JPH03134153A - 酸化膜形成方法及びその装置 - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は酸化膜形成方法及びその実施に好適な酸化膜
形成装置に間するもので、特に所望の膜厚の高品質の絶
縁膜を形成する際に用いて好適な方法及びその装置に関
するものである。

（従来の技術） 最先端技術により形成されるシリコン集積回路、特にＭ
ＯＳ（Ｍｅｔａｌ　０ｘｉｄｅ　Ｓｅｍ１ｃｏｎｄｕｃ
ｔｏｒ）集積回路では膜厚が極めて薄い酸化膜がゲート
絶縁膜に用いられる。とりわけ１．０ｕｍ以下のゲート
長を有するサブミクロンＭＯＳデバイスでは膜厚が例え
ば１００λ以下となる酸化膜が用いられ、このように膜
厚を薄くすることによって利得の向上が図られている。

酸化膜の従来の形成方法の一例としては、例えば文献：
　ｒＭＯ３ＬｓＩ製造技術、徳山　　嚢、橋本　哲−編
著、日経マグロウヒル社、Ｐ、６４（＋９８５）Ｊに示
されるものがあった。

この文献に開示されている方法では、まず、電気炉によ
って８００〜１２００’Ｃに加熱した石英管内に、清浄
化した基板を配ゴする。その後、酸化膜形成のための酸
化ガスを石英管内に導入する。酸化ガスとしては例えば
、乾燥した酸素ガス、或は酸素及び水素の混合ガス、或
は塩酸を霧状にして酸素ガスと混合したガスを用いる。

このような石英管内に基板を一定時間、一定温度で放置
しておくことによって基板表面に均一な膜厚の酸化膜が
形成される。

またこの文献に開示されている方法によつ膜厚が１００
λ以下の薄い酸化膜を形成したい場合には、石英管の加
熱温度を８００℃以下にする処言或いは、窒素で酸素を
稀釈して酸化速度の低下を図る処置がとられていた。

しかしながら上述の各方法によって得られた酸化膜は、
シリコン（基板）／シリコン酸化膜の界面状態が悪いた
め、ＭＯＳ　トランジスタ特性に悪影ＷＭもたらすこと
がしばしばあった。

そこで、最近では、上述の方法の代わりに、急速熱酸化
（Ｒａｐｉｄ　Ｔｈｅｒｍａｌ　０ｘｉｄａｔｉｏｎ　
、以下ＲＴＯと称する。）技術が用いられるようになっ
た。

ここでＲＴＯ技術とは、乾燥した酸素雰囲気中に半導体
基板を１き、この基板をタングステン−ハロゲンランプ
、アークランプ、レーザビーム等のような好適な急速加
熱源からのエネルギーによって数秒間で１０００°Ｃ以
上の温度になるまで加熱する処理を云う、ＲＴＯ技術に
用い得る従来の酸化膜形成装置は、例えば文献（電子材
料別冊製造装置組、工業調査金利、Ｐ、６５．（１９８
７）　’）に開示されている。

ＲＴＯ技術によれば、１０００℃以上の温度でかつ乾燥
雰囲気中で酸化が行なえるので、得られる酸化膜のシリ
コン／シリコン酸化膜界面の整合性が極めて良くなり酸
化膜の膜質向上が図れ、それ故に、電気的特性の極めて
良好なＭＯ３構造を得ることが出来た。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、従来のＲＴＯ技術では、温度上昇及び温
度降下が数秒程度で行なわれるため、基板に熱歪みが生
じる。具体例で説明すれば、基板として例えば主面が（
１００）面のシリコン基板を用いた場合、〈１１０〉軸
に沿ってスリップが発生する現象が見られる。この現象
は、熱処理温度を１１００℃以上とした酸化工程におい
て顕著であった。このようなスリップ現象の起きた基板
上に酸化膜を形成すると絶縁破壊をもたらすため問題で
ある。

このような問題を回避するため、日Ｔｏ技術においては
１０００℃前後の温度で酸化を行なうことが好適である
。しかし、このような温度にした場合以下のような新た
な問題点が生じる。第４図は、その説明に供する図であ
り、縦軸に酸化膜厚（λ）をとり、横軸に酸化時間（秒
）をとり、酸化温度をパラメータとして酸化時間と、酸
化膜厚との関係を示した図である。

第４図からも明らかなように、酸化温度が１０００℃で
は酸化が拡散律速となる。そのため、酸化速度が著しく
低下してしまう、したがって、酸化時間をいくら費やし
ても１００Å以上の膜厚の酸化膜を得ることが困難であ
った。

