JP3899810B2

JP3899810B2 - シリコン酸化膜の形成方法及びｍｏｓデバイス用ウェーハの製造方法

Info

Publication number: JP3899810B2
Application number: JP2000380744A
Authority: JP
Inventors: 彰二野上; 智則山岡
Original assignee: Sumco Corp
Current assignee: Sumco Corp
Priority date: 2000-12-14
Filing date: 2000-12-14
Publication date: 2007-03-28
Anticipated expiration: 2020-12-14
Also published as: JP2002184774A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコン（Ｓｉ）ウェーハ表面にＭＯＳデバイスのゲート酸化膜等に好適なシリコン酸化膜を形成するシリコン酸化膜の形成方法と半導体ウェーハ、及びＭＯＳデバイス用ウェーハの製造方法とＭＯＳデバイス用ウェーハに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＭＯＳデバイスでは、優れた耐圧性を有する膜質のシリコン酸化膜をゲート酸化膜としてシリコンウェーハの表面に形成することが必要である。
従来、シリコンウェーハ表面にゲート酸化膜としてシリコン酸化膜を形成するには、窒素及び酸素の混合雰囲気中にて、７５０〜９５０℃程度の温度で熱酸化処理を行う方法が一般的である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のシリコン酸化膜形成技術では、以下のような課題が残されている。すなわち、ＭＯＳデバイスでは、低消費電力化のため動作電圧を低下させる必要があり、性能を確保しつつ低圧化するために、ゲート酸化膜を薄くする必要がある。従来の熱酸化膜では、１〜数ｎｍオーダーの膜厚を高温プロセスにより形成することが難しく、このような膜厚では、ＳＣ−１洗浄中等で化学的に形成された酸化膜を用いる方法しかなかったが、この化学的に形成された酸化膜は、信頼性等の膜質が劣るため、ＭＯＳデバイスのゲート酸化膜に用いることは困難であった。また、熱酸化でゲート酸化膜を形成する方法では、ゲート酸化膜上に形成するゲート電極を工程上連続して形成することができなかった。
【０００４】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、膜質の優れた１〜数ｎｍオーダーの極薄シリコン酸化膜を形成することができるシリコン酸化膜の形成方法と半導体ウェーハ、及びＭＯＳデバイス用ウェーハの製造方法とＭＯＳデバイス用ウェーハを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、水素雰囲気中での熱処理技術について研究を行った結果、水素雰囲気中で自然酸化膜を熱処理すると、一定の条件下では膜質を改善し、さらに酸化膜を追加形成することもできることを見出すことができた。
【０００６】
したがって、本発明は、この知見に基づいた技術であり、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、本発明のシリコン酸化膜形成方法は、シリコンウェーハの表面にシリコン酸化膜を形成する方法であって、水分を含ませた水素雰囲気中で前記シリコンウェーハを加熱してシリコンウェーハ表面の自然酸化膜を熱処理する熱処理工程を備え、該熱処理工程は、その熱処理条件として、熱処理温度を８５０℃〜１０００℃、熱処理時間を１〜１００分、圧力を１×１０ ^３〜１×１０ ^５Ｐａに設定し、かつ、圧力をＰ（Ｐａ）とし、熱処理時間をｔ（ｍｉｎ）とし、熱処理温度をＴ（Ｋ）としたとき、以下の関係式；
Ｐ≧３×１０^１７ｔ^{０．５９４３} ｅ^{−３６．５４９（１０００／Ｔ）}
を満たす条件で行われることができ、さらに、前記熱処理工程の熱処理条件としては、圧力を５．３×１０ ^４Ｐａ程度に設定することができる。
【０００７】
