JP3250996B2 - Silicon substrate having insulating film on surface and method and apparatus for manufacturing the same - Google Patents

Silicon substrate having insulating film on surface and method and apparatus for manufacturing the same

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JP3250996B2 JP2000014203A JP2000014203A JP3250996B2 JP 3250996 B2 JP3250996 B2 JP 3250996B2 JP 2000014203 A JP2000014203 A JP 2000014203A JP 2000014203 A JP2000014203 A JP 2000014203A JP 3250996 B2 JP3250996 B2 JP 3250996B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、表面に絶縁膜を有
するシリコン基板およびその製造方法および装置に係わ
り、特に絶縁膜の厚さが原子レベルで制御されたシリコ
ン基板およびその製造方法および装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a silicon substrate having an insulating film on its surface and a method and an apparatus for manufacturing the same, and more particularly to a silicon substrate in which the thickness of an insulating film is controlled at an atomic level and a method and an apparatus for manufacturing the same. .

【0002】[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、形成方法について多くの研究が重ねられてきてい
る。シリコン酸化膜の製造方法に関しては、S.M.SZE著
「VLSI Technology、McGRAW-Hill」、98pp.-140pp.に記述さ
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。この熱工程において半導体の酸化
過程は表面より内部に向かって進行し、酸化膜が成長す
るとともに酸化膜の界面は半導体の内部に移動していく
ことになる。
2. Description of the Related Art In a variety of semiconductor devices, a semiconductor oxide film has a very large role as an insulating film. Therefore, much research has been conducted on the film quality and formation method. Regarding silicon oxide film manufacturing method, by SMSZE
"VLSI Technology, McGRAW-Hill", 98pp.-140pp. As a method of forming a semiconductor oxide film, a thermal oxidation step of exposing a semiconductor surface to an oxygen molecular gas at high temperature and atmospheric pressure is widely used. In this thermal process, the oxidation process of the semiconductor proceeds from the surface toward the inside, and as the oxide film grows, the interface of the oxide film moves into the semiconductor.

【0003】酸化過程における酸化のメカニズムとして
は酸素分子の原子への解離とその解離した酸素原子と半
導体原子との化学結合の形成からなり、この反応は主と
して酸化膜と半導体の界面付近で発生するため、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。しかし、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。
[0003] The oxidation mechanism in the oxidation process consists of the dissociation of oxygen molecules into atoms and the formation of chemical bonds between the dissociated oxygen atoms and semiconductor atoms. This reaction occurs mainly near the interface between the oxide film and the semiconductor. Therefore, in the initial oxidation when the interface is shallow, the reaction is rate-determined and the reaction proceeds rapidly. However, as the interface becomes deeper, oxygen needs to diffuse and move from the surface to the interface, so that the oxidation reaction is diffusion-controlled by oxygen and the growth of the oxide film is gradually slowed down.

【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進行するため、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
多い。また、半導体表面の洗浄処理により、表面の未結
合ボンドが他の原子や分子によって終端されることとな
り、その後の製造工程中において低温での酸化が妨げら
れることになる。このため、この表面終端された半導体
表面をそのまま熱酸化しようとすると、例えば水素脱離
による酸化反応促進のため当初より600℃以上の高温
にする酸化工程が必要であり、1層目の酸化後急激に2
層目以降で酸化が進行することになり、酸化膜厚の不均
一さが拡大する原因ともなっていた。その後の酸化膜の
成長によって酸化速度が低下するが、不均一な界面構造
が保た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ことになってい
た。
In the initial oxidation process, which is reaction-limited,
Since the chemical adsorption of oxygen progresses rapidly, the progress of the reaction often differs depending on the location due to thermal fluctuation due to temperature or the like. In addition, due to the cleaning treatment of the semiconductor surface, unbonded bonds on the surface are terminated by other atoms and molecules, which hinders oxidation at a low temperature during a subsequent manufacturing process. For this reason, if the surface-terminated semiconductor surface is to be thermally oxidized as it is, an oxidation step of raising the temperature to 600 ° C. or higher from the beginning to accelerate the oxidation reaction by, for example, desorption of hydrogen is necessary. Suddenly 2
Oxidation progresses from the first layer onward, which causes an increase in unevenness of the oxide film thickness. Oxidation rate is reduced by subsequent growth of the oxide film, but oxidation proceeds while maintaining a non-uniform interface structure, and eventually an uneven interface is formed between the semiconductor and the oxide film. Had become.

【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。
The oxide film thus formed contains a relatively large density of states near the interface in the band gap. For example, when the oxide film is used as a gate insulating film of a MOS transistor, the variation in threshold voltage is large and the semiconductor device has a large variation in threshold voltage. Had led to a decrease in reliability.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】このように、表面を修
飾された半導体表面を高温において大気圧で熱酸化を行
う方法では、均一な酸化膜界面の形成が難しく、不均一
な酸化膜界面が形成されてしまうという問題があった。
また、清浄表面より酸化を開始するには、修飾された表
面から清浄表面を生成する必要があり、このため超高真
空又は非酸化性雰囲気で予め高温処理する必要があり、
工程の複雑さにも繋がっていた。
As described above, in the method of thermally oxidizing a semiconductor surface whose surface has been modified at a high temperature and an atmospheric pressure, it is difficult to form a uniform oxide film interface, and an uneven oxide film interface is formed. There was a problem that it would be formed.
In addition, in order to start oxidation from a clean surface, it is necessary to generate a clean surface from the modified surface, and therefore, it is necessary to perform high temperature treatment in an ultra-high vacuum or a non-oxidizing atmosphere in advance,
It also led to the complexity of the process.

【0007】一方、清浄なシリコン表面の酸化膜形成に
関しては、特許第2880993号において、酸化シリ
コンとシリコンの界面を原子レベルで平坦にできる熱酸
化工程が提示されている。しかしながら、清浄シリコン
の熱酸化工程中の不純物混入の問題は依然未解決のまま
である。
On the other hand, with regard to formation of an oxide film on a clean silicon surface, Japanese Patent No. 2,880,993 discloses a thermal oxidation step capable of flattening an interface between silicon oxide and silicon at an atomic level. However, the problem of impurity contamination during the thermal oxidation step of clean silicon remains unsolved.

