JPH02189920A - 酸化膜の形成方法及び酸化装置 - Google Patents
酸化膜の形成方法及び酸化装置Info
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- Formation Of Insulating Films (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は半導体装置に用いる酸化膜の形成方法及び酸化
装置に関し、ストレスに強く、長期安定性に優れた酸化
膜を形成する手法及びそのための装置を提供するもので
ある。
装置に関し、ストレスに強く、長期安定性に優れた酸化
膜を形成する手法及びそのための装置を提供するもので
ある。
ＭＯ８型半導体装置に用いられるゲート酸化膜は、装置
の高密度化・高信頼化の要請から、ホットエレクトロン
に対し耐性があること（電気特性が安定であること）、
また、放射線等の高エネルギー粒子に晒される場合に対
して電気特性が変動しないことが要求されている。これ
は酸化膜に対しては膜中のトラップ準位密度やＳｉ／５
ｉｎ２界面準位密度が少いこと、および増加しないこと
等の要求となる。
の高密度化・高信頼化の要請から、ホットエレクトロン
に対し耐性があること（電気特性が安定であること）、
また、放射線等の高エネルギー粒子に晒される場合に対
して電気特性が変動しないことが要求されている。これ
は酸化膜に対しては膜中のトラップ準位密度やＳｉ／５
ｉｎ２界面準位密度が少いこと、および増加しないこと
等の要求となる。
ＭＯ８型半導体装置のゲート酸化膜は、通常は基板であ
るシリコンを熱酸化することによりＳｉｇｈとして形成
される。その構造は、マクロ的には非晶質とされている
が、ミクロに見た場合にはＳｉとＯとが結合した物質で
ある。単結晶であるシリコン基板表面に非晶質５ｉ０２
を設けた時、Ｓｉ／ＳｉＯ２界面では５ｉ−３ｉ結合や
５ｉ−０結合が、またＳｉＯ２中では５ｉ−０結合がそ
の結合距離やＳｉ−〇−８ｉ結合角を種々の値をとるこ
とにより非晶質性を維持している。例えばシリコン−酸
素の四面体構造を考えた時、Ｓ ｉ−８ｉ平均結合距離
は３０人、５ｉ−０平均績合距離は１．６人であり、５
ｉ−０−８ｉ結合角は１４３゜±１７°である。結合距
離が四面体構造でみられる値である場合にはＳ ｉ −
８ｉ、 Ｓ ｉ −０結合強度は極めて強固であり結合
を切断するには極めて大きなエネルギーを必要とする。
るシリコンを熱酸化することによりＳｉｇｈとして形成
される。その構造は、マクロ的には非晶質とされている
が、ミクロに見た場合にはＳｉとＯとが結合した物質で
ある。単結晶であるシリコン基板表面に非晶質５ｉ０２
を設けた時、Ｓｉ／ＳｉＯ２界面では５ｉ−３ｉ結合や
５ｉ−０結合が、またＳｉＯ２中では５ｉ−０結合がそ
の結合距離やＳｉ−〇−８ｉ結合角を種々の値をとるこ
とにより非晶質性を維持している。例えばシリコン−酸
素の四面体構造を考えた時、Ｓ ｉ−８ｉ平均結合距離
は３０人、５ｉ−０平均績合距離は１．６人であり、５
ｉ−０−８ｉ結合角は１４３゜±１７°である。結合距
離が四面体構造でみられる値である場合にはＳ ｉ −
８ｉ、 Ｓ ｉ −０結合強度は極めて強固であり結合
を切断するには極めて大きなエネルギーを必要とする。
しかし、ＭＯ８型半導体装置では４００〜５００℃に加
熱したり、あるいは５１０２に高電界を加え酸化膜中に
電子や正孔を注入するなどのストレスを加えるとこれら
結合が容易に切断され電気特性が変化することが知られ
ている。この原因は５ｉ−８ｉ結合やＳｉＯ結合の結合
距離が長く強度の弱い結合が含まれるため、このような
結合が容易に切断されるためであると推定されている。
熱したり、あるいは５１０２に高電界を加え酸化膜中に
電子や正孔を注入するなどのストレスを加えるとこれら
結合が容易に切断され電気特性が変化することが知られ
ている。この原因は５ｉ−８ｉ結合やＳｉＯ結合の結合
距離が長く強度の弱い結合が含まれるため、このような