半導体装置の製造に当たっては、膜厚が１００Å以上の
酸化膜であってかつ膜質に優れた酸化膜が必要な場合も
多々あることを考えると、高品質な酸化膜が得られるＢ
Ｔ○技術においで１００Å以上の膜厚の酸化膜か得られ
れば非常に有用である。

この発明はこのような点に鑑みなされたものであり、従
ってこの発明の目的は、膜質に優れた酸化ｍを所望の膜
厚に形成出来る酸化膜形成方法及びその実施（こ好適な
装置を提供することにある。

（課題を解決するための手段） この目的の達成を図るため、この出願の第一発明によれ
ば、反応炉内に基板を設置し前述の反応炉内に酸化ガス
を導入し前述の基板を急速加熱処理して前述の基板に酸
化膜を形成するに当たり、酸化ガスをオゾンガスを含む
ガスとしたことを特徴とする。

なおここで云うオゾンンガスを含むガスとはオゾンガス
のみの場合、オゾンガスとオゾンガス以外の他のガスと
の混合ガスの場合等を意味する。

またこの出願の第二発明によれば、基板が設置される反
応炉と、この反応炉内を排気するための排気手段と、前
述の反応炉に接続され少なくとも酸化ガス源及びパージ
用ガス源を有するガス供給部と、前記基板を急速加熱す
るための加熱部とを具える酸化膜形成装置において、 酸化ガス源と、反応炉との間にオゾン発生器を具えたこ
とを特徴とする。

なお、第−及び第二発明の実施に当たり、基板を急速加
熱するための手段としては、タングステン−ハロゲンラ
ンプ、アークランプ、レーザービーム等のような種々の
ものを挙げることが出来る。これらの中でもクンゲステ
ン−ハロゲンランプは、比較的安価であるため、急速加
熱手段として用いて好適である。

さらに第−及び第二発明の実施に当たり、加熱温度は１
０００℃以上の好適な温度とするのが好適であるが、こ
の温度は実用的な酸化速度が得られ然も基板にスリップ
を生じさせることがない温度とするのが良い。

また、ここで基板とは、シリコン基板の他に、このシリ
コン基板に工どり主シャル層を形成したもの、その他、
これらに限らず酸化膜が形成されるべき広く下地を意味
している。

（作用） この出願の酸化膜形成方法及びその装置によれば、基板
の酸化がオゾン雰囲気中で行なわれるようになるので、
熱処理温度を１０００℃程度の温度とした場合であって
も酸化が反応律速過程となり急激に進行する。従って、
熱処理温度ｉ＋ｏｏｏ℃程度の温度としたＲＴＯ技術に
おいても膜厚が１００＾以上の酸化膜が得られるよ′う
になる。

（実施例） 以下、図面を参照し、この出願の第−及び第二発明の実
施例につき説明する。

尚、図面はこれら発明が理解出来る程度に、各構成成分
の寸法、形状及び配設位百を概略的に示しているにすぎ
ない、従って各構成成分の寸法、形状及び配置間係は図
示例に限定されるものではない、また、以下の説明では
、特定の材料及び特定の数値的条件を挙げて説明するが
、これら材料及び条件は単なる好適例１こすぎす、従っ
てこれら発明がこれらの材料及び条件に限定されるもの
ではないことは理解されたい。

まず、第一発明の酸化膜形成方法の実施に好適な第二発
明の酸化膜形成装置の実施例につき説明する。

第２図は実施例の酸化膜形成装置の主要部（主として反
応炉及び加熱部の構成）を概略的に示す断面図である。

なお、第２図では反応炉内に基板を設置した状態を示す
。

また菌３図は実施例の酸化膜形成装置の全体構成を概略
的に示す図である。

第３図にも示すように、この酸化膜形成装置は、基板が
設置される反応炉１０と、反応炉１０内の真空排気を行
なうための排気手段１２と、反応炉１゜に接続されるガ
ス供給部１４と、基板を急速加熱処理するための加熱部
１６とを備えて成る。以下、この実施例の装置の詳細な
構造の説明を行なう。

第２図にも示すようにこの実施例では、反応炉（チャン
バー）１０を例えば本体１０ａ　、　Ｍ部材１０ｂ及び
昇降部材１０ｃから構成する。本体１０ａ及び昇降部材
ｔ（ｌｃの形成材料としては例えば、ステンレスを、ま
た蓋部材１０ｂ及び後述の支持体２０の形成材料として
は、例えば石英を用いる。