【0008】本発明は、従来の製造工程から生じる素子
信頼性の低下の問題を解決するためになされたもので、
表面の未結合ボンドが不活性化されていることに着目し
て、酸化工程での不純物混入を抑制し、且つ酸化膜と半
導体の界面をより平坦で均一にした原子層レベルの酸化
膜を持つシリコン基板を提供することを目的とする。ま
た、この酸化膜に代わる絶縁膜としてのシリコン酸窒化
膜を持つシリコン基板を提供することを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the problem of reduced device reliability resulting from the conventional manufacturing process.
Focusing on the fact that unbonded bonds on the surface are inactivated, it has an atomic layer level oxide film that suppresses impurity contamination in the oxidation process and makes the interface between the oxide film and the semiconductor more flat and uniform. It is an object to provide a silicon substrate. Another object is to provide a silicon substrate having a silicon oxynitride film as an insulating film in place of the oxide film.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】上記課題を達成するた
め、本発明は、先に提案した特願平11−013134
に開示されている露出された未結合ボンド周辺のダイマ
ボンドおよびバックボンドが酸化される現象を利用す
る。本発明では、先の発明に加えて、未結合ボンドを終
端している原子のドミノ的な移動が起こる新たな発見に
着目してなされたものである。すなわち、未結合ボンド
周辺のダイマボンドおよびバックボンドが酸化される
と、その未結合ボンドが、近隣の未結合ボンドを終端し
ている原子の移動により終端され、この原子の移動によ
る新たな未結合ボンドの生成が起こること、また、この
新たな未結合ボンドにより酸化が誘発されることの発見
に着目したものである。いわば、未結合ボンドをトリガ
ーとする酸化が起こると、この未結合ボンドの近隣の未
結合ボンドを終端している原子が酸化を誘発した未結合
ボンドに移動し、これが繰り返されることによりドミノ
的な未結合ボンドを終端している原子の移動が起こる。
したがって、基板表面上に未結合ボンドをほぼ均一に分
散させることにより、短時間で全面の酸化が可能となる
ばかりでなく、酸化開始サイトを分散させることができ
るので、酸化に伴う結晶ひずみを等方化できる。これに
より特に第1層の酸化においては結晶表面に対して垂直
方向への結晶膨張が均一に起こり、酸化膜とシリコン結
晶の界面の完全性を確保できる。
In order to achieve the above-mentioned object, the present invention has been proposed in Japanese Patent Application No. 11-0113134.
Utilizes the phenomenon in which dimer bonds and back bonds around exposed unbonded bonds are oxidized. In the present invention, in addition to the above invention, the present invention has been made by focusing on a new discovery in which domino-like movement of atoms terminating an unbonded bond occurs. That is, when the dimer bond and the back bond around the unbonded bond are oxidized, the unbonded bond is terminated by the movement of atoms terminating the neighboring unbonded bond, and a new unbonded bond due to the movement of this atom is formed. And the discovery that oxidation is induced by this new unbonded bond. In other words, when oxidation that is triggered by an unbonded bond occurs, atoms terminating the unbonded bond in the vicinity of the unbonded bond move to the unbonded bond that has induced oxidation, and this is repeated, thereby causing a domino-like bond. Migration of atoms terminating unbonded bonds occurs.
Therefore, by dispersing the unbonded bonds almost uniformly on the substrate surface, not only can the entire surface be oxidized in a short time, but also the oxidation initiation site can be dispersed, so that the crystal distortion accompanying the oxidation can be reduced. Can be diversified. Thereby, particularly in the oxidation of the first layer, crystal expansion in the direction perpendicular to the crystal surface occurs uniformly, and the integrity of the interface between the oxide film and the silicon crystal can be ensured.

【0010】終端された原子の移動を利用して表面と平
行に表面第1層を完全に酸化し、その後表面より1層毎
に酸化反応を行い、その1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
比または半導体表面の温度をもしくは双方とも酸化膜の
成長とともに上昇させることで必要な厚さの原子レベル
で管理された酸化膜を作製する。
[0010] The first layer on the surface is completely oxidized in parallel with the surface by utilizing the movement of the terminated atoms, and thereafter the oxidation reaction is performed one layer at a time from the surface, and every time the oxidation reaction for each layer is completed. At the same time, by increasing the partial pressure ratio of the oxygen molecular gas to the gas that does not react with the semiconductor and / or the temperature of the semiconductor surface together with the growth of the oxide film, an oxide film having a required thickness and controlled at the atomic level is produced.

【0011】このようにして、酸化が初期の段階より層
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、原子レベルで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。
In this manner, since oxidation proceeds layer by layer from the initial stage, by increasing the partial pressure ratio of the oxygen molecular gas or the temperature of the semiconductor surface as the oxide film grows, it becomes flat and uniform at the atomic level. The oxide film grows while maintaining the interface structure.

【0012】本発明によれば、表面第1層の酸化が完了
するまでは、未結合ボンド以外の場所は原子で終端され
ているので、酸化反応中の不純物の侵入を防ぐことがで
きる。酸化反応前の未結合ボンドの数密度は、シリコン
(100)面の場合、1013/cm2程度が一応の目安
となるが、この値は酸化温度、酸素分圧によっても異な
る。ここで、酸化に代えて窒化の環境を作れば、酸化と
同様に絶縁膜としての酸窒化膜を持つシリコン基板を形
成することができる。
According to the present invention, until the oxidation of the first surface layer is completed, the portions other than the unbonded bonds are terminated with atoms, so that intrusion of impurities during the oxidation reaction can be prevented. The number density of unbonded bonds before the oxidation reaction is approximately 10 13 / cm 2 in the case of the silicon (100) surface, but this value varies depending on the oxidation temperature and the oxygen partial pressure. Here, if an environment of nitriding is formed instead of oxidation, a silicon substrate having an oxynitride film as an insulating film can be formed as in the case of oxidation.

【0013】[0013]

【発明の実施の形態】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が原
子または分子で終端されているのが望ましい。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
酸化膜の界面も平坦でなくなる可能性が高い。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS In forming an oxide film by the method of the present invention, it is desirable that a semiconductor surface which is flat at the atomic level is terminated with atoms or molecules. If the surface of the semiconductor subjected to the oxidation step is not flat, there is a high possibility that the interface of the formed oxide film is not flat.

【0014】また、第1層の酸化膜を形成する酸化工程
を、室温から500℃の間において酸素分圧と酸化時間
の積を10-6Torr・秒から10-2Torr・秒で行
うのが望ましい。工程温度が高い程、この値を小さくし
ていくことができる。
The oxidation step of forming the first oxide film is performed at a product of the oxygen partial pressure and the oxidation time of from 10 -6 Torr · sec to 10 -2 Torr · sec from room temperature to 500 ° C. Is desirable. The higher the process temperature, the smaller this value can be.