結合が容易に切断されるためであると推定されている。
Ｓ ｉ −８ｉ結合、５ｉ−０結合が切れた場合には、
Ｓ ｉ ／ Ｓ ｉ ０２界面では界面準位が増加し、
５ｊＯ２膜中では正電荷の発生する原因となり、ＭＯ８
型半導体装置の電気特性を様々に変化させ劣化させる原
因となる。従って、これら結合を切れにくい強固な結合
とする必要がある。半導体装置の電気特性評価からは、
酸化膜に引っばり応力が働く場合にはこれら結合は切れ
易く、圧縮応力が働く場合には結合は切れにくいことが
知られている。この原因として、引っばり応力が働く場
合には結合距離が伸びるために結合強度が弱まると考え
られ、また圧縮応力が働く場合には結合距離が圧縮さ・
れるために結合は強くなると考えられている。従って、
ストレスに対し強いＳｉＯ２膜を形成するには、５ｉＯ
ｚ膜が形成された後に圧縮応力が働くような酸化膜形成
法を採用すれば良いと本発明者は考えた。
Ｓ ｉ ／ Ｓ ｉ ０２界面では界面準位が増加し、
５ｊＯ２膜中では正電荷の発生する原因となり、ＭＯ８
型半導体装置の電気特性を様々に変化させ劣化させる原
因となる。従って、これら結合を切れにくい強固な結合
とする必要がある。半導体装置の電気特性評価からは、
酸化膜に引っばり応力が働く場合にはこれら結合は切れ
易く、圧縮応力が働く場合には結合は切れにくいことが
知られている。この原因として、引っばり応力が働く場
合には結合距離が伸びるために結合強度が弱まると考え
られ、また圧縮応力が働く場合には結合距離が圧縮さ・
れるために結合は強くなると考えられている。従って、
ストレスに対し強いＳｉＯ２膜を形成するには、５ｉＯ
ｚ膜が形成された後に圧縮応力が働くような酸化膜形成
法を採用すれば良いと本発明者は考えた。
本発明は上記した問題点を改善するべくなされたもので
あり、酸素雰囲気中での高温熱処理による酸化時に、半
導体基板を表面に凸にわん曲させた状態で酸化するもの
である。わん曲させる手段として、半導体基板の表面側
のみを加熱し、裏面側を冷却することにより基板に加わ
る熱膨張差を利用するものである。酸化後に室温に冷却
するとウェハーは平坦にもどることから酸化膜には圧縮
応力を与えることが出来るため、ストレスに対して強い
ＭＯ８型半導体装置を実現することが出来る。このよう
な酸化方法を行なうには、半導体基板の表面側を加熱す
る手段と、裏面側を冷却する手段とを有する酸化装置を
用いればよい。
あり、酸素雰囲気中での高温熱処理による酸化時に、半
導体基板を表面に凸にわん曲させた状態で酸化するもの
である。わん曲させる手段として、半導体基板の表面側
のみを加熱し、裏面側を冷却することにより基板に加わ
る熱膨張差を利用するものである。酸化後に室温に冷却
するとウェハーは平坦にもどることから酸化膜には圧縮
応力を与えることが出来るため、ストレスに対して強い
ＭＯ８型半導体装置を実現することが出来る。このよう
な酸化方法を行なうには、半導体基板の表面側を加熱す
る手段と、裏面側を冷却する手段とを有する酸化装置を
用いればよい。
従来の酸化法では半導体基板を酸素雰囲気中で高温熱処
理することにより酸化膜を形成していた。
理することにより酸化膜を形成していた。
この時、半導体基板は基板全体（表面・裏面とも）が−
様に均一に加熱されていた。これに対し、本発明におい
ては、酸化時に半導体基板の表面のみを加熱し裏面は冷
却することにより半導体基板を表面に凸にわん曲させた
状態で酸化する。
様に均一に加熱されていた。これに対し、本発明におい
ては、酸化時に半導体基板の表面のみを加熱し裏面は冷
却することにより半導体基板を表面に凸にわん曲させた
状態で酸化する。
また、従来の酸化装置では、半導体基板を酸素雰囲気中
で高温熱処理する場合は半導体基板全体（表面・裏面と
も）を−様に均一に加熱していた。
で高温熱処理する場合は半導体基板全体（表面・裏面と
も）を−様に均一に加熱していた。
これに対し、本発明になる酸化装置においては、酸化時
