JP4149014B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸化膜が形成された半導体基板を熱処理する熱処理工程を有する半導体装置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体基板には、もともと種々の不純物やそれらに起因する微小な結晶欠陥が内包されている。結晶欠陥には、例えば、不純物としての酸素に起因する微小欠陥として酸素析出核がある。不純物酸素の濃度が高くなると、半導体装置の製造時の熱課程により不純物の酸素が酸素析出核に凝集して酸素析出物に成長することがある。この酸素析出物が半導体基板の表層部に存在すると素子特性が劣化する。特に、半導体デバイスの集積度の向上に伴い、半導体基板中の酸素析出物の存在が大きな問題となっている。
【0003】
このため、半導体基板の表層部における酸素濃度を低減することが重要な課題となり、酸素外方拡散のような半導体基板の酸素濃度を低減する技術の重要性が高くなってきている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、酸化膜が形成された半導体基板の場合、酸素外方拡散のために熱処理を行っても、ある値以下に酸素濃度を下げることができないという問題があった。本願発明者等は、熱処理時に酸化膜を構成している酸素原子が半導体基板内に内方拡散する酸化膜効果がその原因であることを見いだした(阿部他、第43回応用物理学会予稿集、28a−X−6(1996))。しかしながら、酸化膜効果のメカニズムは明らかでなく、酸素原子の内方拡散を有効に阻止できる方策は明らかではなかった。
【0005】
本発明の目的は、酸化膜から酸素原子が内方拡散する酸化膜効果を有効に抑制して、半導体基板の表層部における酸素濃度を低減することができる半導体装置の製造方法を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、酸化膜が形成された半導体基板を1000℃以上の温度で熱処理する熱処理工程と、前記熱処理工程の温度から降温する降温工程とを有する半導体装置の製造方法において、前記降温工程は、1000℃以上の範囲では、第1の降温レートで降温し、900℃以上1000℃未満の範囲では、第1の降温レートよりも小さい第2の降温レートで降温することを特徴とする半導体装置の製造方法によって達成される。
【0007】
上述した半導体装置の製造方法において、前記降温工程は、900℃未満の範囲では、前記第2の降温レートよりも大きい第3の降温レートで降温することが望ましい。
上記目的は、酸化膜が形成された半導体基板を1000℃以上の温度で熱処理する熱処理工程と、前記熱処理工程の温度から750℃まで降温する降温工程とを有する半導体装置の製造方法において、前記降温工程は、1000℃以上の範囲では、前記降温工程の平均降温レートよりも大きな降温レートで降温し、900℃以上1000℃未満の範囲では、前記平均降温レートよりも小さな降温レートで降温することを特徴とする半導体装置の製造方法によって達成される。
【0008】
上記目的は、酸化膜が形成された半導体基板を1000℃以上の温度で熱処理する熱処理工程と、前記熱処理工程の温度から降温する降温工程とを有する半導体装置の製造方法において、前記降温工程は、1000℃以上の範囲では、4℃/分以上の降温レートで降温し、900℃以上1000℃未満の範囲では、2℃/分以下の降温レートで降温し、900℃未満の範囲では、4℃/分以上の降温レートで降温することを特徴とする半導体装置の製造方法によって達成される。
【0009】
上述した半導体装置の製造方法において、前記降温工程は、1100℃以上の範囲では、10℃/分以上の降温レートで降温することが望ましい。
上述した半導体装置の製造方法において、前記降温工程は、1050℃以上1100℃未満の範囲では、5℃/分以上の降温レートで降温することが望ましい。
【0010】
上述した半導体装置の製造方法において、前記降温工程は、850℃以下の範囲では、5℃/分以上の降温レートで降温することが望ましい。
【0011】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態による半導体装置の製造方法について図面を用いて説明する。
本願発明者は、酸化膜を形成したCZ(Czochralski)結晶での酸素外方拡散のメカニズムを調べるため、酸素濃度がほとんどゼロであるFZ(Floating Zone)結晶に酸化膜を形成した試料と、酸化膜が形成されていないCZ結晶の試料とを用意した。これら試料を不活性ガス中において熱処理した。また、熱処理温度での状態を保存するため、通常(比較例)の降温処理をせず、急冷を施した試料も作成した。そして、試料内部の酸素量を低温赤外吸収法(Low−temperature infrared absorption method)で、また酸素濃度分布を二次イオン質量分析計(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometer)を用いて測定した。
【0012】
図1に、低温赤外吸収法による試料内部の酸素量の測定結果を示す。この測定結果から、FZ結晶に酸化膜を形成した試料では、1000℃付近では結晶内に酸素の進入は観測されないが、これより熱処理温度を上げていくと、それにつれて結晶内に侵入した酸素量が多くなることが明らかになった。
図2に、SIMSによる試料内部の酸素濃度分布の測定結果を示す。この測定結果から、FZ結晶に酸化膜を形成した試料では、熱処理温度が高いほど結晶表層での酸素濃度が高くなることがわかった。さらに、比較例のシーケンスで降温した試料と急冷した試料では表層の酸素濃度プロファイルに大きな違いが見られた。また、酸化膜を形成していないCZ結晶では、熱処理温度が高いほど結晶表層での酸素濃度が低くなることわかった。