【0015】電界効果型トランジスに用いられているゲ
ート絶縁膜はトタンジスタの集積度の向上に伴い年々膜
厚が薄くなっている。たとえば1ギガビットの随時読み
出し書き出し記憶素子では膜厚を3nm以下にまで薄く
することが求められている。SiO2の膜厚がこのよう
に薄くなると、Si/SiO2界面の原子レベルでの乱
れ,SiO2中の結晶欠陥、転位、不純物による絶縁耐
圧不良などの問題が信頼性の高いSiO2絶縁膜の形成
の障害になっている。SiO2の膜厚が2nm以下にな
るとトンネル電流の増大により絶縁膜としての使用が困
難になる。このためSiO2に代わる高誘電率の絶縁材
料をシリコン表面に直接堆積する技術が求められてい
る。
The thickness of a gate insulating film used in a field effect transistor is decreasing year by year as the integration degree of a transistor is improved. For example, in a 1 gigabit random access memory device, it is required to reduce the film thickness to 3 nm or less. If the thickness of the SiO 2 is thus thinner, Si / SiO 2 interface disturbance at the atomic level, the crystal defects in the SiO 2, dislocations, problems such as dielectric breakdown voltage failure due to impurities reliable SiO 2 insulating film Is an obstacle to the formation of When the film thickness of SiO 2 is 2 nm or less, it becomes difficult to use it as an insulating film due to an increase in tunnel current. For this reason, a technique for directly depositing a high dielectric constant insulating material instead of SiO 2 on a silicon surface is required.

【0016】以下、本発明の一実施例を図面に基づいて
説明する。
An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0017】図1は、本発明の一実施形態に係わる酸化
膜の形成方法に使用される酸化膜形成装置の構造を示す
模式図である。この酸化膜形成装置は、複数の半導体基
板1を支持する移動可能なサセプタ2を収容し、電子ビ
ーム照射源3と加熱炉4を有するチャンバー5により構
成される。このチャンバー5には、雰囲気ガスとして酸
素ガス源6と窒素ガス源7と酸素ガスと窒素ガスを導入
するガス導入口8とガスの排出を制御するガス排出バル
ブ9とを備えている。酸素ガス源6と窒素ガス源7には
それぞれバルブ10、11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。加熱炉4の周囲には、
ヒーター12が配置され、温度制御装置により、制御さ
れるようになっている。
FIG. 1 is a schematic view showing the structure of an oxide film forming apparatus used in an oxide film forming method according to one embodiment of the present invention. This oxide film forming apparatus accommodates a movable susceptor 2 that supports a plurality of semiconductor substrates 1 and includes a chamber 5 having an electron beam irradiation source 3 and a heating furnace 4. The chamber 5 is provided with an oxygen gas source 6, a nitrogen gas source 7 as an atmospheric gas, a gas inlet 8 for introducing oxygen gas and nitrogen gas, and a gas discharge valve 9 for controlling gas discharge. Valves 10 and 11 are attached to the oxygen gas source 6 and the nitrogen gas source 7, respectively, so that the gas partial pressure can be controlled. Around the heating furnace 4,
A heater 12 is provided and is controlled by a temperature control device.

【0018】図2は本発明で採用した初期酸化の前のシ
リコン基板の一例の原子構造を示す模式図である。(1
00)面を主面とするシリコン基板1は希フッ酸処理さ
れて、図2に示すようにシリコン基板1の未結合ボンド
が水素により終端された構造を形成する。以下、原子構
造を示す模式図において、大きいハッチングを付した丸
で示すのはシリコン原子であり、これよりやや小さい白
丸で示すのは酸素原子であり、最も小さい黒丸は水素原
子を表す。この場合、最外表面の隣接するシリコン原子
は、図の左側にあるようにダイマーボンドにより結合さ
れる場合と、独立した二つの水素終端とを持つ場合とが
有る。この水素終端したシリコン基板1をサセプタ2上
に設置し、室温においてバルブ9、11を開、バルブ1
0を閉とすることによりチャンバー4内の雰囲気を窒素
ガスのみとした後バルブ9、11を閉とする。そこで、
電子ビーム照射源3によりシリコン基板1に電子ビーム
を照射する。電子ビーム照射源3は、所定の電子密度と
することおよび万遍なくシリコン基板1に電子ビームを
照射するためには、所定の電子密度の電子線ビームでシ
リコン基板1表面をスキャンするのが良い。
FIG. 2 is a schematic diagram showing the atomic structure of an example of the silicon substrate before the initial oxidation employed in the present invention. (1
The silicon substrate 1 having the (00) plane as a main surface is treated with diluted hydrofluoric acid to form a structure in which unbonded bonds of the silicon substrate 1 are terminated with hydrogen as shown in FIG. Hereinafter, in the schematic diagram showing the atomic structure, a circle with a large hatching indicates a silicon atom, a slightly smaller white circle indicates an oxygen atom, and a smallest black circle indicates a hydrogen atom. In this case, adjacent silicon atoms on the outermost surface may be bonded by a dimer bond as shown on the left side of the drawing, or may have two independent hydrogen terminations. This hydrogen-terminated silicon substrate 1 is placed on the susceptor 2, and valves 9 and 11 are opened at room temperature.
By closing 0, the atmosphere in the chamber 4 is changed to only nitrogen gas, and then the valves 9 and 11 are closed. Therefore,
The silicon substrate 1 is irradiated with an electron beam from an electron beam irradiation source 3. The electron beam irradiation source 3 preferably scans the surface of the silicon substrate 1 with an electron beam having a predetermined electron density in order to obtain a predetermined electron density and uniformly irradiate the silicon substrate 1 with an electron beam. .

【0019】図3は、未結合ボンドが水素により終端さ
れたシリコン基板1が電子ビームを照射されたことによ
り、シリコン表面に部分的に水素の脱離した未結合ボン
ドを生成した原子構造を示す模式図である。
FIG. 3 shows an atomic structure in which a silicon substrate 1 in which unbonded bonds are terminated by hydrogen is irradiated with an electron beam to form unbonded bonds in which hydrogen is partially desorbed on the silicon surface. It is a schematic diagram.

【0020】この状態で、シリコン基板1を搭載したサ
セプタ2を炉心部分に移動し、基板温度を200℃まで
上昇させるとともに、バルブ9、10の開閉操作によ
り、チャンバー4内の酸素ガスを10―6Torrの酸
素分圧として、この温度のまま1分間維持する。この操
作により、シリコン表面の未結合ボンドへの酸素分子の
吸着が起こり、この酸素分子が酸素原子に解離してダイ
マボンド、バックボンドに吸着されてシリコン原子が酸
化される。このとき、水素原子にとっては酸化されてい
るシリコン原子と結合した方がエネルギーが低くなるの
で、同じダイマボンド列にあるシリコン原子のシリコン
表面を終端している水素原子がこの新しい未結合ボンド
に移動する。かくして新たな未結合ボンドを持つシリコ
ン原子が酸化される。このようにして、シリコン表面を
終端している原子が除去されて未結合ボンドとなると、
この未結合ボンドへの酸素分子の吸着をトリガーとし
て、終端原子のドミノ的な移動が起こる。
In this state, the susceptor 2 on which the silicon substrate 1 is mounted is moved to the core, the substrate temperature is raised to 200 ° C., and the valves 9 and 10 are opened and closed to reduce the oxygen gas in the chamber 4 to 10 −. This temperature is maintained for one minute at an oxygen partial pressure of 6 Torr. By this operation, adsorption of oxygen molecules to unbonded bonds on the silicon surface occurs, and the oxygen molecules dissociate into oxygen atoms and are adsorbed by dimer bonds and back bonds, thereby oxidizing the silicon atoms. At this time, since the energy of hydrogen atoms is lower when bonded to oxidized silicon atoms, hydrogen atoms terminating the silicon surface of silicon atoms in the same dimer bond row move to this new unbonded bond . Thus, silicon atoms having new unbonded bonds are oxidized. In this way, when the atoms terminating the silicon surface are removed and become unbonded bonds,
The adsorption of the oxygen molecule to the unbonded bond triggers the domino movement of the terminal atom.

