JP6369402B2 - 半導体基板の製造方法及び半導体基板 - Google Patents

Description

本発明は、半導体基板の製造方法及び半導体基板に関するものであり、特に、半導体基板と酸化膜との界面の界面準位密度を低減する技術に関するものである。

半導体素子には半導体基板と酸化膜との界面が必ず存在し、この界面には界面準位として知られるダングリングボンドが存在する。この界面準位は電子をトラップするため、キャリア移動度を低下させるなどの影響がある。そのため、通常、半導体基板と酸化膜との界面の界面準位密度の低減及び安定化を目的とした、水素アロイ、水素シンタリング、あるいは水素シンターと呼ばれる工程が行われている。

具体的には、デバイス形成工程の最終プロセスにおいて、フォーミングガス（例えばＮ_２：Ｈ_２＝１：１）中で３５０〜４５０℃の熱処理を行い、半導体基板と酸化膜との界面の界面準位となるダングリングボンドを水素で終端する工程が行われている。

現在までに、より効果的にダングリングボンドを水素で終端するための方法が開発されており、特許文献１には、水素を含む窒化膜を半導体基板裏面に形成して、酸化膜／シリコン界面のダングリングボンドを水素で終端する方法が開示されている。

また、特許文献２では、水素プラズマ中で処理することにより、半導体基板表面から水素イオン（Ｈ^＋）を酸化膜／シリコン界面に供給する方法が開示されている。

さらに、裏面（半導体基板のデバイス形成層が形成されている面とは反対の面）より水素をイオン注入することにより、酸化膜／シリコン界面をパッシベーションする方法が特許文献３にて開示されている。

種々の方法が提案されているが、水素によるパッシベーションは低温で行われるために、デバイス形成工程の後半で実施される。そのため、金属電極が形成された場合もある。この場合、金属電極が影響し、パッシベーションが均一にならないという問題が指摘されており（例えば特許文献３）、種々の改善が実施されている。

特開平０７−０６６１９７号公報 特開２００３−２８２８５６号公報 特開２０１０−１０５７８号公報

Ｄ．Ｋ．Ｓｃｈｒｏｄｅｒ， Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｍａｔｅｒｉａｌ ａｎｄ Ｄｅｖｉｃｅ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ， Ｎｅｗ Ｊｅｒｓｅｙ， ２００６．

前述のように、界面準位密度の低減化のために、種々の方法が開示されているが、熱処理炉やＣＶＤ装置、またはイオン注入装置とプロセス機器といった大掛かりな装置が必要とされるという問題がある。

本発明は前述のような問題に鑑みてなされたもので、大掛かりな装置を必要としない簡便な方法で、半導体基板と酸化膜との界面の界面準位密度を低減することができる半導体基板の製造方法及び半導体基板を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明によれば、ＭＯＳ構造を有する半導体基板の製造方法であって、
半導体基板上に酸化膜を形成し、該酸化膜上に電極を形成してＭＯＳ構造を作製した後、水素を含有した窒素雰囲気中で、前記ＭＯＳ構造の前記電極が形成された表面側又は、該表面と反対側の裏面側にコロナチャージを行うことを特徴とする半導体基板の製造方法を提供する。

このようにすれば、大掛かりな装置を必要としない簡便な方法で、半導体基板と酸化膜との界面の界面準位密度を低減することができる。

このとき、前記ＭＯＳ構造の電極が金属電極の場合に、
前記裏面側に前記コロナチャージを行うことが好ましい。

このようにすれば、表面に形成された金属電極の影響を受けずに、半導体基板と酸化膜との界面の全体で均一に界面準位密度を低減することができる。

またこのとき、前記コロナチャージを行う際に、
前記水素を含有した窒素雰囲気中の水素含有量を４％未満とすることが好ましい。

このようにすれば、空気中であっても特別な容器を準備することなく、より安全にコロナチャージを行うことができる。

また本発明によれば、ＭＯＳ構造を有する半導体基板であって、
半導体基板上に酸化膜と電極とがこの順で形成されたＭＯＳ構造において、前記電極が形成された表面側又は、該表面と反対側の裏面側に、水素を含有した窒素雰囲気中でコロナチャージが施されたものであることを特徴とする半導体基板を提供する。