【0013】
酸化膜を形成したFZ結晶を熱処理すると、図3(a)に示すように、熱処理当初は酸化膜からFZ結晶に酸素原子が内方拡散する(フラックスfi)が、一方、FZ結晶内に内方拡散された酸素原子が再び外方拡散する(フラックスfo)現象も同時に起こると考えられる。
また、酸化膜を形成していないCZ結晶を熱処理すると、図3(b)に示すように、酸化膜からの内方拡散はないので、CZ結晶内部から酸素原子が外方拡散する(フラックスF)現象のみが起こると考えられる。
【0014】
したがって、酸化膜を形成したCZ結晶の場合には、図3(c)に示すように、図3(a)の現象と図3(b)の現象が複合して起きていると考えられ、フラックスfiの内方拡散とフラックスfo+Fの外方拡散が同時に起こっていると考えられる。
また、同じ外方拡散であるから、図3(a)の場合も図3(b)の場合も、フラックスfoとフラックスFの絶対値は内部の酸素濃度に依存して異なるものの、同様の温度特性であると考えられる。
【0015】
図3に示すメカニズムを前提として、上述した実験結果は、(1)約1050℃以上の温度範囲では熱処理温度が高くなると結晶内に侵入する酸素量が多くなる、(2)1000℃付近では結晶内に酸素はほとんど侵入しない、ということを示しており、これら実験結果から次のような結論1乃至3に至った。
(結論1)約1050℃以上の温度範囲ではフラックスfiがフラックスfoよりも大きく、その傾向は温度が高くなるにしたがって顕著となる。
【0016】
(結論2)約1000℃〜1050℃の間にフラックスfiとフラックスfoの等しくなる温度T1が存在する。また、拡散理論より約800℃〜850℃での酸素の拡散係数は1000℃のときのそれと比べて1/100程度である。
(結論3)約800℃〜850℃の間に酸素の拡散を無視できる温度T2が存在する。
【0017】
さらに、温度T1以下ではフラックスfoがフラックスfiよりも大きくなること、つまり、フラックスの反転が起きていることが、図2のSIMSの結果からわかる。FZ結晶に熱処理を施した後急冷した試料と、急冷せず比較例のシーケンスrで降温している試料とでは、酸素濃度プロファイルが明らかに異なる。急冷した試料では酸化膜/シリコン界面に向かって酸素濃度が単調増加しているのに対して、急冷をしなかった試料では表層7μmあたりに極地をもち、そこから界面に向かって減少していく。このことは降温中に外方拡散で酸素がFZ結晶から出ていくことを意味している。
【0018】
問題は、降温中のどの温度でその現象が起こっているかであるが、それは温度T1と温度T2の間である考えられる。もし、温度T1と温度T2の間でもフラックスfiがフラックスfoよりも大きいとするなら、温度T2まで降温していく課程で常に酸化膜からFZ結晶中に酸素が外方拡散し続けて、FZ結晶内の酸素の侵入量は増加し続けるはずである。さらに、温度T2以下では酸素がほとんど拡散しないので、FZ結晶から酸素が外方拡散することはなく、表層で酸素濃度が減少するはずがない。つまり、温度T1と温度T2の間で酸素が外方拡散していると考えなければ実験結果と矛盾を生じてしまうのである。このような考察から次の結論4に至った。
【0019】
(結論4)温度T1以下ではフラックスfoがフラックスfiよりも大きくなる。
このことから、図4に示すように、内方拡散のフラックスfiと外方拡散のフラックスfoが反転する温度T1は、おおよそ1000℃から1050℃の間にあり、酸素原子の拡散を無視できる温度T2は、おおよそ800℃から850℃の間にあるということがわかった。
【0020】
したがって、本実施形態の降温工程では、例えば、図5に示すように、1000℃以上の範囲では従来よりも降温レートを大きくし(例えば、約4℃/分以上)、900℃以上1000℃未満の範囲では従来よりも降温レートを小さくし(例えば、約2℃/分以下)、900℃未満の範囲では全降温時間を短く終わらせるために降温レートを従来よりも大きくする(例えば、約4℃/分以上)。
【0021】
更に、1000℃以上の範囲においても、温度が高くなるほど降温レートを大きくすることが望ましい。例えば、図5に示すように、1050℃以上の範囲では降温レートを更に大きくし(例えば、約5℃/分以上)、1100℃以上の範囲では降温レートを更に大きくする(例えば、約10℃/分以上)ことが望ましい。
【0022】
また、900℃以下の範囲においても、温度が低くなるほど降温レートを大きくすることが望ましい。例えば、図5に示すように、850℃以下の範囲では降温レートを更に大きくする(例えば、約5℃/分以上)ことが望ましい。
このように、本実施形態によれば、約1000℃以上の範囲では降温レートを通常よりも大きくして内方拡散が多い降温時間を短くし、約1000℃未満の範囲では降温レートを通常よりも小さくして外方拡散が多くなる降温時間を長くなるようにしたので、酸化膜から酸素原子が内方拡散する酸化膜効果を有効に抑制して、半導体基板の表層部における酸素濃度を低減することができる。
【0023】
本発明は上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
例えば、上記実施形態では、アルゴン雰囲気での外方拡散熱処理の降温過程にについて説明したが、他の熱処理の降温過程でもよい。
また、上記実施形態では、シリコン基板の外方拡散熱処理について説明したが、他の半導体基板の熱処理でもよい。
【0024】
【実施例】
