JP3233280B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置の製造方法

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  • Formation Of Insulating Films (AREA)
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の製造
方法に関し、特に極薄膜のゲート酸化膜等の絶縁膜の形
成方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】MOS型半導体装置を製造するには、シ
リコン酸化膜あるいはその他の絶縁材料から成るゲート
絶縁膜を半導体基板上に形成する必要がある。ゲート絶
縁膜にはシリコン基板を熱酸化して得られるシリコン酸
化膜が用いられることが多く、したがって、このゲート
絶縁膜をゲート酸化膜と呼ばれることがある。このゲー
ト酸化膜はMOS型半導体装置の性能を決定する重要な
要素の一つである。よく知られているように、ゲート酸
化膜はスケーリング則に則り、薄膜化が進行している。
一般にゲート酸化膜が薄くなるほどMOS型半導体装置
の性能は向上する。最近では、15Å程度のゲート酸化
膜を用いたトランジスタも試作され、正常動作すること
が確認されている。
【0003】このように極く薄いゲート酸化膜を、抵抗
加熱型の拡散炉を用いて、熱酸化法によって形成する場
合は、その酸化温度は必然的に700℃〜800℃程度
の低温にならざるを得ない。なぜなら、高温下では酸化
速度が速すぎ、制御が困難であるからである。特に、経
時絶縁破壊(TDDB;Time Dependent DielectricBre
akdown)特性に優れると言われる加湿酸化法を用いた場
合、例えば、850℃であれば約10分で100Åの酸
化膜が形成されてしまう。これが750℃であれば、1
0分でおよそ40Å程度になり、制御性よく極薄膜の絶
縁膜を形成することが可能になる。酸化速度を下げるに
は低温化以外にも圧力(または分圧)を下げるという方
法もあるが、半導体製造装置に減圧装置または希釈用の
不活性ガスラインを追加しなければならず設備コストが
嵩むなどの問題ある。したがって、温度を下げて極薄膜
の形成を行う方法が最も簡便である。
【0004】温度を下げてゲート酸化膜を形成する方法
は、例えば、特開平8ー255905号公報において提
案されている。この技術によるゲート酸化膜形成方法
は、850℃程度の高温酸化による酸化膜形成に引き続
き、水素酸素燃焼法による700℃程度の低温酸化を行
う2段階熱酸化によって酸化膜を形成するものである。
これによって、膜中トラップ密度が高温酸化と同程度に
低くなり、且つ、絶縁破壊耐性が低温水素酸素燃焼酸化
と同程度に高くなり、良質なゲート酸化膜を形成するこ
とができるとされる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】而して、ゲート酸化膜
の製造工程においては、酸化膜を形成した後にその温度
を保って、あるいは温度を下げて、炉からウェハを取り
出すのが一般的である。しかしながら、低温で炉からウ
ェハを取り出すと、シリコン基板と酸化膜の界面に発生
する界面準位が増加することが、最近本発明者らの実験
により明らかになった。すなわち、図3の、ウェハの出
炉温度と界面準位の特性を表す実験データに示すよう
に、例えば、ウェハを800℃で出炉した時に比べて、
700℃で出炉した場合は界面準位が2倍に増加してい
るなどのデータが得られた。このような界面準位は、シ
リコン基板と熱酸化膜の間の結合の不整合性に起因する
ものであり、界面準位が多くなると、酸化膜の長期信頼
性が劣化し、ひいては、半導体装置の寿命を低下させる
原因にもなる。このような理由から、低温で酸化膜を形
成する場合、従来の酸化法では酸化速度を制御しながら
界面準位の発生を抑えたゲート絶縁膜を形成することが
できないという問題があった。
【0006】本発明の課題は、上述した従来技術の問題
点を解決することであって、その目的は、低温酸化によ
って酸化速度を制御し、且つその後の工程における炉内
温度を工夫することにより、界面準位の少ない極薄膜の
絶縁膜を形成することのできる半導体装置の製造方法を
提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】上述した本発明の課題
は、加熱炉にて比較的低温度にて熱酸化を行い、加熱炉
内の温度を酸化膜形成時の温度より高い温度に昇温し、
昇温後直ちに基板を加熱炉より取り出すようにすること
により解決することができる。
【0008】
【作用】一般に薄い酸化膜を形成する場合は、酸化速度
を遅くするために酸化温度を低温にする必要がある。従
来の形成方法は、低温で酸化膜を形成してその温度のま
ま若しくは降温してウェハを取り出すものであったた
め、界面準位の多い酸化膜が形成されてしまうが、本発