このシリコン酸化膜形成方法では、熱処理工程において、上記関係式を満たす条件で行われるので、後述するように、シリコンウェーハ表面の自然酸化膜の膜質が変化して高い耐圧性を有する良質な膜に改質され、膜質の優れた極薄（１〜数ｎｍレベル）のシリコン酸化膜が得られる。また、水素雰囲気中でアニールを行うことにより、ウェーハ表面のラフネスも改善され、シリコン酸化膜の信頼性を向上させることができる。
【０００８】
また、本発明のシリコン酸化膜形成方法は、前記熱処理工程において、前記水素雰囲気に水分を含ませる技術が採用される。すなわち、このシリコン酸化膜形成方法では、熱処理工程において水素雰囲気に水分を含ませることにより、水分中の酸素成分により酸化膜上にさらにシリコン酸化膜を追加形成することができ、優れた膜質のシリコン酸化膜の厚さを増やすことができる。なお、水素雰囲気中に含ませる水分量を調整することにより、増やす膜厚を制御することができる。
【０００９】
本発明のＭＯＳデバイス用ウェーハの製造方法は、シリコンウェーハ表面にシリコン酸化膜を形成するシリコン酸化膜形成工程と、該シリコン酸化膜の上にポリシリコン層を形成するポリシリコン形成工程とを有するＭＯＳデバイス用ウェーハの製造方法であって、前記シリコン酸化膜形成工程は、上記本発明のシリコン酸化膜の形成方法にシリコン酸化膜を形成したことを特徴とする。
【００１０】
このＭＯＳデバイス用ウェーハの製造方法では、シリコン酸化膜形成工程において、上記本発明のシリコン酸化膜の形成方法にシリコン酸化膜を形成したので、優れた耐圧性を有すると共に極薄のゲート酸化膜が得られる。
【００１１】
また、本発明のＭＯＳデバイス用ウェーハの製造方法は、前記ポリシリコン形成工程が、前記シリコン酸化膜形成工程後に連続して同じ反応炉で行われることが好ましい。すなわち、このＭＯＳデバイス用ウェーハの製造方法では、ポリシリコン形成工程をシリコン酸化膜形成工程後に連続して同じ反応炉で行う連続プロセスにすることにより、ゲート酸化膜形成後の汚染を極めて少なくでき、さらに信頼性の優れたゲート酸化膜の形成が可能になる。
【００１２】
本発明の半導体ウェーハは、シリコンウェーハ表面にシリコン酸化膜が形成された半導体ウェーハであって、上記本発明のシリコン酸化膜形成方法により前記シリコン酸化膜が形成されたことを特徴とする。
すなわち、この半導体ウェーハでは、上記本発明のシリコン酸化膜形成方法によりシリコン酸化膜が形成されているので、高耐圧で極薄のシリコン酸化膜を備えることができる。
【００１３】
本発明のＭＯＳデバイス用ウェーハは、シリコンウェーハ表面にシリコン酸化膜が形成され、該シリコン酸化膜の上にポリシリコン層が形成されたＭＯＳデバイス用ウェーハであって、上記本発明のＭＯＳデバイス用ウェーハの製造方法により作製されたことを特徴とする。
すなわち、このＭＯＳデバイス用ウェーハでは、上記本発明のＭＯＳデバイス用ウェーハの製造方法により作製されているので、高耐圧で極薄のゲート酸化膜を備えることができ、高信頼性かつ高性能なＭＯＳデバイスを作製することができるウェーハが得られる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るシリコン酸化膜の形成方法と半導体ウェーハ、及びＭＯＳデバイス用ウェーハの製造方法とＭＯＳデバイス用ウェーハの一実施形態を、図１から図４を参照しながら説明する。
【００１５】
本実施形態は、ＭＯＳＦＥＴ等を備えたＭＯＳデバイス用ウェーハを作製する方法であって、図１に示すように、シリコンウェーハＷ表面にゲート酸化膜としてシリコン酸化膜ＳＯを形成し、該シリコン酸化膜ＳＯの上にポリシリコン層ＰＳを形成する方法である。
【００１６】
〔シリコン酸化膜形成工程〕
処理前のシリコンウェーハＷは、洗浄等を行った状態で、図１の（ａ）に示すように、シリコンウェーハＷの表面上に自然酸化膜ＮＯが形成されている状態となっている。なお、通常、自然酸化膜ＮＯは、１〜数ｎｍオーダーの膜厚で形成されている。
【００１７】
上記シリコンウェーハＷの表面上に高耐圧のシリコン酸化膜ＳＯを形成するには、ＬＰ−ＣＶＤ（減圧ＣＶＤ）炉（反応炉）内において、図１の（ｂ）に示すように、水素（Ｈ₂）雰囲気中でベークして表面の自然酸化膜ＮＯを熱処理する工程を行う。この際、熱処理条件は、炉内の圧力をＰ（Ｐａ）とし、