本体１０ａ及び昇降部材１０ｃは分離可能ζこ一体とな
って凹部ａを形成するものであり、昇降部材１０ｃの凹
部ａの側に基板１８を載せるための支持体２０ヲ設けて
昇降部材１０ｃの昇降によって支持体２゜をのせた基板
１８を反応炉１０内へ入れ或は反応炉１゜外へ取り出せ
るようｌこする。図示例では昇降部材１０ｃを例えば機
械的に昇降させるための昇降袋ゴ２２と連結させている
。

また蓋部材ｊｏｂ　！着脱自在に本体１０ａに取り付け
る。本体１０ａと蓋部材＋ｏｂ及び昇降部材１０ｃとの
間には気密保持部材２４例えばバイトシパッキンを設け
ており、従って反応炉１０内の真空引きを行なった際に
気と保持部材２４を介し、気と状態が形成できる。

また凹部ａの基板近傍位１に基板１８の表面温度を測定
するための温度測定手段２６例えばオプティカルパイロ
メータを設ける。

さらにこの実施例では加熱部１６を任意好適な構成の赤
外線照射手段、例えば赤外線ランプ１６ａとこの手段１
６ａ　％支持するための支持部材＋６ｂとを以って構成
する。赤外線ランプ１６ａとしではタンクステンーハロ
ゲンランプその他の任意好適なランプを用いる。好まし
くは、複数個の赤外線ランプ１６ａ　％反応炉１０内の
加熱を均一に行なえるように配置する。

ざらにこの実施例では赤外線ランプ１６ａを、反応炉１
０外の蓋部材１０ｂと対向する位雷に配置している。赤
外線ランプ１６ａ　ＩＦｒ反応炉１０外に設置すること
により、赤外線ランプ１６ａを酸化ガス雰囲気から遮断
できるので、ランプの長寿命化が図れる。また、既に説
明したように蓋部材＋ｏｂは石英で構成しであるので赤
外線は蓋部材＋ｏｂを容易に透過し基板１８に達する。

また赤外線ランプ１６ａの支持部材＋６ｂの配設位［％
これに限定するものではないが、図示例では支持部材＋
６ｂを支持部材＋６ｂと本体１０ａとの間に蓋部材１０
ｂ及び本体１０ａの当接部を閉じ込めるように、本体１
０ａに着脱自在に取り付け、ざらに支持部材＋６ｂと本
体１０との間に気玉保持部材２４を設ける。このように
支持部材＋６ｂ　を設けることによって反応炉１０内の
真空気と性の向上が図れる。

尚、第２図において符号２８は反応炉１０及びガス供給
部１４の間に設けたガス供給管、また３０は反応炉１０
及び排気手段１２の間に設けた排気管を示す。

次に第３図を参照してこの実施例の真空排気系及びガス
供給系につき説明する。尚、真空排気系及びガス供給系
を以下に述べる例に限定するものではない。

まず真空排気系につき説明する。この実施例では排気手
段１２ヲ例えばターボ分子ポンプ１２ａとこのポンプ１
２ａと接続されたロータリーポンプ＋２ｂとを以って構
成する。排気手段１２ヲ例えば図示のように配設した排
気管３０及びバルブを介して反応炉１０と連通させて接
続する。

第３図において３２ａ〜３２ｄは排気管３０に連通させ
て設けた真空計（或は圧力ゲージ）であり、真空計３２
ａ及び３２ｄを例えば１〜１Ｏ−３Ｔｏｒｒの範囲の圧
力測定に用いるバラトロン真空計（或いはビラニー真空
計）とし、また真空計３２ｂ及び３２ｃを例゛えば１０
−３〜１０−８Ｔｏ　ｒ　ｒの範囲の圧力測定に用いる
イオンゲージとする。真空計３２ｂと排気管３０との間
には真空計３２ｂを保護するための自動開閉バルブ３４
を設け、真空計３２ｂの動作時に真空計３２ｂに対して
１Ｏ−３Ｔｏｒｒ以上の圧力を負荷しないようにバルブ
３４の開閉を自動制御する。３６ａ〜３６ｆは排気手段
１２及び反応炉１０の間に設けられる自動開閉バルブで
あり、これらバルブ３６ａ〜３６ｆをそれぞれ任意好適
に開閉することによって、反応炉１０内の圧力を任意好
適な圧力に制御し反応炉１０内に低真空排気状態及び高
真空排気状態を形成する。