【0021】この結果、シリコン表面が全面的に酸化さ
れることになる。この際、シリコン表面は、酸素分子の
雰囲気に曝されているわけであるが、上述の未結合ボン
ドへの酸素分子の吸着による酸化が最も低エネルギーに
より進むために、第2層への酸化は起きにくく、第1層
のみが酸化されることになる。
As a result, the entire silicon surface is oxidized. At this time, the silicon surface is exposed to the atmosphere of oxygen molecules. However, since the oxidation by the adsorption of oxygen molecules to the unbonded bond proceeds at the lowest energy, the oxidation to the second layer is not performed. It hardly occurs and only the first layer is oxidized.

【0022】以下、この酸化現象を図4から図9を参照
しながらもう少し具体的に説明する。
Hereinafter, this oxidation phenomenon will be described more specifically with reference to FIGS.

【0023】図4および図5は、図2および図3に示す
原子構造の一部を3次元的に表現した図である。
FIGS. 4 and 5 are diagrams three-dimensionally expressing a part of the atomic structure shown in FIGS. 2 and 3. FIG.

【0024】図4においてS1−S9で示すのはシリコン
原子、H1−H4はシリコン基板の最表面を終端している
水素原子である。シリコン原子S1−S5は図2に示す左
側最上段に示される5角形を形成している原子に対応す
る。シリコン原子S1はシリコン原子S5とダイマボンド
で結合されるとともに、シリコン原子S2とバックボン
ドで結合される。また、シリコン原子S5はシリコン原
子S4とバックボンドで結合される。さらに、シリコン
原子S1は、背面にあるシリコン原子S6とバックボンド
で結合され、また、シリコン原子S5は、背面にあるシ
リコン原子S7とバックボンドで結合される。背面にあ
るシリコン原子S6はバックボンドでシリコン原子S8
結合され、また、シリコン原子S7はバックボンドでシ
リコン原子S9と結合される。さらに、シリコン原子S8
はシリコン原子S9とダイマボンドで結合される。さら
にシリコン基板の最表面にあるシリコン原子は、水素原
子H1−H4で終端されている。このようにして、参照符
号を付さなかった原子も含めて、第1層のシリコン原子
は[110]の方向に伸びている。
In FIG. 4, S 1 -S 9 are silicon atoms, and H 1 -H 4 are hydrogen atoms terminating the outermost surface of the silicon substrate. The silicon atoms S 1 -S 5 correspond to the atoms forming the pentagon shown on the upper left side in FIG. The silicon atom S 1 is bonded to the silicon atom S 5 by a dimer bond, and is also bonded to the silicon atom S 2 by a back bond. The silicon atom S 5 is bonded with a silicon atom S 4 and the back bond. Further, the silicon atom S 1 is bonded to the silicon atom S 6 on the back surface by a back bond, and the silicon atom S 5 is bonded to the silicon atom S 7 on the back surface by a back bond. The silicon atom S 6 on the back surface is bonded to the silicon atom S 8 by a back bond, and the silicon atom S 7 is bonded to the silicon atom S 9 by a back bond. Furthermore, silicon atom S 8
Is bonded to the silicon atom S 9 by a dimer bond. Further, silicon atoms on the outermost surface of the silicon substrate are terminated with hydrogen atoms H 1 -H 4 . In this way, the silicon atoms in the first layer, including those without reference numerals, extend in the [110] direction.

【0025】図5に示すように、たとえば、電子線照射
により、シリコン原子S1を終端している水素原子H1
除去されて未結合ボンドD1が形成されると、酸素ガス
の雰囲気中にあるシリコン基板表面の未結合ボンドD1
には酸素分子が吸着される。
As shown in FIG. 5, for example, by electron beam irradiation, the silicon atom S 1 dangling bonds D 1 is removed hydrogen atom H 1 terminating a is formed in an atmosphere of oxygen gas Bond D 1 on the silicon substrate surface
Adsorbs oxygen molecules.

【0026】図6はこの状態示す原子構造を示す模式図
であり、未結合ボンドD1には酸素分子O1−O2が結合
している。この状態は安定しないから、酸素分子O1
2は酸素原子O1、O2に解離して、たとえば、ダイマ
ボンドあるいはバックボンドに吸着される。
FIG. 6 is a schematic diagram showing an atomic structure showing this state, and oxygen molecules O 1 -O 2 are bonded to the unbonded bond D 1 . Since this state is not stable, the oxygen molecule O 1
O 2 dissociates into oxygen atoms O 1 and O 2 and is adsorbed on, for example, a dimer bond or a back bond.

【0027】図7は、酸素分子が酸素原子O1、O2に解
離して、シリコン原子S1とシリコン原子S5とを結合す
るダイマボンドおよびシリコン原子S1とシリコン原子
2とを結合するバックボンドに吸着された状態を示
す。このとき、水素原子にとっては酸素分子O1−O2
失った未結合ボンドD1と結合した方がエネルギー的に
安定となるので、ダイマボンドで結合されているシリコ
ン原子S8を終端していた水素原子H3が移動して水素原
子H3により終端されるとともに、シリコン原子S8に新
たに未結合ボンドD2が生成されている。
FIG. 7 shows that oxygen molecules dissociate into oxygen atoms O 1 and O 2 to bond silicon atoms S 1 and silicon atoms S 5 and dimer bonds and silicon atoms S 1 and silicon atoms S 2. This shows the state of being adsorbed by the back bond. At this time, for the hydrogen atom because people bound to dangling bonds D 1 lost oxygen molecule O 1 -O 2 is energetically stable, had terminated silicon atoms S 8 that are joined by Daimabondo The hydrogen atom H 3 moves and is terminated by the hydrogen atom H 3 , and an unbonded bond D 2 is newly generated in the silicon atom S 8 .

【0028】図8は、図6と同様に、新たに生成された
未結合ボンドD2に酸素分子O3−O4が吸着した状態の
原子構造を示す模式図である。この状態は、図6と同じ
であり、上述したように、酸素分子は酸素原子の解離し
て、ダイマボンドあるいはバックボンドに入り込む。
FIG. 8 is a schematic diagram showing an atomic structure in a state where oxygen molecules O 3 -O 4 are adsorbed to a newly formed unbonded bond D 2 , similarly to FIG. This state is the same as FIG. 6, and as described above, the oxygen molecules dissociate the oxygen atoms and enter the dimer bond or the back bond.