このようなものであれば、大掛かりな装置を必要としない簡便な方法で、半導体基板と酸化膜との界面の界面準位密度が低減されたものとなる。

このとき、前記ＭＯＳ構造の電極が金属電極であり、
前記裏面側に前記コロナチャージが施されたものとすることができる。

このようなものであれば、表面に形成された金属電極の影響を受けずに、半導体基板と酸化膜との界面の全体で均一に界面準位密度が低減されたものとなる。

またこのとき、前記コロナチャージが、
水素含有量が４％未満である前記水素を含有した窒素雰囲気中において施されたものとすることができる。

このようなものであれば、空気中であっても特別な容器を準備することなく、より安全にコロナチャージが施されたものとなる。

本発明の半導体基板の製造方法及び半導体基板であれば、大掛かりな装置を必要としない簡便な方法で、半導体基板と酸化膜との界面の界面準位密度を低減することができる。特には、実験室レベルで手軽に半導体基板と酸化膜との界面の界面準位密度を低減するのに有効である。

本発明の半導体基板の製造方法の一例を示した工程図である。 ＭＯＳ構造の表側にコロナチャージを行う様子を示した概略図である。 ＭＯＳ構造の裏側にコロナチャージを行う様子を示した概略図である。 実施例及び比較例において算出された半導体基板と酸化膜との界面の界面準位密度を示したグラフである。 本発明の半導体基板の一例を示した概略図である。

以下、本発明について実施の形態を説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
上述したように、半導体基板と酸化膜との界面の界面準位密度を低減させるためには、大掛かりな装置が必要とされるという問題があり、大掛かりな装置を必要としない簡便な方法で、半導体基板と酸化膜との界面の界面準位密度を低減することが望まれていた。

そこで、本発明者はこのような問題を解決すべく鋭意検討を重ねた。その結果、半導体基板上に酸化膜を形成し、該酸化膜上に電極を形成してＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）構造を作製した後、水素を含有した窒素雰囲気中で、ＭＯＳ構造の電極が形成された表面側又は、該表面と反対側の裏面側にコロナチャージを行うことを見出した。これにより、大掛かりな装置を必要としない簡便な方法で、半導体基板と酸化膜との界面の界面準位密度を低減することができることを発見した。そして、これらを実施するための最良の形態について精査し、本発明を完成させた。

以下、本発明について図を参照して詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

まず、本発明の半導体基板の一例について、図５を参照して説明する。
ここでは、図５に示すように、半導体基板として半導体シリコン基板Ｗ（シリコンウェーハ）を用いた場合について説明する。ただし本発明はこれに限定されず、適宜、目的に応じた半導体基板を用いることができる。

本発明の半導体基板１は、図５に示すように、半導体シリコン基板Ｗ上に酸化膜２（ゲート酸化膜）と電極３とがこの順で形成されたＭＯＳ構造４において、ＭＯＳ構造４の電極３が形成された表面側（又は、ＭＯＳ構造４の表面と反対側の裏面側）に、水素を含有した窒素雰囲気中で、コロナチャージが施されたものである。

このようなものであれば、大掛かりな装置を必要としない簡便な方法で、半導体シリコン基板Ｗと酸化膜２との界面の界面準位密度が低減されたものとなる。

電極３の材料として、例えばポリシリコン（多結晶シリコン）を用いることができる。このようにポリシリコンを電極３の材料として選ぶのであれば、その加工や調達が容易であるとともに、従来と同様にして電極３を形成することができ簡便である。ただし、電極３の材料は特に限定されるものではなく、例えば、Ａｌ等の他の材料を選ぶこともでき、コスト等によって適宜決定することができる。