に半導体基板の表面を加熱し裏面は冷却することにより
半導体基板を表面側に凸にわん曲させた状態で酸化する
。
に半導体基板の表面を加熱し裏面は冷却することにより
半導体基板を表面側に凸にわん曲させた状態で酸化する
。
次に本発明について図面を参照して説明する。
第１図は本発明の第１の実施例を説明するための酸化装
置の構造を示す概略図であり、図に於て１はチャンバー
、１１はガス導入口、１２はガス排気口、２は基板ホル
ダー、３は半導体基板、４は石英窓、５は加熱ランプを
それぞれ示す。当該装置を用いての酸化する手順は以下
の通りである。
置の構造を示す概略図であり、図に於て１はチャンバー
、１１はガス導入口、１２はガス排気口、２は基板ホル
ダー、３は半導体基板、４は石英窓、５は加熱ランプを
それぞれ示す。当該装置を用いての酸化する手順は以下
の通りである。
まず、チャンバー１内に設けられた基板ホルダー２上に
半導体基板３を表面を上にして置く。次にガス導入口１
１から酸素を含むガスを導入し、続いて加熱ランプ５を
点灯し石英窓４を通して半導体基板３の表面のみを加熱
し酸化する。当該酸化では、半導体基板３０表面が加熱
され裏面は放熱されることにより、基板の表面・裏面温
度差に依存した熱膨張差により半導体基板が上に凸とな
った状態で酸化が進行する。所望の時間酸化が行われた
後に温度が室温にもどると、半導体基板３は平坦にもど
るため、形成された酸化膜には圧縮応力が働くことにな
る。
半導体基板３を表面を上にして置く。次にガス導入口１
１から酸素を含むガスを導入し、続いて加熱ランプ５を
点灯し石英窓４を通して半導体基板３の表面のみを加熱
し酸化する。当該酸化では、半導体基板３０表面が加熱
され裏面は放熱されることにより、基板の表面・裏面温
度差に依存した熱膨張差により半導体基板が上に凸とな
った状態で酸化が進行する。所望の時間酸化が行われた
後に温度が室温にもどると、半導体基板３は平坦にもど
るため、形成された酸化膜には圧縮応力が働くことにな
る。
当該酸化に用いる装置では、半導体基板３の裏面からの
放熱を効果的に行うためにチャンバ−１底部内壁での光
反射を極力低減すると共に、チャンバー１を冷却するな
どの対策をするのが好ましい。
放熱を効果的に行うためにチャンバ−１底部内壁での光
反射を極力低減すると共に、チャンバー１を冷却するな
どの対策をするのが好ましい。
第２図は本発明になる酸化法のより改良された手法であ
る第２の実施例を説明するための酸化装置の構造を説明
する概略図である。図に於て、第１図と同記号は同一機
能を有する物体を示し、６はサセプター、７は冷却板を
示す。当該装置では、半導体基板３の裏面はサセプター
６を介して冷却板７に接触する。冷却板７は例えば水を
用いて冷却される。当該装置によれば、加熱ランプ５で
加熱される半導体基板３０表面と裏面間の温度差を数１
００℃にすることが出来るため、半導体基板のわん曲を
著しく大とすることが出来る。なお、サセプター６とし
ては例えば石英やＳｉＣ等を用い、この厚さを変化させ
ることにより上記温度差を調節することが出来る。また
、冷却板７を冷却する媒体の温度を変化させるのも一法
である。
る第２の実施例を説明するための酸化装置の構造を説明
する概略図である。図に於て、第１図と同記号は同一機
能を有する物体を示し、６はサセプター、７は冷却板を
示す。当該装置では、半導体基板３の裏面はサセプター
６を介して冷却板７に接触する。冷却板７は例えば水を
用いて冷却される。当該装置によれば、加熱ランプ５で
加熱される半導体基板３０表面と裏面間の温度差を数１
００℃にすることが出来るため、半導体基板のわん曲を
著しく大とすることが出来る。なお、サセプター６とし
ては例えば石英やＳｉＣ等を用い、この厚さを変化させ
ることにより上記温度差を調節することが出来る。また
、冷却板７を冷却する媒体の温度を変化させるのも一法
である。
第３図は本発明になる酸化法のさらに改良された手法で
ある第３の実施例を説明するための酸化装置の構造を説