【0029】図9は、図7と同様に、図8の原子構造の
未結合ボンドD2に吸着された酸素分子O3−O4が酸素
原子O3、O4に解離してシリコン原子S8とシリコン原
子S9とを結合するダイマボンドおよびシリコン原子S5
とシリコン原子S4とを結合するバックボンドに吸着さ
れた状態を示す。このとき、図7で説明したと同様に、
新たに未結合ボンドD3が生成されている。
FIG. 9 shows that the oxygen molecules O 3 -O 4 adsorbed on the unbonded bond D 2 in the atomic structure of FIG. 8 dissociate into oxygen atoms O 3 and O 4 , as in FIG. Dimer bond bonding silicon 8 and silicon atom S 9 and silicon atom S 5
FIG. 4 shows a state in which silicon is adsorbed by a back bond that bonds silicon atoms and silicon atoms S 4 . At this time, as described with reference to FIG.
New is dangling bonds D 3 is generated.

【0030】ここで、図4−図9の説明では、バックボ
ンドのいくつかは酸化から取り残されたようにみえる
が、このバックボンドも酸化が進む過程で、いずれ酸化
されるから、問題となることはない。すなわち、未結合
ボンドへの酸素分子の結合は1回に限られるわけではな
く、酸素分子が吸着して酸素原子に解離される現象が何
度か繰り返されることもある。未結合ボンドへの水素原
子が吸着される場合と、酸素分子が結合する場合につい
て見ると、シリコン基板の表面の温度が高いときは、未
結合ボンドへの水素原子が吸着されやすく、周辺ガスの
酸素分圧が高いときは酸素分子が結合し易い。したがっ
て、両者の制御を工夫すれば、いずれはシリコン基板表
面のダイマボンドおよびバックボンドを全て酸化するこ
とができる。
Here, in the description of FIG. 4 to FIG. 9, some of the back bonds appear to be left out of the oxidation, but this back bond is also oxidized in the course of the oxidation, which is a problem. Never. That is, the bonding of the oxygen molecule to the unbonded bond is not limited to one time, and the phenomenon in which the oxygen molecule is adsorbed and dissociated into oxygen atoms may be repeated several times. Looking at the case where hydrogen atoms are adsorbed to unbonded bonds and the case where oxygen molecules are bonded, when the temperature of the surface of the silicon substrate is high, hydrogen atoms are easily adsorbed to unbonded bonds, When the oxygen partial pressure is high, oxygen molecules are easily bonded. Therefore, if the control of both is devised, it is possible to eventually oxidize all dimer bonds and back bonds on the silicon substrate surface.

【0031】本実施例で問題があるとすれば、この未結
合ボンドを終端している原子のドミノ的な移動はダイマ
ー列内でしか起きないから、図1で説明した電子線照射
により生成される未結合ボンドが、もし、あるダイマー
列には一つも出来なかったときには、このダイマー列は
酸化の処理がなされないことになりうる。しかし、この
確率は極めて低い上に、周辺の未結合ボンドで解離した
酸素原子により酸化が進められることになり、本質的な
問題とはならない。
If there is a problem in the present embodiment, the domino-like movement of the atoms terminating the unbonded bonds occurs only in the dimer row, so that the atoms generated by the electron beam irradiation described with reference to FIG. If no unbonded bond is formed in one dimer row, the dimer row may not be subjected to oxidation treatment. However, this probability is extremely low, and oxidation is promoted by oxygen atoms dissociated by the surrounding unbonded bonds, so that this is not an essential problem.

【0032】図10は、上述した第1の酸化処理によ
り、シリコン基板1の第1層めのバックボンドやダイマ
ーボンドのすべてが酸化した原子構造を示す模式図であ
る。図で100はシリコン層と酸化層との界面を示す。
FIG. 10 is a schematic diagram showing an atomic structure in which all the back bonds and dimer bonds of the first layer of the silicon substrate 1 are oxidized by the above-described first oxidation treatment. In the figure, 100 indicates the interface between the silicon layer and the oxide layer.

【0033】この状態で、再度バルブ9,10および1
1を開閉操作してチャンバー4内の雰囲気を窒素ガスの
みにして、基板温度を10分間で500℃まで上昇させ
る。その後、バルブ9および10を開閉操作して、チャ
ンバー4内の酸素ガスを10―5Torrの酸素分圧ま
で上昇させて、この温度のまま10分間維持する。この
酸化処理では、上述した第1の酸化層は影響を受けず、
第2層の酸化のみが進行する。
In this state, the valves 9, 10 and 1
1 is opened and closed to set the atmosphere in the chamber 4 to only nitrogen gas, and the substrate temperature is raised to 500 ° C. in 10 minutes. Thereafter, the valves 9 and 10 are opened and closed to raise the oxygen gas in the chamber 4 to an oxygen partial pressure of 10 −5 Torr, and this temperature is maintained for 10 minutes. In this oxidation treatment, the first oxide layer described above is not affected,
Only oxidation of the second layer proceeds.

【0034】図11は、上述した第2の酸化処理によ
り、シリコン基板1の第2層めのボンドのすべてが酸化
した原子構造を示す模式図である。図で200はシリコ
ン層と酸化層との界面を示す。
FIG. 11 is a schematic diagram showing an atomic structure in which all the bonds in the second layer of the silicon substrate 1 are oxidized by the above-described second oxidation treatment. In the figure, reference numeral 200 denotes an interface between the silicon layer and the oxide layer.

【0035】この状態で、再度バルブ9、10および1
1を開閉操作してチャンバー4内の雰囲気を窒素ガスの
みにして、基板温度を10分間で700℃まで上昇させ
る。その後、バルブ9および10を開閉操作してチャン
バー4内の酸素ガスを10―3Torrの酸素分圧まで
上昇させて、この温度のまま10分間維持する。この酸
化処理でも、上述した第1および第2の酸化層は影響を
受けず、第3層の酸化のみが進行する。
In this state, the valves 9, 10 and 1
1 is opened and closed to change the atmosphere in the chamber 4 to only nitrogen gas, and the substrate temperature is raised to 700 ° C. in 10 minutes. Thereafter, the valves 9 and 10 are opened and closed to raise the oxygen gas in the chamber 4 to an oxygen partial pressure of 10 −3 Torr, and this temperature is maintained for 10 minutes. Even in this oxidation treatment, the first and second oxide layers described above are not affected, and only the oxidation of the third layer proceeds.

【0036】図12は、上述した第3の酸化処理によ
り、シリコン基板1の第3層めのボンドのすべてが酸化
した原子構造を示す模式図である。図で300はシリコ
ン層と酸化層との界面を示す。
FIG. 12 is a schematic diagram showing an atomic structure in which all the bonds in the third layer of the silicon substrate 1 are oxidized by the above-described third oxidation treatment. In the figure, reference numeral 300 denotes an interface between the silicon layer and the oxide layer.