明の形成方法では、酸化膜形成後に炉内温度を高温に上
げてウェハを取り出すため、界面準位の少ない酸化膜を
形成することができる。このように、本発明のゲート絶
縁膜の形成方法によって形成されたシリコン酸化膜は、
界面準位が極めて少ないため半導体装置の長期信頼性を
向上させることができる。加えて、本発明のゲート酸化
膜の形成方法は、非常に薄い酸化膜を形成する場合にお
いてもプロセス安定性に優れているため、半導体装置の
生産歩留まりを向上させることもできる。
【0009】
【発明の実施の形態】本発明は、型半導体装置の製造工
程の一つであるゲート絶縁膜等の絶縁膜の形成工程にお
いて、絶縁膜形成時よりも高い温度で基板を炉から取り
出すことを特徴としている。すなわち、本発明による半
導体装置の製造方法は、(1)表面が露出したシリコン
層を有する基板を、酸素と窒素またはアルゴン等の不活
性ガスとの混合ガス雰囲気中で加熱炉に搬入する工程
と、(2)前記基板を、酸化性雰囲気に晒しつつ850
℃以下の酸化温度にて前記シリコン層の表面に極薄絶縁
膜を形成する工程と、(3)非酸化性雰囲気にて前記加
熱炉内の温度を前記工程(2)の酸化温度より高い80
0℃以上900℃未満の温度に昇温する工程と、(4)
前記工程(3)の昇温された温度にて、極薄絶縁膜が形
成された前記基板を加熱炉から取り出す工程と、を有す
ることを特徴としている。
【0010】ここで、工程(2)での酸化温度を850
℃以下としているのは、850℃以上では、50Å以下
の極薄の絶縁膜を制御性・再現性よく形成することが困
難となるからである。同様の意味で、40Å以下の絶縁
膜を形成するには800℃未満とすることが望ましい。
本発明においては、低温側の酸化温度については特に制
限はないが、スループットを一定以上に確保するために
は酸化温度を700℃以上とすることが望ましい。ま
た、工程(3)において、800℃以上に昇温するのは
出炉温度がこれ以下では界面準位を十分に低減すること
ができないからである。しかし、これ以上に昇温しても
大きな界面準位の低減効果は得られないから、昇温はス
ループット向上のために900℃未満とすることが望ま
しい。
【0011】工程(1)の基板搬入時の炉内温度は30
0℃以上800℃未満が好ましい。さらに、工程(2)
で形成されるゲート絶縁膜の膜厚は50Å以下となるよ
うに形成される。本願発明は、この膜厚以下の絶縁膜を
形成する際に有利に適用されるものである。特に40Å
以下の膜厚の絶縁膜を形成する際に有利に適用される。
一方、50Å以上の膜厚の場合には他の方法を用いた方
が有利である。また、工程(2)においては、水蒸気を
供給する加湿酸化法または水蒸気を供給しない乾燥酸化
法の、何れかの雰囲気によって熱酸化膜を形成すること
ができる。あるいは、工程(2)の酸化性雰囲気は、ハ
ロゲン元素を構成要素とするガスを含む雰囲気であっ
て、該雰囲気によって前記シリコン層の表面に酸化膜を
形成するようにしてもよい。ハロゲン元素を構成要素と
するガスは、HCl、Cl2 、CCl4 、C2 HCl
3 、CH2 Cl2 またはC23 Cl3 等の塩素を含有
する分子により形成することができる。
【0012】さらに、工程(2)の酸化性雰囲気が、一
酸化二窒素(N2 O)または一酸化窒素(NO)または
二酸化窒素(NO2 )などの窒素原子を含んだ雰囲気で
あって、この雰囲気によってシリコン層の表面に酸窒化
膜を形成するようにしてもよい。なお、加熱炉として
は、抵抗加熱炉または赤外線ランプ加熱炉の何れを用い
てもよい。
【0013】本発明は、単結晶シリコン基板基板上にゲ
ート絶縁膜を形成する際に有利に適用されるが、この場
合に限定されるものではない。例えば、SOI(silico
n oninsulator)などのように絶縁層上に形成されたシ
リコン層や絶縁基板上に形成されたシリコン層上に絶縁
膜を形成する場合であってもよい。また、本発明は、ゲ
ート絶縁層ばかりでなく、MOSキャパシタなどの容量
絶縁膜を形成する場合にも適用が可能なものである。
【0014】
【実施例】次に、図面を参照して、本発明の実施例につ
いて詳細に説明する。図1は、本発明の実施例における
ゲート酸化膜形成時の酸化工程を示すタイムチャートで
ある。また、図2は、図1の酸化工程によってゲート酸
化膜が形成される過程を示すウェハの概略断面図であ
る。
【0015】まず、図2(a)に示すように、シリコン
基板10の表面を選択酸化して、素子分離絶縁膜となる
LOCOS酸化膜11を形成する。その後、シリコン基
板10の表面を酸系の水溶液で洗浄した。次に、シリコ
ン基板10を石英ボートに載せて、抵抗加熱型の縦型拡
散装置の炉内に搬入する。このときの炉内は、図1の期
間T1に示すように、炉内気圧は常圧とし、700℃と
しておく。また、このときの炉内雰囲気は、酸素(O
2 )が毎分15リットル、窒素(N2 )が毎分5リット
ル流れるように調整して混合ガスの雰囲気にした。