このとき、ＭＯＳ構造４の電極３が例えば、Ａｌ等の金属電極であり、裏面側にコロナチャージが施されたものとすることができる。

このようなものであれば、ＭＯＳ構造４の表面に形成された金属電極の影響を受けずに、半導体シリコン基板Ｗと酸化膜２との界面全体で均一に界面準位密度が低減されたものとなる。

またこのとき、コロナチャージが、水素含有量が４％未満である、水素を含有した窒素雰囲気中において施されたものであることが好ましい。

このようなものであれば、空気中であっても特別な容器を準備することなく、より安全にコロナチャージが施されたものとなる。

次に、図５に示すような半導体基板１を製造する本発明の製造方法の一例について図１及び図２、３を参照しながら説明するが、もちろんこれに限定されるものではない。

（半導体基板を準備する：図１のＳＰ１）
最初に、半導体基板を準備する。ここでは、図２に示すように、半導体シリコン基板Ｗ（シリコンウェーハ）を用いた場合について説明する。ただし本発明はこれに限定されず、適宜、目的に応じた半導体基板を準備することができる。

（酸化膜を形成する：図１のＳＰ２）
上記のような半導体シリコン基板Ｗに、酸化処理を行って酸化膜２（ゲート酸化膜）を形成する。この酸化膜２の形成は、例えば、半導体シリコン基板Ｗをボートに載置して横型熱処理炉もしくは縦型熱処理炉に投入し、酸素雰囲気下で熱処理を行うことにより容易に形成することができる。この酸化膜２の形成方法は特に限定されず、上記熱処理炉は例えば従来のものを用いることができるし、また、熱処理の条件等は目的に合わせてその都度決定することができる。

（電極を形成する：図１のＳＰ３）
次に、半導体シリコン基板Ｗに形成した酸化膜２上に電極３を形成するが、この電極３の材料として、例えばポリシリコン（多結晶シリコン）を用いることができる。又はＡｌ等の他の材料を選ぶこともでき、コスト等によって適宜決定することができる。

そして、このようなポリシリコンを用いて電極３を形成する。電極３の形成は例えば以下のようにして行うことができるが、この電極３の形成方法も特に限定されない。

まず、半導体シリコン基板Ｗに形成した酸化膜２上にポリシリコン膜を成長させる。このポリシリコン膜は、例えば、熱処理炉から取り出した半導体シリコン基板ＷをＣＶＤ装置に投入し、減圧下もしくは常圧下でモノシラン等の成長ガスを装置の反応容器内へ導入することにより成長させることができる。そして、上記のようにポリシリコン層を堆積した後、リン等の不純物を熱拡散法またはイオン注入法を用いてポリシリコン層中にドープして、抵抗率の低いポリシリコン層を形成する。なお、ポリシリコン層の堆積時に、同時に不純物もドープするようにして低抵抗率のポリシリコン層を形成することもできる（Ｄｏｐｅｄ Ｐｏｌｙ−Ｓｉ法）。

その後、上記のように形成した低抵抗率のポリシリコン層に、例えばレジスト塗布、露光、現像という一連のフォトリソグラフィ工程を施した後、エッチング工程を行うことによって、酸化膜２上の所望の位置にポリシリコンの電極３を形成することができる。このようにして半導体シリコン基板Ｗ上に酸化膜２およびポリシリコンの電極３が形成されたＭＯＳ構造４（ＭＯＳキャパシタ）を作製することができる。

（コロナチャージを行う：図１のＳＰ４）
以上のようにして、半導体シリコン基板ＷにＭＯＳ構造４を作製した後、コロナチャージを行う。

コロナチャージを行うためのコロナチャージ装置としては、例えば、正または負の高電圧を印可することにより、ＭＯＳ構造４の表面又は裏面にプラス又はマイナスのコロナイオンを降り注ぐことができるコロナチャージプローブ５と、ガス導入口６と、ＭＯＳ構造４を形成した半導体シリコン基板Ｗを載置するステージ７とを備えているものを用いることができる。