【0037】その後、酸素分圧を大気と同じレベルにま
で上げ、基板温度を850℃にまで上げて20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30Åの膜厚のシリコン酸化膜が形成される。
After that, when the oxygen partial pressure is raised to the same level as that of the atmosphere, the substrate temperature is raised to 850 ° C., and the substrate is exposed for 20 minutes, the oxidation reaction becomes diffusion-controlled, and the oxidation proceeds while maintaining a uniform interface structure. Then, a silicon oxide film having a thickness of 30 ° having a flat structure at the atomic level is formed.

【0038】なお、本実施例では、酸化工程を始める前
に電子ビームにより基板表面上の水素を一部脱離させた
が、水素の脱離は熱工程などによっても可能であり、脱
離の方法としてはあらゆる可能性が考えられる。
In this embodiment, the hydrogen on the substrate surface is partially desorbed by the electron beam before the oxidation step is started. However, the desorption of hydrogen can be performed by a heat step or the like. All possibilities are conceivable.

【0039】また、窒素ガスの代わりに半導体と反応し
ない限りにおいてあらゆるガス種、例えば、アルゴン等
の不活性ガスを用いることができる。また、半導体とし
ては、シリコン基板以外に酸化反応を起こすあらゆる半
導体の酸化膜形成に応用することができる。
In place of nitrogen gas, any kind of gas, for example, an inert gas such as argon can be used as long as it does not react with the semiconductor. Further, as a semiconductor, it can be applied to formation of an oxide film of any semiconductor that causes an oxidation reaction other than a silicon substrate.

【0040】以上説明した酸化膜形成方法は、図13に
示すようなMOSFETのゲート絶縁膜の形成に適用す
ることができる。即ち、図13に示すように、シリコン
基板13にフィールド酸化膜14を形成し、このフィー
ルド酸化膜14により分離された素子領域表面に、ゲー
ト酸化膜15およびゲート電極16を形成し、イオン注
入によりソース領域17aおよびドレイン領域17bを
形成して、MOSFETが得られる。この場合、膜厚3
0オングストロームのゲート酸化膜15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。
The oxide film forming method described above can be applied to the formation of a gate insulating film of a MOSFET as shown in FIG. That is, as shown in FIG. 13, a field oxide film 14 is formed on a silicon substrate 13, a gate oxide film 15 and a gate electrode 16 are formed on the surface of an element region separated by the field oxide film 14, and ion implantation is performed. By forming the source region 17a and the drain region 17b, a MOSFET is obtained. In this case, the film thickness 3
The gate oxide film 15 of 0 Å can be formed by the oxide film forming method of the present invention.

【0041】このようにして形成されたゲート酸化膜1
5は、その界面が極めて均一であり、その結果得られた
MOSFETは、しきい値電圧のばらつきが少なく、安
定した特性を示す。
The gate oxide film 1 thus formed
In No. 5, the interface is extremely uniform, and the MOSFET obtained as a result has a small variation in threshold voltage and exhibits stable characteristics.

【0042】なお、本実施例では、シリコン酸化膜の形
成について説明したが、本発明の原理は、半導体デバイ
スに有用な絶縁膜としてのシリコン酸窒化膜の均一な生
成への応用が可能である。すなわち、酸素ガスに代え酸
化窒素ガス(NO)あるいは酸素ガスと酸化窒素ガスの
混合ガス(O2+NO)の雰囲気中で前述の酸化処理と
同様の処理を行えばよい。
In this embodiment, the formation of a silicon oxide film has been described. However, the principle of the present invention can be applied to the uniform formation of a silicon oxynitride film as an insulating film useful for a semiconductor device. . That is, the same treatment as the above-described oxidation treatment may be performed in an atmosphere of nitrogen oxide gas (NO) or a mixed gas of oxygen gas and nitrogen oxide gas (O 2 + NO) instead of oxygen gas.

【0043】本発明によれば、絶縁性の金属酸化物薄膜
の堆積基板として有用な原子層酸化膜を形成することが
できる。Ta25やBaTiO3などの金属酸化物をシ
リコン基板上に成膜する場合、従来、金属シリサイドの
形成によって回路が短絡するのを防ぐためにシリコン酸
化膜がバッファー層として使用されていたが、本発明に
よれば、原子層酸化膜は絶縁性のシリコン酸化膜として
形成されていて、さらに最表面が水素原子などで覆われ
ているので、金属原子とシリコン原子の反応を抑えるこ
とができ、金属シリサイドが形成されることを防ぐ効果
がある。
According to the present invention, an atomic layer oxide film useful as a deposition substrate for an insulating metal oxide thin film can be formed. When a metal oxide such as Ta 2 O 5 or BaTiO 3 is formed on a silicon substrate, conventionally, a silicon oxide film has been used as a buffer layer in order to prevent a circuit from being short-circuited by formation of a metal silicide. According to the present invention, the atomic layer oxide film is formed as an insulating silicon oxide film, and since the outermost surface is covered with hydrogen atoms or the like, it is possible to suppress the reaction between metal atoms and silicon atoms, This has the effect of preventing the formation of metal silicide.

【0044】[0044]

【発明の効果】本発明では、第1層のみを未結合ボンド
より酸化してその後の酸化を容易にし、第2層以下では
酸素ガスにより、酸化膜の成長に伴って窒素ガス中の酸
素ガスの分圧と基板温度を上げていくことにより層毎の
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、例えば、MOS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。
According to the present invention, only the first layer is oxidized from the unbonded bond to facilitate the subsequent oxidation. In the second and lower layers, the oxygen gas in the nitrogen gas is used by the oxygen gas as the oxide film grows. By increasing the partial pressure and the substrate temperature, it becomes possible to form an oxide film for each layer, a flat interface at the atomic level is formed, and the density of states in the band gap near the interface is greatly reduced. When applied as a gate oxide film of a MOS transistor, it is possible to form an element that performs uniform and stable operation with little variation in threshold voltage.

【0045】なお、本発明では、第1層のみ水素の拡散
を利用して酸化しているため、水素終端された半導体表
面でも比較的低温で層毎の酸化が可能という利点があ
る。
In the present invention, since only the first layer is oxidized by utilizing the diffusion of hydrogen, there is an advantage that the oxidation of each layer can be performed at a relatively low temperature even on the hydrogen-terminated semiconductor surface.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の一実施形態に係わる酸化膜の形成方法
に使用される酸化膜形成装置の構造を示す模式図。
FIG. 1 is a schematic view showing a structure of an oxide film forming apparatus used in an oxide film forming method according to an embodiment of the present invention.

【図2】本発明で採用した初期酸化の前のシリコン基板
の一例の原子構造を示す模式図。
FIG. 2 is a schematic view showing an atomic structure of an example of a silicon substrate before initial oxidation employed in the present invention.