ベーク時間（熱処理時間）をｔ（ｍｉｎ）とし、
ベーク温度（熱処理温度）をＴ（Ｋ）としたとき、
ベーク温度が１１００℃未満で、以下の関係式；
Ｐ≧３×１０¹⁷ｔ^0.5943ｅ^{-36.549(1000/T)}
を満たす条件で行われる。
【００１８】
本実施形態では、上記条件により熱処理を行うので、シリコンウェーハＷ表面の自然酸化膜ＮＯの膜質が変化して高い耐圧性を有する良質な膜に改質され、膜質の優れた極薄（１〜数ｎｍレベル）のシリコン酸化膜ＳＯが得られる。すなわち、アニール効果により、自然酸化膜ＮＯの膜質が緻密化すると共に、ウェーハＷ表面の微小酸素析出物が消滅して耐圧性が向上する。また、水素雰囲気中でアニールを行うことにより、ウェーハＷ表面のラフネスも改善され、シリコン酸化膜ＳＯの信頼性を向上させることができる。
なお、上記条件を満たさない場合、従来と同様に、水素の還元性により自然酸化膜ＮＯが逆にエッチングされて除去されてしまう。
【００１９】
上記関係式に基づいて、熱処理時間ｔを１（線Ａ）、２（線Ｂ）、５（線Ｃ）、１０（線Ｄ）、２０（線Ｅ）、５０（線Ｆ）及び１００ｍｉｎ（線Ｇ）とした場合の熱処理時間、熱処理温度及び圧力の関係を、図２のグラフに示す。図２中の線Ａ〜Ｇは、それぞれ上記熱処理時間における上記関係式による境界線であり、これらの境界線より図中の右側の条件によって自然酸化膜ＮＯが改質されて高耐圧なシリコン酸化膜ＳＯを得ることができる。
【００２０】
〔ポリシリコン形成工程〕
上記のように良質のシリコン酸化膜ＳＯを形成した後、連続して同じＬＰ−ＣＶＤ炉内において、図１の（ｃ）に示すように、シリコン酸化膜ＳＯ上にポリシリコン層ＰＳを成長させる。なお、このとき、原料ガスとして、例えばＳｉＨ₄を用いて成膜する。
【００２１】
本実施形態では、ポリシリコン形成工程をシリコン酸化膜形成工程後に連続して同じＬＰ−ＣＶＤ炉で行う連続プロセスにすることにより、シリコン酸化膜ＳＯ形成後の汚染を極めて少なくでき、非常に信頼性の優れたゲート酸化膜が形成される。
【００２２】
【実施例】
熱処理温度と圧力とをそれぞれ変えて熱処理を行った実験結果を、図３に示す。この図において、黒丸●は、自然酸化膜ＮＯが改質されて良質なシリコン酸化膜ＳＯが得られたものを示し、白丸○は、自然酸化膜ＮＯが除去されてしまったものを示している。なお、熱処理時間は、それぞれ３０分に設定している。この図からわかるように、図中の点線、すなわち上記関係式による境界線の図中右側の条件で、アニールされたシリコン酸化膜ＳＯが得られている。なお、この実施例では、熱処理時間を３０分に設定したが、他の熱処理時間に設定しても上記関係式を満たす熱処理条件では、自然酸化膜ＮＯが改質されて高耐圧なシリコン酸化膜ＳＯが得られる。
【００２３】
また、種々の条件で熱処理を行った実験結果として、処理後の酸化膜の厚さＴ_OX（ｎｍ）を、図４に示す。熱処理条件としては、熱処理温度を８５０℃、９００℃、９５０℃及び１０００℃のそれぞれに設定し、熱処理時間を１〜１００分まで変えて設定した。なお、圧力は、いずれも５．３×１０⁴Ｐａに設定した。また、熱処理前の自然酸化膜ＮＯは、０．９〜１．０ｎｍの膜厚である。
【００２４】
この図からわかるように、８５０℃の場合、１分から１０分までのいずれも自然酸化膜ＮＯの膜厚が変化せず、アニールされて残っているのに対し、９００℃の場合では、５分を越えると自然酸化膜ＮＯがかなり除去されてしまい、９５０℃では、１分でも自然酸化膜ＮＯがかなり除去され、１０００℃の場合では、１分ですべての自然酸化膜ＮＯが除去されてしまっている。
なお、処理後の酸化膜が０．３ｎｍ程度であれば、熱処理時に処理前の自然酸化膜ＮＯは完全に除去されたものと考えられる。すなわち、熱処理により完全に自然酸化膜ＮＯが除去されても、熱処理後の膜厚測定時に０．３ｎｍ程度の自然酸化膜がわずかに形成されるためである。
【００２５】