ざらに３８は圧力調整用のニードルバルブ及び４０はレ
リーフバルブであり、バルブ４０は反応炉１０内の圧力
が大気圧以上になった場合例えば７８０Ｔｏｒｒを越え
た場合に自動的に開放し、バルブ４０の開放によってガ
ス供給部１４から反応炉１０内へ供給されたガスを排気
する。

次にガス供給部につき説明する。この実施例ではガス供
給部１４ヲパージ用ガス源例えば不活性ガス源１４ａと
、酸化ガス源＋４ｂとを以って構成する。このガス供給
部１４を例えば図示のように配設した供給管２８及びバ
ルブを介して反応炉１０と連通させて接続する。

第３図において４２はガス供給系、４４はバルブ、４６
ａ、　４６ｂ及び４８ａ、　４８ｂは自動開閉バルブ、
５０ａ。

５０ｂはガス供給部１４から反応炉ガスへ導入されるガ
スに関する自動ガス流量コントローラである。

バルブ４４．４８ａ　、　４８ｂ　、４６ａ、４６ｂを
それぞれ任意好適に開閉することによって、所望のガス
をガス供給部１４から反応炉１０へ供給できる。

ざらに第３図において、５１は酸化ガス源＋４ｂと反応
炉１０との間、この実施例では酸化ガス源＋４ｂと反応
炉１０との間のガス供給系の酸化ガス導入系内に設けら
れたオゾン発生器である。この実施例のオゾン発生器５
１は、紫外線ランプ（図示せず）を具えた構成としてあ
り、当該オゾン発生器５１内を通過する酸化ガス例えば
酸素ガスに紫外線を照射してオゾンを発生する。

次に、第２図及び第３図を用いて説明した実施例の酸化
膜形成装置を用いた例により第一発明の酸化膜形成方法
の実施例につき説明する。なお、この実施例では絶縁膜
をシリコン酸化膜とする。

また、以下の説明では第２図、第３図を適宜参照された
い。

この実施例では基板１８としてシリコン基板を用意し、
この基板１８に対し従来行なわれている如く化学薬品及
び純水等を用いて酸化前洗浄を先ず行なう。

次に反応炉１０内で基板１８に自然酸化膜が形成される
のを防止するため、バルブ４６ａ、４８ａ、４４を開は
パージ用ガス源１４ａから反応炉１０内にパージ用のガ
スとして例えば富素ガス或いは不活性ガス例えばアルゴ
ン（Ａｒ）を予め導入しておく。

次に反応炉１０内に基板１８を設置する。基板１８は昇
降部材Ｉｎｃの支持体２０上に固定する。

次にバルブ４６ａ、４８ａ、４４を閉じてパージ用ガス
源１４ａからのガス導入を停止する。

次に排気手段１２によって反応炉１０内を例えばｌＸｌ
０−’ＴＯｒｒの高真空に真空排気し、反応炉１０内の
壁面ないしは基板１８表面に付着している水分を除去し
て清浄化する。この真空排気は、バルブ３８．３６ａ　
、３６ｅ　、３６ｆ　、３４．４８ａ　、−４６ａを閉
じておいてバルブ３６ｂ　、３６ｃ　、　３６ｄを開き
ロータリーポンプ１２ｂを作動させ、反応炉１０内の圧
力を真空計３２ａでモニター（監視）しながら真空排気
を行なう、そして反応炉１０内が例えばｌＸｌ０−３Ｔ
ｏｒｒの圧力となった後、バルブ３６ｃ　、３６ｄを閉
じてバルブ３６ｅ　、３４％開き、真空計３２ｂで反応
炉１０内の圧力をモニターしなからｌＸ１０−”Ｔｏｒ
ｒまで反応炉１０内を排気することで行なえる。

反応炉１０内を上述のように高真空に排気したら、次に
バルブ３６ａ、３６ｂ、３６ｄ、３６ｅ　＠閉じる。そ
の後、オゾン発生器５１ヲ動作させ、バルブ４４．４８
ｂ。

４６ｂを開け、酸化ガス源＋４ｂから酸素ガスを供給す
る。酸素ガスは、オゾン発生器５１を通過する際にオゾ
ン発生器５１に備わる紫外線ランプ（図示せず）からの
紫外線によってオゾンとなって反応炉１０内へ供給され
る。