【図3】未結合ボンドが水素により終端されたシリコン
基板1が電子ビームを照射されたことにより、シリコン
表面に部分的に水素の脱離した未結合ボンドを生成した
原子構造を示す模式図。
FIG. 3 is a schematic view showing an atomic structure in which an unbonded bond in which hydrogen is partially eliminated is generated on a silicon surface by irradiating an electron beam to a silicon substrate 1 in which unbonded bonds are terminated by hydrogen.

【図4】図2に対応する原子構造の一部を3次元的に表
現した図。
FIG. 4 is a diagram three-dimensionally expressing a part of the atomic structure corresponding to FIG. 2;

【図5】図3に対応する原子構造の一部を3次元的に表
現した図。
FIG. 5 is a diagram three-dimensionally expressing a part of the atomic structure corresponding to FIG. 3;

【図6】図5の原子構造の未結合ボンドに酸素分子が吸
着した状態の原子構造を示す模式図。
FIG. 6 is a schematic diagram showing an atomic structure in a state where oxygen molecules are adsorbed to an unbonded bond having the atomic structure in FIG. 5;

【図7】図6の原子構造の未結合ボンドに吸着された酸
素分子が酸素原子に解離してダイマボンドおよびバック
ボンドの一つに吸着するとともに、終端原子が移動して
新たに未結合ボンドが生成された状態の原子構造を示す
模式図。
FIG. 7 shows that oxygen molecules adsorbed on the unbonded bond having the atomic structure shown in FIG. 6 dissociate into oxygen atoms and are adsorbed on one of the dimer bond and the back bond, and the terminating atom moves to form a new unbonded bond. FIG. 4 is a schematic view showing an atomic structure in a generated state.

【図8】図7の新たに生成された未結合ボンドに酸素分
子が吸着した状態の原子構造を示す模式図。
FIG. 8 is a schematic view showing an atomic structure in a state where oxygen molecules are adsorbed on a newly generated unbonded bond of FIG. 7;

【図9】図8の原子構造の未結合ボンドに吸着された酸
素分子が酸素原子に解離してダイマボンドおよびバック
ボンドの一つに吸着するとともに、終端原子が移動して
新たに未結合ボンドが生成された状態の原子構造を示す
模式図。
FIG. 9 shows that an oxygen molecule adsorbed on an unbonded bond having the atomic structure of FIG. 8 dissociates into an oxygen atom and is adsorbed on one of a dimer bond and a back bond, and a terminating atom moves to form a new unbonded bond. FIG. 4 is a schematic view showing an atomic structure in a generated state.

【図10】第1の酸化処理により、シリコン基板1の第
1層めのバックボンドやダイマーボンドのすべてが酸化
した原子構造を示す模式図。
FIG. 10 is a schematic diagram showing an atomic structure in which all of a back bond and a dimer bond of a first layer of a silicon substrate 1 are oxidized by a first oxidation treatment.

【図11】第2の酸化処理により、シリコン基板1の第
2層めのバックボンドやダイマーボンドのすべてが酸化
した原子構造を示す模式図。
FIG. 11 is a schematic view showing an atomic structure in which all of a back bond and a dimer bond of a second layer of the silicon substrate 1 are oxidized by a second oxidation treatment.

【図12】第3の酸化処理により、シリコン基板1の第
3層めのバックボンドやダイマーボンドのすべてが酸化
した原子構造を示す模式図。
FIG. 12 is a schematic view showing an atomic structure in which all of a back bond and a dimer bond of a third layer of the silicon substrate 1 are oxidized by a third oxidation treatment.

【図13】本発明の実施例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。
FIG. 13 is a sectional view showing a MOSFET having a gate oxide film formed according to an embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1:半導体基板、2:サセプタ、3:電子ビーム照射
源、4:加熱炉、5:チャンバー、6:酸素ガス源、
7:窒素ガス源、8:ガス導入口、9:ガス排出口、1
0,11:バルブ、12:ヒーター、13:シリコン基
板、14:フィールド酸化膜、15:ゲート酸化膜、1
6:ゲート電極、17a:ソース領域、17b:ドレイ
ン領域、S:シリコン原子、H:水素原子。
1: semiconductor substrate, 2: susceptor, 3: electron beam irradiation source, 4: heating furnace, 5: chamber, 6: oxygen gas source,
7: nitrogen gas source, 8: gas inlet, 9: gas outlet, 1
0, 11: valve, 12: heater, 13: silicon substrate, 14: field oxide film, 15: gate oxide film, 1
6: gate electrode, 17a: source region, 17b: drain region, S: silicon atom, H: hydrogen atom.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 橋詰 富博 埼玉県比企郡鳩山町赤沼2520番地 株式 会社日立製作所 基礎研究所内 (72)発明者 平家 誠嗣 埼玉県比企郡鳩山町赤沼2520番地 株式 会社日立製作所 基礎研究所内 (72)発明者 宇田 毅 埼玉県比企郡鳩山町赤沼2520番地 株式 会社日立製作所 基礎研究所内 (72)発明者 加藤 弘一 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株式会社東芝 研究開発センター内 (72)発明者 内山 登志弘 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 平11−54503(JP,A) 特開 平11−176828(JP,A) 特開 平11−189497(JP,A) 特開 平11−168097(JP,A) 特開 平9−64030(JP,A) 特開 昭63−7372(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/312 H01L 21/314 H01L 21/316 H01L 21/318 H01L 21/31 H01L 21/02 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Tomihiro Hashizume 2520 Akanuma-cho, Hatoyama-cho, Hiki-gun, Saitama Prefecture Inside Hitachi, Ltd. Basic Research Laboratory Co., Ltd. Within the Basic Research Laboratories (72) Inventor Takeshi Uda 2520 Akanuma, Hatoyama-cho, Hiki-gun, Saitama Prefecture Within the Basic Research Laboratories, Hitachi, Ltd. Inside the Center (72) Inventor Toshihiro Uchiyama 1006 Odakadoma, Kadoma City, Osaka Prefecture Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. (56) References JP-A-11-54503 (JP, A) JP-A-11-176828 (JP, A) JP-A-11-189497 (JP, A) JP-A-11-168097 (JP, A) JP-A-9-64030 (JP, A) JP-A-63 −7372 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) H01L 21/312 H01L 21/314 H01L 21/316 H01L 21/318 H01L 21/31 H01L 21/02