明する概略図である。図に於て、第１図、第２図と同記
号は同一機能を有する物体を示す。当該装置では、サセ
プタ６は上に凸にわん曲し、この曲率に合致して下の冷
却板７０表面が上に凸に形成される。当該わん曲の曲率
は、半導体基板３に加熱ランプ５からの熱を照射し、半
導体基板３が上に凸にわん曲する時の曲率に合致するよ
うに選択する。即ち、当該装置では酸化時に半導体基板
３の裏面がサセプター６を介して冷却板７にすき間なく
接触するため、半導体基板３の径方向の温度ムラを低減
出来、温度差に起因するスリップの発生を防止したり、
あるいは酸化膜厚ムラを低減する効果がある。
ある第３の実施例を説明するための酸化装置の構造を説
明する概略図である。図に於て、第１図、第２図と同記
号は同一機能を有する物体を示す。当該装置では、サセ
プタ６は上に凸にわん曲し、この曲率に合致して下の冷
却板７０表面が上に凸に形成される。当該わん曲の曲率
は、半導体基板３に加熱ランプ５からの熱を照射し、半
導体基板３が上に凸にわん曲する時の曲率に合致するよ
うに選択する。即ち、当該装置では酸化時に半導体基板
３の裏面がサセプター６を介して冷却板７にすき間なく
接触するため、半導体基板３の径方向の温度ムラを低減
出来、温度差に起因するスリップの発生を防止したり、
あるいは酸化膜厚ムラを低減する効果がある。
なお、酸化時の加熱温度により半導体基板３のわん曲す
る曲率が異ることから、これを一定に保つために冷却板
の温度をコントロールするのも一法である。また、半導
体基板３のわん曲をより効率良く行うために半導体基板
の裏面にシリコンよりも熱膨張係数の小さな材料、例え
ば５ｉ３Ｎａ膜を予め設けておくのも効果がある。
る曲率が異ることから、これを一定に保つために冷却板
の温度をコントロールするのも一法である。また、半導
体基板３のわん曲をより効率良く行うために半導体基板
の裏面にシリコンよりも熱膨張係数の小さな材料、例え
ば５ｉ３Ｎａ膜を予め設けておくのも効果がある。
本実施例では、半導体基板３と冷却板７との間にサセプ
ター６を設けることとして説明したが、サセプター６は
半導体基板が冷却板７により汚染されることを防止する
ために設けられるものであり、かかる汚染の心配が無い
場合には半導体基板裏面を直接冷却板７に接して良いこ
とは言うまでもない。
ター６を設けることとして説明したが、サセプター６は
半導体基板が冷却板７により汚染されることを防止する
ために設けられるものであり、かかる汚染の心配が無い
場合には半導体基板裏面を直接冷却板７に接して良いこ
とは言うまでもない。
以上説明したように、本発明は酸化する際に半導体基板
の表面を凸とした形状で酸化できるため、形成された酸
化膜に圧縮応力を加えることができる。本発明を用いて
酸化した酸化膜の強度・安定性を、ＭＯ３容量構造で高
電界電流注入法を用いて評価した結果、従来酸化法の酸
化膜に比ベフラットバンド電圧の変化は１／１０．界面
準位密度の増加分は１１５に低減せしめることが出来た
。
の表面を凸とした形状で酸化できるため、形成された酸
化膜に圧縮応力を加えることができる。本発明を用いて
酸化した酸化膜の強度・安定性を、ＭＯ３容量構造で高
電界電流注入法を用いて評価した結果、従来酸化法の酸
化膜に比ベフラットバンド電圧の変化は１／１０．界面
準位密度の増加分は１１５に低減せしめることが出来た
。
なお、上記説明では、加熱ランプを用いて半導体基板を
加熱する手法を例にとり説明したが、他の加熱手段・例
えばレーザ光を用いてもあるいは高周波誘導加熱法を用
いても、半導体基板の表面を加熱し裏面を冷却すること
が出来れば加熱手段の選択は自由である。
加熱する手法を例にとり説明したが、他の加熱手段・例
えばレーザ光を用いてもあるいは高周波誘導加熱法を用
いても、半導体基板の表面を加熱し裏面を冷却すること
が出来れば加熱手段の選択は自由である。
第１図、第２図、第３図はそれぞれ本発明の第１、第２
．第３の実施例を説明するための酸化装置の構造を説明
する概略図である。 図に於て、１・・・・・・チャンバー ２・・・・・・