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態では、シリコン酸化膜形成工程において水素雰囲気に水分を含ませることにより、水分中の酸素成分により酸化膜上にさらにシリコン酸化膜を追加形成することができ、優れた膜質のシリコン酸化膜の厚さを増やすことができる。なお、水素雰囲気中に含ませる水分量を調整することにより、増やす膜厚を制御することができる。
また、シリコン酸化膜形成工程前において、上記関係式の条件を満たさない熱処理を一時的に行って自然酸化膜を一部除去し、膜厚をさらに薄く調整してから上記関係式の条件を満たす熱処理を行って自然酸化膜の改質を行っても構わない。
【００２６】
また、上記実施形態では、ＳｉＨ₄を原料ガスとしたポリシリコン層ＰＳの成膜を行ったが、Ｓｉ₂Ｈ₆又はＤＣＳを原料ガスとしたポリシリコン層の成膜を行っても構わない。
さらに、用いられるシリコンウェーハＷは、予め表面にＢ（ボロン）等が選択的にドーピングされたものでも構わず、半導体デバイスの他の製造プロセスにおける途中段階でのウェーハでも構わない。
【００２７】
【発明の効果】
本発明によれば、以下の効果を奏する。
本発明のシリコン酸化膜形成方法及びこれを用いて作製された半導体ウェーハでは、上記関係式を満たす条件で熱処理が行われるので、表面の自然酸化膜が改質されて高い耐圧性を有する良質なかつ極薄のシリコン酸化膜が得られると共に、ウェーハ表面のラフネスも改善され、シリコン酸化膜の信頼性を向上させることができる。
また、本発明のＭＯＳデバイス用ウェーハの製造方法及びこれを用いて作製されたＭＯＳデバイス用ウェーハでは、上記本発明のシリコン酸化膜の形成方法によりシリコン酸化膜を形成したので、優れた耐圧性を有すると共に極薄のゲート酸化膜が得られ、高信頼性かつ高性能なＭＯＳデバイスを作製することができるウェーハが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るシリコン酸化膜の形成方法と半導体ウェーハ、及びＭＯＳデバイス用ウェーハの製造方法とＭＯＳデバイス用ウェーハの一実施形態において、工程順にウェーハの要部を示す拡大断面図である。
【図２】本発明に係る一実施形態において、上記関係式により複数の熱処理時間における熱処理時間と力との境界条件を示すグラフである。
【図３】本発明に係る一実施形態において、３０分の熱処理時間で実際に熱処理時間と圧力とを変えて実施した熱処理のシリコン酸化膜形成（自然酸化膜の改質）の結果を示すグラフである。
【図４】本発明に係る一実施形態において、一定圧力で実際に熱処理時間と熱処理温度とを変えて実施した熱処理後の酸化膜厚さを示すグラフである。
【符号の説明】
ＮＯ自然酸化膜
ＰＳポリシリコン層
ＳＯシリコン酸化膜
Ｗシリコンウェーハ

Claims

シリコンウェーハの表面にシリコン酸化膜を形成する方法であって、
水分を含ませた水素雰囲気中で前記シリコンウェーハを加熱してシリコンウェーハ表面の自然酸化膜を熱処理する熱処理工程を備え、
該熱処理工程は、その熱処理条件として、熱処理温度を８５０℃〜１０００℃、熱処理時間を１〜１００分、圧力を１×１０^３〜１×１０^５Ｐａに設定し、かつ、
圧力をＰ（Ｐａ）とし、
熱処理時間をｔ（ｍｉｎ）とし、
熱処理温度をＴ（Ｋ）としたとき、以下の関係式；
Ｐ≧３×１０^１７ｔ^{０．５９４３} ｅ^{−３６．５４９（１０００／Ｔ）}
を満たす条件で行われることを特徴とするシリコン酸化膜の形成方法。
請求項１に記載のシリコン酸化膜の形成方法において、
前記熱処理工程の熱処理条件としては、圧力を５．３×１０^４Ｐａ程度に設定することを特徴とするシリコン酸化膜の形成方法。
シリコンウェーハ表面にシリコン酸化膜を形成するシリコン酸化膜形成工程と、該シリコン酸化膜の上にポリシリコン層を形成するポリシリコン形成工程とを有するＭＯＳデバイス用ウェーハの製造方法であって、
前記シリコン酸化膜形成工程は、請求項１又は２に記載のシリコン酸化膜の形成方法にシリコン酸化膜を形成したことを特徴とするＭＯＳデバイス用ウェーハの製造方法。
請求項３に記載のＭＯＳデバイス用ウェーハの製造方法において、
前記ポリシリコン形成工程は、前記シリコン酸化膜形成工程後に連続して同じ反応炉で行われることを特徴とするＭＯＳデバイス用ウェーハの製造方法。