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】水素原子または重水素原子によって表面の
未結合ボンドが終端されているシリコン(100)面の
2×1再構成表面あるいは1×1再構成表面を持つシリ
コン基板であって、該基板を終端している水素原子また
は重水素原子を基板表面全域を1013/cm程度の
数密度で除去した後に酸素原子を含む分子ガスと反応さ
せることにより作製した絶縁膜を表面の全面に有するこ
とを特徴とするシリコン基板。
1. A silicon substrate having a 2 × 1 reconstructed surface or 1 × 1 reconstructed surface of a silicon (100) surface in which unbonded bonds on the surface are terminated by hydrogen atoms or deuterium atoms. An insulating film formed by removing hydrogen atoms or deuterium atoms terminating the substrate at a number density of about 10 13 / cm 2 on the entire surface of the substrate and then reacting with an oxygen atom-containing molecular gas to cover the entire surface. A silicon substrate comprising:
【請求項2】水素原子または重水素原子によって表面の
未結合ボンドが終端されているシリコン(100)面の
2×1再構成表面あるいは1×1再構成表面を持つシリ
コン基板であって、該基板を終端している水素原子また
は重水素原子を基板表面全域を1013/cm程度の
数密度で除去した後に酸素原子を含む分子ガスと反応さ
せるとともに、該反応後に前記水素原子または重水素原
子が基板表面から離脱する500℃を超える温度範囲
で、所定の酸素分圧の酸素ガスを有する雰囲気中で酸化
する工程を加えることにより基板全面にわたり表面から
2または3層目までの酸化がなされたことを特徴とする
シリコン基板。
2. A silicon substrate having a 2 × 1 reconstructed surface or a 1 × 1 reconstructed surface of a silicon (100) surface in which unbonded bonds are terminated by hydrogen atoms or deuterium atoms. After removing the hydrogen atoms or deuterium atoms terminating the substrate over the entire surface of the substrate at a number density of about 10 13 / cm 2 , the substrate is reacted with a molecular gas containing oxygen atoms. By adding an oxidizing step in an atmosphere having an oxygen gas at a predetermined oxygen partial pressure in a temperature range exceeding 500 ° C. where atoms are detached from the substrate surface, oxidation is performed up to the second or third layer from the surface over the entire surface of the substrate. A silicon substrate characterized in that:
【請求項3】水素原子または重水素原子によって表面の
未結合ボンドが終端されているシリコン(100)面の
2×1再構成表面あるいは1×1再構成表面を持つ基板
を準備すること、 該基板表面を終端している水素原子または重水素原子を
基板表面全域を1013/cm程度の数密度で除去す
ること、 前記終端している水素原子または重水素原子を除去され
た基板表面を室温以上500℃以下の温度範囲で、所定
の酸素分圧の酸素ガスを有する雰囲気中で酸化する工程
を有することを特徴とする表面の全面に絶縁膜を有する
シリコン基板の製造方法。
3. A substrate having a 2 × 1 reconstructed surface or a 1 × 1 reconstructed surface of a silicon (100) surface in which unbonded bonds on the surface are terminated by hydrogen atoms or deuterium atoms, Removing hydrogen atoms or deuterium atoms terminating the substrate surface over the entire surface of the substrate at a number density of about 10 13 / cm 2 , removing the substrate surface from which the terminating hydrogen atoms or deuterium atoms have been removed. A method for manufacturing a silicon substrate having an insulating film over the entire surface, comprising a step of oxidizing in an atmosphere having an oxygen gas at a predetermined oxygen partial pressure in a temperature range from room temperature to 500 ° C. or lower.
【請求項4】前記酸化工程後に、前記水素原子または重
水素原子が基板表面から離脱する500℃を超える温度
範囲で、所定の酸素分圧の酸素ガスを有する雰囲気中で
酸化する工程を付加した請求項3記載のシリコン基板製
造方法。
4. The method according to claim 1, further comprising, after the oxidizing step, oxidizing in an atmosphere having an oxygen gas at a predetermined oxygen partial pressure in a temperature range exceeding 500 ° C. at which the hydrogen atoms or deuterium atoms separate from the substrate surface. The method for manufacturing a silicon substrate according to claim 3.
【請求項5】前記酸化が酸素ガスの酸素分圧と酸化時間
の積を10−6Torr・秒以上10−2Torr・秒
以下の範囲として表面にSiOの絶縁膜を有する請求
項3または4記載のシリコン基板の製造方法。
5. The method according to claim 3, wherein the oxidation has a product of the oxygen partial pressure of the oxygen gas and the oxidation time in the range of 10 −6 Torr · sec or more and 10 −2 Torr · sec or less, and has an insulating film of SiO 2 on the surface. 5. The method for manufacturing a silicon substrate according to 4.
【請求項6】前記酸素ガスによる酸化に代えて、酸化窒
素ガスまたはこれと酸素ガスの混合ガスによる酸窒化が
行われて、表面に絶縁膜としてのシリコン酸窒化膜を有
する請求項3または4記載のシリコン基板の製造方法。
6. An oxynitriding process using a nitrogen oxide gas or a mixed gas of the nitrogen gas and the oxygen gas instead of the oxidation using the oxygen gas, and having a silicon oxynitride film as an insulating film on the surface. A method for manufacturing a silicon substrate as described above.
【請求項7】表面が水素原子または重水素原子で終端さ
れているシリコン基板を保持しおよび移動させる第1の
手段と、該第1の手段の周辺を所定のガス分圧および温
度を持つ雰囲気に制御する手段と、前記第1の手段に保
持されたシリコン基板表面のシリコン原子Sを終端し
ている水素原子または重水素原子を基板表面全域を10
13/cm程度の数密度で除去して未結合ボンドを形
成するために電子線を照射する手段とよりなることを特
徴とするシリコン基板の製造装置。
7. A first means for holding and moving a silicon substrate whose surface is terminated by hydrogen atoms or deuterium atoms, and an atmosphere having a predetermined gas partial pressure and temperature around the first means. And hydrogen atoms or deuterium atoms terminating the silicon atoms S 1 on the surface of the silicon substrate held by the first means over the entire surface of the substrate.
An apparatus for manufacturing a silicon substrate, comprising: means for irradiating an electron beam to form an unbonded bond by removing at a number density of about 13 / cm 2 .
【請求項8】前記ガス分圧および温度を持つ雰囲気に制
御する手段が、終端している水素原子または重水素原子
が基板表面全域を1013/cm程度の数密度で除去
された基板表面を室温以上500℃以下の温度範囲で、
所定の酸素分圧の酸素ガスを有する雰囲気中で酸化する
工程と、前記酸化工程後に、前記水素原子または重水素
原子が基板表面から離脱する500℃を超える温度範囲
で、所定の酸素分圧の酸素ガスを有する雰囲気中で酸化
する工程との二つの工程を持つものである請求項7記載
のシリコン基板製造装置
8. A method for controlling an atmosphere having a gas partial pressure and a temperature, wherein the terminating hydrogen or deuterium atoms are removed from the entire surface of the substrate at a number density of about 10 13 / cm 2. In a temperature range from room temperature to 500 ° C.,
A step of oxidizing in an atmosphere having an oxygen gas having a predetermined oxygen partial pressure; and, after the oxidizing step, in a temperature range exceeding 500 ° C. at which the hydrogen atoms or deuterium atoms separate from the substrate surface, 8. The apparatus for manufacturing a silicon substrate according to claim 7, comprising two steps of oxidizing in an atmosphere containing oxygen gas.
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