なお、上記のようなコロナチャージを行うためのコロナチャージ装置は特に限定されず、従来のものを使用することができる。

コロナチャージを行う際には、例えば、まず、コロナチャージ装置のステージ７に、ＭＯＳ構造４を形成した半導体シリコン基板Ｗを載置する。次に、水素を含有した窒素雰囲気中で、コロナチャージプローブ５に正または負の高電圧を印加することにより、コロナチャージプローブ５からＭＯＳ構造４の表面側又は裏面側にプラスまたはマイナスのコロナイオンを降り注ぐ。具体的には例えば、ガス導入口６から水素を含有した窒素を流しながらコロナチャージを行うことができる。

このようにして、プラスもしくはマイナスのコロナイオンをコロナチャージプローブ５からＭＯＳ構造４の表面側又は裏面側に向かって降り注ぎ、プラスまたはマイナスイオンを載上させることができる。

このとき、例えば、電極３が上記したようなポリシリコンを用いたものの場合は、コロナチャージを行う面は、表面又は裏面のどちらでもよい。一方、ＭＯＳ構造４の電極３が例えばＡｌのような、金属電極の場合には、図３に示すように、ＭＯＳ構造４の裏面側にコロナチャージを行うことが好ましい。

このようにすれば、ＭＯＳ構造４の表面に形成された金属電極の影響を受けずに、半導体シリコン基板Ｗと酸化膜２との界面の全体で均一に界面準位密度を低減することができる。

コロナチャージを行う際には、コロナチャージプローブ５の先端に比較的高電圧が印加される。そのため、コロナチャージをＭＯＳ構造４の裏面から行えば、酸化膜２の絶縁性が劣化することを抑制することができる。

また、余計な電界を素子に印加しない方が良いので、印加するコロナチャージ量は少ない方が好ましい。具体的には例えば、１Ｃ／ｃｍ^２程度で十分である。

また、窒素雰囲気中の水素含有量は限定されないが、水素は空気中での爆発下限が４．１％であるため、これよりも低い濃度であればより安全に使用することができる。このため、水素を含有した窒素雰囲気中の水素含有量の上限を４％未満に設定することが好ましい。

このようにすれば、空気中であっても特別な容器を準備することなく、より安全にコロナチャージを行うことができる。

また、水素含有量の下限については、半導体シリコン基板Ｗと酸化膜２との界面の界面準位が水素により終端されることから考えて、高濃度であることが望ましい。そのため２〜４％未満が好ましいと考えられる。もちろん水素含有量が１％程度あるいはそれ未満の低濃度であっても、コロナチャージを行う時間を長くすることで同一の効果を得ることができる。このように、窒素雰囲気中の水素の濃度とコロナチャージを行う時間については予め検討の上、ガスの入手のしやすさも勘案して、適宜決定することができる。

以上説明したような、本発明の半導体基板の製造方法であれば、大掛かりな装置を必要としない簡便な方法で、半導体基板と酸化膜との界面の界面準位密度を低減することができる。特には実験室レベルで手軽に半導体基板と酸化膜との界面の界面準位密度を低減する際に有効であるが、当然、用途はこれに限定されるものではない。

以下、本発明の実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。

（実施例）
まず、試料としてボロンをドープしたＰ型で直径が２００ｍｍのシリコンウェーハを準備した。シリコンウェーハの抵抗率は１０Ω・ｃｍであった。このシリコンウェーハに、９００℃の乾燥雰囲気中で２５ｎｍの厚さのゲート酸化を行って、酸化膜を形成した。この際、乾燥酸素雰囲気からの取り出し温度を８００℃、７００℃、６００℃と変化させることによって、界面準位密度を変化させたサンプルを作製した。なお、取り出し温度が８００℃のサンプルを（ａ）、７００℃のサンプルを（ｂ）、６００℃のサンプルを（ｃ）とした。

その後、リンをドープしたポリシリコン（Ｐｏｌｙ−Ｓｉ）層を５７０℃の条件で、ＣＶＤ法により３００ｎｍ堆積し、シート抵抗で３０Ω／ｓｑ．の電極を形成した。これにフォトリソグラフィを行って電極パターンを形成し、シリコンウェーハ上に形成した酸化膜上に面積が１ｍｍ^２の電極を形成した。このようにして、ＭＯＳ構造を作製した。

