体基板1を支持するサセプ
タ2を収容する炉心管3により構成され、この炉心管3
には、雰囲気ガスとして酸素ガス源4と窒素ガス源5か
らの酸素ガスと窒素ガスの混合ガスを導入するガス導入
口6と、ガスを排気するガス排出口7とを備えている。
酸素ガス源4および窒素ガス源5にはバルブ8,9が取
り付けられており、ガス分圧の制御が可能とされてい
る。炉心管3の周囲には、ヒーター10が配置され、図
示しない温度制御装置により、制御されるようになって
いる。
【0016】Si基板表面の酸化は、図1に示す酸化膜
形成装置を用いて、以下のように行われる。
【0017】まず、希フッ酸処理した(100)面を主
面とするSi基板1を炉心管3内に設置し、炉内雰囲気
を窒素ガスのみにして、600℃に基板温度を上昇させ
る。それによって表面を清浄かつ平坦にした後、基板温
度を室温にまで下げる。これにより、Si基板の表面に
は、図2に示すように、Si基板の清浄表面の構造が出
現する。
【0018】次いで、窒素雰囲気中に10-5Torrの
分圧の酸素ガスを混入し、この雰囲気に基板を2分間さ
らす。これにより、図3に示すように、Si基板の表面
の第一層のSi原子のバックボンドのすべてに酸素原子
が結合し、第1層の酸化が終了する。
【0019】その後、基板温度を10分間で500℃ま
で上昇させ、この温度のまま10分間維持する。この操
作により、図4に示すように、Si基板の表面より第2
層までが完全に酸化する。
【0020】その後、酸素ガスの分圧を10-3Torr
まで上げ、10分間で700℃まで上昇させ、この温度
のまま10分間維持させると、図5に示すように、Si
基板の表面より第3層までが完全に酸化する。
【0021】その後、酸素分圧を大気圧と同じレベルに
まで上げ、基板温度を850℃にまで上げて30分間さ
らすと、酸化反応は拡散律速となり、均一な界面構造を
保ったまま酸化が進行し、界面構造が原子レベルで平坦
な構造の50オングストロームの膜厚のシリコン酸化膜
が形成される。
【0022】なお、本実施例では、ある特定の条件で酸
素分圧を上昇させ、基板温度を上昇させていったが、こ
れらの組み合わせ方は、酸化反応が原子レベルで層ごと
に生ずるものである限り、極めて多くの種類の組み合わ
せ方が可能である。
【0023】さらに、本実施例では、酸化膜の成長とと
もに酸素分圧、基板温度をともに上昇させているが、一
定温度のまま酸化膜の成長とともに酸素分圧のみを上昇
させても、層ごとの酸化反応が可能であり、また、酸素
分圧を一定にしたまま酸化膜の成長とともに基板温度だ
けを上昇させても、同様に層ごとの酸化反応が可能であ
る。
【0024】また、窒素ガスの代わりに半導体と反応し
ない限りにおいて、他のガス種、例えばアルゴン等の不
活性ガスを用いることが出来る。また、半導体として
は、シリコン基板以外にも、酸化反応を起こすあらゆる
半導体の酸化膜の形成に応用することができる。
【0025】以上説明した酸化膜形成方法は、図6に示
すようなMOSFETのゲート絶縁膜の形成に適用する
ことが出来る。即ち、図6に示すように、シリコン基板
11にフィールド酸化膜12を形成し、このフィールド
酸化膜12により分離された素子領域表面に、ゲート酸
化膜13およびゲート電極14を形成し、イオン注入に
よりソース領域15aおよびドレイン領域15bを形成
して、MOSFETが得られる。この場合、膜厚50オ
ングストロームのゲート酸化膜13を本発明の酸化膜形
成方法により形成することが出来る。
【0026】このようにして形成されたゲート酸化膜1
3は、その界面が極めて均一であり、その結果得られた
MOSFETは、しきん値電圧のばらつきが少なく、安
定した特性を示す。
【0027】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の方法によ
ると、酸化膜の成長に伴って酸素分子ガスの分圧および
/または基板温度を上げていくことにより、原子レベル
での一層ごとの酸化膜の形成が可能となり、その結果、
原子レベルで平坦な界面を有する酸化膜を形成すること
が出来る。かかる酸化膜は、界面付近におけるバンドギ
ャップ中の状態密度が大幅に減少しており、例えば、M
OSトランジスターのゲート酸化膜として適用した場
合、しきい値電圧にばらつきの少なく均一で安定した動
作を行う素子の形成が可能となる。
【0028】なお、本発明は、一般に常圧雰囲気下で実
施できるので、真空を得るための排気手段等が不要であ
り、簡単な装置を用いて、低いコストで実施することが
出来るという利点もある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例に用いる酸化膜形成装置を概
略的に示す図。
【図2】本発明の一実施例における初期酸化の前のシリ
コン基板の原子構造を示す図。
【図3】本発明の一実施例における第1層目の酸化が終
了したシリコン酸化膜の原子構造を示す図。
【図4】本発明の一実施例における第2層目の酸化が終
了したシリコン酸化膜の原子構造を示す図。
【図5】本発明の一実施例における第3層目の酸化が終
了したシリコン酸化膜の原子構造を示す図。
【図6】本発明の方法により形成されたゲート酸化膜を
有するMOSFETを示す断面図。
【符号の説明】
1…半導体基板 2…サセプタ 3…炉心管 4…酸素ガス源 5…窒素ガス源 6…ガス導入口 7…ガス排出口 8,9…バルブ 10…ヒーター
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平9−181072(JP,A) 特開 平5−267281(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 21/316 H01L 29/78

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体表面を酸素分子ガスとの化学反応
    によって酸化し、原子レベルの多層酸化膜を形成する半
    導体酸化膜の形成方法において、半導体と反応しないガ
    スと酸素分子ガスを含む雰囲気の下で、表面より一層毎
    に酸化反応を行い、その一層毎の酸化反応が終了する度
    に、半導体と反応しないガスに対する酸素分子ガスの分
    圧比若しくは半導体表面の温度、又は双方を、酸化膜の
    成長とともに上昇させることを特徴とする半導体酸化膜
    の形成方法。
  2. 【請求項2】 原子レベルで平坦な半導体表面を露出さ
    せた後に、半導体表面の酸化反応を開始する請求項1に
    記載の半導体酸化膜の形成方法。
  3. 【請求項3】 第1層の酸化膜を形成する酸化工程を、
    室温において酸素分圧と酸化時間の積が10-5Torr
    ・分ないし10-6Torr・分の条件で行うことを特徴
    とする請求項1に記載の半導体酸化膜の形成方法。
  4. 【請求項4】 第2層以降の酸化膜を形成する酸化工程
    は、半導体基板の温度若しくは酸素分圧又は双方を、前
    段階の酸化工程より高くして行うことを特徴とする請求
    項1に記載の半導体酸化膜の形成方法。
  5. 【請求項5】 酸化膜の膜厚が、酸化反応が酸素分子の
    拡散速度により制限される大きさに到達した後に、酸化
    工程を一定のガス分圧と一定の温度のもとで行うことを
    特徴とする請求項1に記載の半導体酸化膜の形成方法。
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