JP3214109B2 - 酸化シリコン膜の製造方法 - Google Patents

酸化シリコン膜の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、常圧化学気相成長法に
よる酸化シリコン膜の製造方法に関し、特に耐圧に優れ
た酸化シリコン膜の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】化学気相成長法(以下、CVD法とい
う)は、原料をガスで供給し気相あるいは基板表面にお
ける化学反応によって薄膜を堆積させる方法であるが、
真空蒸着法やスパッタリング法など他の薄膜堆積方法に
比べて、広範囲かつ多用な薄膜形成が可能であり、かつ
LSI製造工程上種々の有用な薄膜堆積形態を提供する
ことから、酸化シリコン膜の形成をはじめ、広く利用さ
れている。
【0003】常圧CVD法による酸化シリコン膜の製造
は、原料ガスとして、シラン系ガスSin 2n+2(例え
ば、モノシランSiH4 )と酸素O2 とを用い、例えば
300〜500℃の温度で、 SiH4 +2O2 → SiO2 + 2H2 O あるいは、 SiH4 + O2 → SiO2 + H2 なる化学反応を誘起させることにより行われる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ところが、常圧CVD
法による酸化シリコン膜は、熱酸化法により形成される
酸化シリコン膜に比べて緻密な膜ではないことから、熱
酸化法による酸化シリコン膜の電界強度が9MV/cm
であるのに対し、常圧CVD法による酸化シリコン膜の
電界強度は7MV/cm程度が一般的であった。そのた
め、電気的耐圧に関する信頼性が、熱酸化による酸化シ
リコン膜に比べて劣っているという欠点があった。
【0005】本発明は、このような従来技術の問題点に
鑑みてなされたものであり、常圧CVD法により耐圧に
優れた酸化シリコン膜を得ることを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の酸化シリコン膜の製造方法は、シラン系ガ
スに対する酸素の体積流量比を30以上、好ましくは4
0以上として、常圧化学気相成長法により積極的に不純
物を入れていない酸化シリコン膜を製造することを特徴
としている。
【0007】前記常圧化学気相成長法は、枚式で逐次
処理して行うことが好ましい。また、前記酸化シリコン
膜を窒化シリコン膜の上下に積層してONO膜として利
用することができる。
【0008】
【作用】熱酸化法による酸化シリコン膜は、CVD法に
よる酸化シリコン膜に比べて、緻密な膜に形成されるの
で電界強度に優れていることは否めないが、本発明者が
探求したところによれば、CVD法により酸化シリコン
膜を製造するにあたり、原料となるシラン系ガスと酸素
との体積流量比を適切に構成すれば、熱酸化膜に匹敵す
る電界強度を備えた酸化シリコン膜が得られることが知
見された。
【0009】すなわち、図2に示すようにシリコン基板
上に酸化シリコン膜を形成し、該酸化シリコン膜に順次
電圧を印加してそのとき流れるリーク電流を観察する
と、図1(A)に示す結果が得られた。
【0010】この結果によれば、従来の常圧CVD法で
採用していた体積流量比R=10では、印加電圧が増加
するにつけリーク電流も増加することになり、熱酸化膜
に比べて特に高電圧側の安定性に問題がある。ところ
が、シラン系ガスに対する酸素の体積流量比Rを30以
上にまで増加させると、低電圧側におけるリーク電流に
はさほど差が生じないが、高電圧を印加するにつけリー
ク電流が安定することが理解される。
【0011】特に、図1(B)に示すように、R=30
においてリーク電流の顕著な限界値を示しており、その
意味でR=30、好ましくはR=40以上に設定してお
けば、熱酸化膜に匹敵する電界強度を備えた酸化シリコ
ン膜が得られる。これは、 SiH4 +2O2 → SiO2 + 2H2 O あるいは、 SiH4 + O2 → SiO2 + H2 なる気相成長反応過程において、原料に含まれる酸素の