【0016】次に、窒素(N2 )と酸素(O2 )の混合
ガス雰囲気はそのままにしておき、炉内の温度を10℃
/minで800℃まで上昇させた(図1の期間T
2)。そして、図1の期間T3に示すように、温度を8
00℃に保ったまま、炉内に毎分10リットルの酸素
(O2 )と毎分10リットルの水素(H2 )を導入する
パイロジェニック(pyrogenic )法によってシリコン基
板の表面を酸化する。これによって、図2(b)に示す
ように、シリコン基板10の表面に膜厚40Åのゲート
酸化膜12を形成した。
【0017】その後、図1の期間T4に示すように、雰
囲気を毎分20リットルで流れる窒素(N2 )に切り替
え、炉内温度を、ゲート酸化膜12を形成したときの温
度800℃から3℃/minで850℃まで昇温した。
その後、図1の期間T5に示すように、昇温を停止しウ
ェハを炉より取り出した。これによって、界面準位が極
めて少ない極薄膜のゲート酸化膜を形成することができ
た。
【0018】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の半導体装
置の製造方法は、比較的低温にて熱酸化を行い、炉内温
度を上昇させた後にウェハを酸化炉から取り出すもので
あるので、極薄で界面準位の少ない絶縁膜を高い膜厚精
度において形成することが可能になる。したがって、本
発明によれば、特性のバラツキが少なくかつ長期信頼性
の高い半導体装置を提供することが可能になる。加え
て、本発明の絶縁膜の形成方法は、非常に薄い絶縁膜を
形成する場合においてもプロセス安定性に優れているた
め、半導体装置の生産歩留まりを向上させることができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の酸化工程を示すタイムチャ
ート。
【図2】図1の酸化工程によってゲート酸化膜が形成さ
れる過程を示すウェハの概略断面図。
【図3】ウェハの出炉温度と界面準位の特性を表す実験
データ。
【符号の説明】
10 シリコン基板10 11 LOCOS酸化膜 12 ゲート酸化膜

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 (1)表面が露出したシリコン層を有す
    る基板を、酸素と窒素またはアルゴン等の不活性ガスと
    の混合ガス雰囲気中で加熱炉に搬入する工程と、 (2)前記基板を、酸化性雰囲気に晒しつつ850℃以
    下の酸化温度にて前記シリコン層の表面に極薄の絶縁膜
    を形成する工程と、 (3)非酸化性雰囲気にて前記加熱炉内の温度を前記工
    程(2)の酸化温度より高い800℃以上900℃未満
    の温度に昇温する工程と、 (4)前記工程(3)の昇温された温度にて、極薄絶縁
    膜が形成された前記基板を前記加熱炉から取り出す工程
    と、 を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 【請求項2】 前記工程(1)において、前記基板の搬
    入されるときの前記加熱炉内の温度が、300℃以上8
    00℃未満であることを特徴とする請求項1記載の半導
    体装置の製造方法。
  3. 【請求項3】 前記工程(2)において形成されるゲー
    ト絶縁膜の膜厚は、50Å未満であることを特徴とする
    請求項1または請求項記載の半導体装置の製造方法。
  4. 【請求項4】 前記工程(2)においては、水蒸気を供
    給する加湿酸化法または水蒸気を供給しない乾燥酸化法
    によって熱酸化膜を形成することを特徴とする請求項1
    〜請求項の何れか1項記載の半導体装置の製造方法。
  5. 【請求項5】 前記加熱炉は、抵抗加熱炉または赤外線
    ランプ加熱炉の何れかであることを特徴とする請求項1
    〜請求項の何れか1項記載の半導体装置の製造方法。
  6. 【請求項6】 前記工程(2)の酸化性雰囲気は、一酸
    化二窒素(N2 O)または一酸化窒素(NO)または二
    酸化窒素(NO2 )などの窒素原子を含んだ雰囲気であ
    って、該雰囲気によって前記シリコン層の表面に酸窒化
    膜を形成することを特徴とする請求項1〜請求項の何
    れか1項記載の半導体装置の製造方法。
  7. 【請求項7】 前記工程(2)の酸化性雰囲気は、ハロ
    ゲン元素を構成要素とするガスを含む雰囲気であって、
    該雰囲気によって前記シリコン層の表面に酸化膜を形成
    することを特徴とする請求項1〜請求項の何れか1項
    記載の半導体装置の製造方法。
  8. 【請求項8】 前記ハロゲン元素を構成要素とするガス
    は、HCl、Cl2、CCl4 、C2 HCl3 、CH2
    Cl2 、C23 Cl3 の何れかを用いて形成されるこ
    とを特徴とする請求項記載の半導体装置の製造方法。
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