約300nm厚の酸化膜を形成したFZ結晶のシリコン基板をアルゴン雰囲気中で1150℃、18時間、熱処理し、その後、図5の実施例の降温シーケンスにしたがって降温した。すなわち、1150℃以下1100℃以上の範囲では10℃/分の降温レートで、1100℃未満1050℃以上の範囲では5℃/分の降温レートで、1050℃未満1000℃以上の範囲では4℃/分の降温レートで、1000℃未満900℃以上の範囲では2℃/分の降温レートで、900℃未満850℃超の範囲では4℃/分の降温レートで、850℃以下750℃以上の範囲では5℃/分の降温レートで、1150℃から750℃まで110分をかけて降温した。
【0025】
このような降温シーケンスで降温したFZ結晶のシリコン基板表層の酸素濃度をSIMSにより測定した。測定結果を図6に示す。シリコン基板表面、すなわち酸化膜とシリコン基板の界面から約7μmの位置での酸素濃度は、1.4×1017[atoms/cm3]であった。
比較例として、約300nm厚の酸化膜を形成したFZ結晶のシリコン基板をアルゴン雰囲気中で1150℃、18時間、熱処理し、その後、図5の比較例の降温シーケンスにしたがって降温した。すなわち、1150℃から750℃まで同じ110分をかけ、平均した降温レートで降温した。降温レートは約3.7℃/分である。
【0026】
このような降温シーケンスで降温したFZ結晶のシリコン基板表層の酸素濃度をSIMSにより測定した。測定結果を図6に示す。シリコン基板表面、すなわち酸化膜とシリコン基板の界面から約7μmの位置での酸素濃度は、1.7×1017[atoms/cm3]であった。
図6から明らかなように、実施例では比較例に比べて20%以上酸素濃度を低減することができた。
【0027】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によれば、約1000℃以上の範囲では、第1の降温レートで降温し、約1000℃未満の範囲では、第1の降温レートよりも小さい第2の降温レートで降温したので、内方拡散が多い降温時間を短くし、外方拡散が多くなる降温時間を長くして、酸化膜から酸素原子が内方拡散する酸化膜効果を有効に抑制して、半導体基板の表層部における酸素濃度を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】低温赤外吸収法によるFZ結晶への酸素内方拡散量を示すグラフである。
【図2】急冷と比較例の降温におけるFZ結晶内酸素内方拡散プロファイルを示すグラフである。
【図3】酸化膜を形成したCZ結晶での酸素外方拡散のメカニズムの説明図である。
【図4】酸化膜を形成したFZ結晶における内方拡散のフラックスfiと外方拡散のフラックスfoの関係の仮説を示すグラフである。
【図5】実施例と比較例の降温シーケンスを示すグラフである。
【図6】実施例と比較例のシリコン基板表層の酸素濃度を示すグラフである。
Claims (7)
- 酸化膜が形成された半導体基板を1000℃以上の温度で熱処理する熱処理工程と、前記熱処理工程の温度から降温する降温工程とを有する半導体装置の製造方法において、
前記降温工程は、
1000℃以上の範囲では、第1の降温レートで降温し、
900℃以上1000℃未満の範囲では、第1の降温レートよりも小さい第2の降温レートで降温する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項1記載の半導体装置の製造方法において、
前記降温工程は、
900℃未満の範囲では、前記第2の降温レートよりも大きい第3の降温レートで降温する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 酸化膜が形成された半導体基板を1000℃以上の温度で熱処理する熱処理工程と、前記熱処理工程の温度から750℃まで降温する降温工程とを有する半導体装置の製造方法において、
前記降温工程は、
1000℃以上の範囲では、前記降温工程の平均降温レートよりも大きな降温レートで降温し、
900℃以上1000℃未満の範囲では、前記平均降温レートよりも小さな降温レートで降温する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 酸化膜が形成された半導体基板を1000℃以上の温度で熱処理する熱処理工程と、前記熱処理工程の温度から降温する降温工程とを有する半導体装置の製造方法において、
前記降温工程は、
1000℃以上の範囲では、4℃/分以上の降温レートで降温し、
900℃以上1000℃未満の範囲では、2℃/分以下の降温レートで降温し、
900℃未満の範囲では、4℃/分以上の降温レートで降温する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項4記載の半導体装置の製造方法において、
前記降温工程は、
1100℃以上の範囲では、10℃/分以上の降温レートで降温する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項4又は5記載の半導体装置の製造方法において、
前記降温工程は、
1050℃以上1100℃未満の範囲では、5℃/分以上の降温レートで降温する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項4乃至6のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記降温工程は、
850℃以下の範囲では、5℃/分以上の降温レートで降温する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
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