体積流量比が少ないと、成長する酸化シリコン膜中の酸
素が不足して上記反応が不完全となり、水素が介在した
重合膜やシリコンSiどうしの結合が生じて絶縁性が低
下し、その結果、リーク電流が増加するためと考えられ
る。
【0012】したがって、本発明のように酸素の体積流
量比を増加させれば、上記の反応が円滑に進行して、よ
り緻密でリーク性が低い酸化シリコン膜SiO2 が得ら
れることになる。
【0013】
【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説
明する。本発明では、酸化シリコン膜を、原料としてシ
ラン系ガスと酸素を用いて、常圧化学気相成長法により
製造する。シラン系ガスとしては、例えば、SiH4
SiHCl3 ,SiH2 Cl2 ,SiH3 Cl,SiC
4 ,SiBr4 ,SiI4 ,SiF4 ,Si(OC2
44 などを例示することができるが特に限定される
ことはない。また、酸素としては酸素ガスにのみ限定さ
れることはなく、NO,NO2 ,N2 O,CO,CO2
+H2 ,H2 O,O3 などを用いることができる。
【0014】原料として供給されるシラン系ガスと酸素
との体積流量比R(=酸素/シラン系ガス)は、30以
上、好ましくは40以上に設定する。原料ガスの体積流
量比をこのような範囲に設定することにより、印加電圧
に対するリーク電流を減少させることができるからであ
るが、これについては後述する。本発明の酸化シリコン
膜を形成する場合には、常圧のCVD法を用いて、基板
の温度を300〜500℃の低温で成長させる。
【0015】このような酸化シリコン膜は、例えば図3
に示す常圧気相成長装置(以下、常圧CVD装置ともい
う)により製造することができる。図3は本発明の一実
施例に係る酸化シリコン膜の製造装置を示す概念図であ
り、このような枚様式のCVD装置は、多数のウェーハ
を同時処理するバッチ式の気相成長装置に比べて、ウェ
ーハの大口径化に容易に対応することができ、しかも堆
積させる酸化シリコン膜の多様化にも容易に対応するこ
とができる点で有利である。
【0016】この常圧CVD装置では、搬送コンベア3
0上に半導体ウェーハなどの半導体基板31が、例えば
2列に所定の間隔で配置されており、また、搬送コンベ
ア30の上方には、各半導体基板31の表面に連続的に
酸化シリコン膜を成膜するためのインジェクタ32が搬
送コンベア30の搬送方向に沿って3個配置されてい
る。
【0017】このインジェクタ32には、それぞれの供
給源(シラン系ガス供給源33および酸素ガス供給源3
4)からそれぞれの配管35,36を介して、原料ガス
となるシラン系ガスと酸素とが導かれる。そして、3個
のインジェクタ32から吹き出される原料ガスが、搬送
コンベア30によって搬送される半導体基板31の表面
に順次反応・堆積して、所定膜厚の酸化シリコン膜が成
膜される。
【0018】次に、原料ガスの体積流量比Rを上述した
ようにR=30以上、好ましくは40以上に設定する根
拠を説明する。図1(A)は本発明の一実施例に係る酸
化シリコン膜の印加電圧とリーク電流との関係を示すグ
ラフ、図1(B)は同じく原料の体積流量比(酸素/シ
ラン系ガス)に対するリーク電流の関係を示すグラフ、
図2は図1に示す測定を行うにあたり用いた半導体装置
を示す断面図である。
【0019】まず、図2に示すように、シリコン基板1
上にCVD法により酸化シリコン膜2を形成して試験片
を作製し、該酸化シリコン膜2に順次電圧を印加して、
そのとき流れるリーク電流を観察した。酸化シリコン膜
2の成膜にあたり、常圧の下、基板温度を400〜42
0℃に維持し、シラン系ガスとしてモノシランSiH4
を40cc一定量に固定して、酸素ガスを400cc
(R=10),800cc(R=20),1200cc
(R=30)に変動させ、3種類の試験片を得た。ま
た、それぞれの酸化シリコン膜2の膜厚は100nmと
し、さらに、この酸化シリコン膜2の表面にアルミ電極
膜3を形成した。
【0020】そして、シリコン基板1とアルミ電極膜3
との間に電圧を印加し、この印加電圧値に対する酸化シ