次にコロナチャージ装置を準備し、コロナチャージプローブを用いて、コロナチャージを行った。上記のように電極としてポリシリコン電極を採用したため、ＭＯＳ構造の電極が形成された表面側からコロナチャージを行った。ガス導入口から水素含有量が３％の窒素を１ｌ／ｍｉｎの流量で流し、コロナチャージ装置のステージにＭＯＳ構造を形成したシリコンウェーハを載せて、総電荷量が１Ｃ／ｃｍ^２となるようにしてコロナチャージを実施した。

その後、半導体パラメータアナライザＢ１５００（アジレント・テクノロジー株式会社製）を用いて、ＣＶ法によりサンプル（ａ）〜（ｃ）の界面準位密度Ｄｉｔをそれぞれ算出した。このときの算出結果を図４に示す。図４の縦軸が本実施例における界面準位密度Ｄｉｔの算出結果である。また、図４の横軸は、後述の比較例で算出した値である。なお、界面準位密度の算出法は、非特許文献１などに示されている。

（比較例）
酸化膜を形成する際に、乾燥酸素雰囲気からの取り出し温度を変化させることによって、界面準位密度を変化させたサンプル（ａ）〜（ｃ）を実施例と同様にして作製した。

次に、これらのサンプル（ａ）〜（ｃ）に対して、水素含有量が３％の窒素雰囲気にて、４００℃で３０分間の水素シンタリングを行った。その後、比較例における界面準位密度Ｄｉｔを実施例と同様にして算出した。このときの算出結果を、上述したように図４の横軸に基づいて示した。

その結果、図４の（ａ）〜（ｃ）で示したように、実施例及び比較例で算出された界面準位密度は共に、取り出し温度が高い方が界面準位密度の値が小さく、取り出し温度が低くなるにつれて界面準位密度の値が大きくなる傾向を示した。そして、実施例と比較例のどちらの方法で処理したシリコンウェーハであっても同程度に界面準位密度が低減されていることが分かる。

このように、実施例では、比較例に比べて簡便な方法でありながら、比較例と同程度に界面準位密度が低減された半導体基板を製造することができた。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

１…本発明の半導体基板、 ２…酸化膜、 ３…電極、 ４…ＭＯＳ構造、
５…コロナチャージプローブ、 ６…ガス導入口、 ７…ステージ、
Ｗ…半導体シリコン基板。

Claims (6)

1. ＭＯＳ構造を有する半導体基板の製造方法であって、
   半導体基板上に酸化膜を形成し、該酸化膜上に電極を形成してＭＯＳ構造を作製した後、水素を含有した窒素雰囲気中で、前記ＭＯＳ構造の前記電極が形成された表面側又は、該表面と反対側の裏面側にコロナチャージを行うことを特徴とする半導体基板の製造方法。
2. 前記ＭＯＳ構造の電極が金属電極の場合に、
   前記裏面側に前記コロナチャージを行うことを特徴とする請求項１に記載の半導体基板の製造方法。
3. 前記コロナチャージを行う際に、
   前記水素を含有した窒素雰囲気中の水素含有量を４％未満とすることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体基板の製造方法。
4. ＭＯＳ構造を有する半導体基板であって、
   半導体基板上に酸化膜と電極とがこの順で形成されたＭＯＳ構造において、前記電極が形成された表面側又は、該表面と反対側の裏面側に、水素を含有した窒素雰囲気中でコロナチャージが施されたものであることを特徴とする半導体基板。
5. 前記ＭＯＳ構造の電極が金属電極であり、
   前記裏面側に前記コロナチャージが施されたものであることを特徴とする請求項４に記載の半導体基板。
6. 前記コロナチャージが、
   水素含有量が４％未満である前記水素を含有した窒素雰囲気中において施されたものであることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の半導体基板。

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