基板ホルダー ３・・・・・・半導体基板、４・・・・
・・石英窓、５・・・・・・加熱ランプ、６・・・・・
・サセプタ、７・・・・・・冷却板をそれぞれ示す。 代理人 弁理士 内 原 晋 、箔３図
．第３の実施例を説明するための酸化装置の構造を説明
する概略図である。 図に於て、１・・・・・・チャンバー ２・・・・・・
基板ホルダー ３・・・・・・半導体基板、４・・・・
・・石英窓、５・・・・・・加熱ランプ、６・・・・・
・サセプタ、７・・・・・・冷却板をそれぞれ示す。 代理人 弁理士 内 原 晋 、箔３図
Claims (3)
- （１）半導体基板の表面側を凸状にした状態で前記半導
体基板を酸化する工程を有することを特徴とする酸化膜
の形成方法 - （２）半導体基板の表面側を加熱し裏面側を冷却するこ
とにより、前記半導体基板を表面側に凸にわん曲せしめ
た状態で酸化することを特徴とした酸化膜の形成方法。 - （３）半導体基板の表面側を加熱する手段と、該半導体
基板の裏面側を冷却する手段とを具備し、前記半導体基
板を表面側に凸にわん曲せしめた状態で熱酸化するよう
にしたことを特徴とした熱酸化装置
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1010511A JP2643406B2 (ja) | 1989-01-18 | 1989-01-18 | 酸化膜の形成方法及び酸化装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1010511A JP2643406B2 (ja) | 1989-01-18 | 1989-01-18 | 酸化膜の形成方法及び酸化装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02189920A true JPH02189920A (ja) | 1990-07-25 |
| JP2643406B2 JP2643406B2 (ja) | 1997-08-20 |
Family
ID=11752244
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1010511A Expired - Lifetime JP2643406B2 (ja) | 1989-01-18 | 1989-01-18 | 酸化膜の形成方法及び酸化装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2643406B2 (ja) |
Cited By (2)
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| US5693578A (en) * | 1993-09-17 | 1997-12-02 | Fujitsu, Ltd. | Method of forming thin silicon oxide film with high dielectric breakdown and hot carrier resistance |
| JP2010074000A (ja) * | 2008-09-19 | 2010-04-02 | Nuflare Technology Inc | 気相成長装置及び気相成長方法 |
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-
1989
- 1989-01-18 JP JP1010511A patent/JP2643406B2/ja not_active Expired - Lifetime
Patent Citations (7)
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2643406B2 (ja) | 1997-08-20 |
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