リコン膜のリーク電流値を計測した。この結果を図1
(A)に示す。
【0021】ちなみに、熱酸化法による酸化シリコン膜
と比較する意味で、同様な構造で、シリコン基板上に熱
酸化膜およびアルミ電極膜を形成し、上記と同じ条件で
印加電圧値に対する酸化シリコン膜のリーク電流値を計
測した。また、この測定値を基に、酸素ガス/モノシラ
ンの体積流量比Rに対するリーク電流の関係をプロット
し図1(B)のグラフを得た。
【0022】この結果によれば、従来の常圧CVD法で
採用していた体積流量比R=10では、印加電圧が増加
するにつけリーク電流も増加することになり、熱酸化膜
に比べて特に高電圧側の安定性に問題がある。例えば、
図1(A)において、ブレークダウンする前に、50V
および70Vの印加電圧でリーク電流が急増する傾向が
ある。
【0023】ところが、シラン系ガスに対する酸素の体
積流量比Rを30以上にまで増加させると、低電圧側に
おけるリーク電流はR=10の場合とさほど差はない
が、高電圧を印加するにつれ、特に図1(A)に示す例
では50V以上の印加電圧で、リーク電流が低くなって
安定することが理解される。
【0024】また、図1(B)に示すように、R=30
においてリーク電流の顕著な限界値を示しており、その
意味でR=30、好ましくはR=40以上に設定してお
けば、熱酸化膜に匹敵する電界強度を備えた酸化シリコ
ン膜が得られることが理解される。
【0025】これは、 SiH4 +2O2 → SiO2 + 2H2 O あるいは、 SiH4 + O2 → SiO2 + H2 なる気相成長反応過程において、原料に含まれる酸素の
体積流量比が少ないと、成長する酸化シリコン膜中の酸
素が不足して上記反応が不完全となり、水素が介在した
重合膜やシリコンSiどうしの結合が生じて絶縁性が低
下し、その結果、リーク電流が増加するためと考えられ
る。
【0026】したがって、熱酸化法による酸化シリコン
膜は、CVD法による酸化シリコン膜に比べて、緻密な
膜が形成されるため、電界強度に優れていることは否め
ないが、CVD法により酸化シリコン膜を製造するにあ
たり、原料となるシラン系ガスと酸素との体積流量比を
適切に構成すれば、熱酸化膜に匹敵する電界強度を備え
た酸化シリコン膜が得られることになる。
【0027】上述した本発明の酸化シリコン膜の製造方
法は、以下のような各種薄膜に利用することができる。
【0028】図4は本発明の酸化シリコン膜をバイポー
ラ・トランジスタのフィールド絶縁膜に利用した具体例
を示す断面図である。このバイポーラ・トランジスタ
(例えば、NPN形トランジスタ)は、N形シリコン基
板4に酸化シリコン膜(フィールド絶縁膜)5を形成し
たのちにベース拡散領域6を形成し、ついで、酸化シリ
コン膜5にホトエッチングによりエミッタ拡散用穴7お
よびコレクタ拡散用穴8を開口して、これらの穴7,8
からN形不純物を拡散することによりエミッタ領域9お
よびコレクタ拡散領域10を形成する。
【0029】さらに、ホトエッチングによりベース電極
引出し用穴11を開口し、その表面に電極金属を形成し
たのち、ホトエッチングを施すことによりベース電極1
2、エミッタ電極13、およびコレクタ電極14を形成
する。
【0030】このようなバイポーラ・トランジスタのフ
ィールド酸化膜5を形成するにあたって、本発明の方法
を利用して酸化シリコン膜を形成すれば、ベースB−エ
ミッタE間、およびベースB−コレクタC間のpn接合
耐圧がきわめて向上することになる。
【0031】図5は同じく本発明の酸化シリコン膜を層
間絶縁膜に利用した具体例を示す断面図であり、例え
ば、シリコン基板19上に成膜したポリシリコン膜15
の表面に、本発明の製造方法によって酸化シリコン膜1
7を形成し、さらにポリシリコン膜16を形成して、両
ポリシリコン膜15,16の層間絶縁膜として酸化シリ
コン膜17を利用している。
【0032】同図において、シリコン基板19上に形成
した下層のポリシリコン膜15のエッジ部18は、特に
電界が集中し易いので、本発明により形成した酸化シリ
コン膜17の耐圧効果が有効となる。なお、この場合、
ポリシリコン膜に限定されることはなくアルミ電極膜で
あっても同様の効果がある。
【0033】また、本発明の酸化シリコン膜は、いわゆ
るONO膜として利用することも可能である。例えば、
EPROMのスタックゲートに用いられるポリシリコン
間の層間絶縁膜を薄膜化する場合には、リーク電流は極
力小さくする必要がある。ところが、高濃度にリンを拡
散したポリシリコン膜上に良質の酸化シリコン膜を形成
するには、1100℃以上の高温での熱酸化が必要であ
り、このような高温処理を施すと酸化速度が速い等の諸
原因によって、膜厚の制御性が低下し薄膜化がきわめて
困難である。
【0034】そこで、酸化シリコン膜上に窒化シリコン
膜(例えば、Si34 )を形成し、さらに酸化シリコ
ン膜を形成した3層構造の絶縁膜(ONO膜)が開発さ
れている。
【0035】本発明の製造方法を用いてONO膜の酸化
シリコン膜を形成すれば、電気的耐圧に優れているた
め、よりONO膜の絶縁性能を向上させることができ
る。
【0036】以上説明した実施例は、本発明の理解を容
易にするために記載されたものであって、本発明を限定
するために記載されたものではない。したがって、上記
の実施例に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に
属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
【0037】
【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、シラ
ン系ガスに対する酸素の体積流量比を30以上、好まし
くは40以上として、常圧化学気相成長法により酸化シ
リコン膜を製造するので、電界強度を増加させることが
でき、電気的耐圧性に優れた酸化シリコン膜を得ること
ができる。
【0038】例えば、従来の常圧気相成長法による酸化
シリコン膜では電界強度が7MV/cmであったのに対
し、本発明の製造方法により製造された酸化シリコン膜
の電界強度は8MV/cm以上となり、熱酸化法による
酸化シリコン膜の9MV/cmに匹敵する程の電気的耐
圧性を有することになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(A)は本発明の一実施例に係る酸化シリコン
膜の印加電圧とリーク電流との関係を示すグラフ、
(B)は同じく原料の体積流量比(酸素/シラン系ガ
ス)に対するリーク電流の関係を示すグラフである。
【図2】図1に示す測定を行うにあたり用いた半導体装
置を示す断面図である。
【図3】本発明の一実施例に係る酸化シリコン膜の製造
装置を示す概念図である。
【図4】本発明の酸化シリコン膜をフィールド絶縁膜に
利用した具体例を示す断面図である。
【図5】同じく本発明の酸化シリコン膜を層間絶縁膜に
利用した具体例を示す断面図である。
【符号の説明】
1…シリコン基板 2…酸化シリコン膜 3…アルミ電極膜
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/316

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】シラン系ガスに対する酸素の体積流量比を
    30以上として、常圧化学気相成長法により積極的に不
    純物を入れていない酸化シリコン膜を製造する酸化シリ
    コン膜の製造方法。
  2. 【請求項2】前記シラン系ガスに対する酸素の体積流量
    比が40以上であることを特徴とする請求項1に記載の
    酸化シリコン膜の製造方法。
  3. 【請求項3】前記常圧化学気相成長法は、枚式で逐次
    処理されることを特徴とする請求項1または2に記載の
    酸化シリコン膜の製造方法。
  4. 【請求項4】前記酸化シリコン膜は、窒化シリコン膜の
    上下に積層されて利用されることを特徴とする請求項1
    から3の何れかに記載の酸化シリコン膜の製造方法。
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