オゾンが供給されるとき反応炉１ｏ内は、減圧状態、大
気圧状態、大気圧より圧力が高い正圧状態のうちのいず
れでも良く設計に応じた状態とすることが出来る０反応
炉１０内を減圧状態に維持することは、オゾンガスを導
入しながらバルブ３６ａ　＠開はバルブ３８を操作する
と共に、オゾンガスの流ｔＶ自動流量コントローラ５０
ｂで調整することによって行なえる。これによれば、反
応炉１０内を例えば１００〜１Ｏ−２Ｔｏｒｒの低真空
の減圧状態に維持することも出来る。

次に、加熱部１６によって基板１８ヲ加熱して基板表面
に酸化膜を形成する。

この基板１８の加熱は加熱部１６の赤外線ランプ１６ａ
によって行なう。この際に、基板１８の表面温度を温度
測定手段２６で測定しながら、基板１８の温度が例えば
約１００°Ｃ／秒の割合で上昇するようにかつ温度が約
１０００℃となった後その温度を所定の時間例えば約約
１０〜１２０秒間保持出来るように、基板１８の加熱を
制御する。なお、この実施例で云う酸化時間とは基板１
８の温度を１０００℃に保持している時間を云っている
。

上述のような条件で、基板を加熱して酸化膜を形成する
。なお酸化膜の膜厚制御は例えば、酸化温度、酸化時間
及び酸化ガスの流ｊｌを調整することによって行なえる
。

所望の膜厚の酸化膜を形成したら、次に基板１８の加熱
を停止する。

この加熱の停止と共に或は加熱停止の後に、バルブ４６
ｂ、４８ｂを閉じて酸化ガスの供給を停止しバルブ４６
ａ、４６ｂを開いて反応炉１０内の酸化ガスを不活性ガ
ス、例えばアルゴン（Ａｒ）ガスに置換する。不活性ガ
スに言換することによって酸化膜が必要以上に成長する
のを阻止する。

次に基板１８ヲ例えば室温まで冷却する。基板１８が室
温、例えば２５°Ｃまで下がったら反応炉１０から基板
１８を取り出す。

第１図は、上述の実施例の酸化膜形成方法による実験結
果を示した図であり、横軸に酸化時間をとり縦軸に酸化
膜の膜厚をとり、酸化時間と、この酸化時間によって形
成出来る酸、化膜の膜厚との関係を示したものである。

第１図に示した特性図と、第４図中の酸化温度が１００
０℃の場合の特性図とを比較することで明らかなように
、酸化ガスをオゾンガスを含むガスとしている本実施例
によれば、酸化ガスを酸素ガスとしていた従来の方法に
比し、同一酸化時間で２〜５倍の膜厚の酸化膜が形成出
来ることが分る。

ざらに酸化時間を変えることによって膜厚が５０λ程度
から数１００人の酸化膜が任意に形成出来る。

さらに、このような膜厚の酸化膜を得る場合の酸化温度
は１０００℃程度で良いので、基板にスリ・シブを発生
させることもない。

以上がこの出願の第−及び第二発明の詳細な説明である
。しかしこれら発明は上述の実施例に限られるものでは
なく以下に説明するような種々の変更を加えることが出
来る。

上述の酸化膜形成方法の実施例は、酸化前洗浄の終了し
た基板に対し直に酸化処理を行なう例てあった。しかし
酸化前洗浄が終了した基板を還元゛ｉ雰囲気にざらした
状態で加熱し基板に形成されている自然酸化膜を先ず除
去し、その後にこの発明の酸化膜形成方法を実施しても
勿論良い。

また、上述の実施例はシリコ）基板にシリコン酸化膜を
形成する例であった。しかしこの発明の方法はシリコン
以外の他の酸化膜の形成にも適用して好適である。

また実施例の酸化膜形成装置ではオゾン発生器５１を紫
外線ランプを用いたもので構成していた。

しかし、オゾン発生器の構成はこれに限られるものでは
なく他の構成でも勿論良い。

（発明の効果） 上述した説明からも明らかなように、この発明の酸化膜
形成方法及びその装置によれば、基板の酸化がオゾン雰
囲気中で行なわれるようになるので、熱処理温度ｔ　＋
ｏｏｏ℃程度の温度とした場合であっても酸化が反応律
速過程となり急激に進行する。従って１、熱処理温度！
　１０００℃程度の温度としたＲＴ○技術においても膜
厚が１００Å以上の酸化膜が得られるようになる。

ざらに、所望の酸化膜を１０００℃程度の温度で得るこ
とが出来るため、基板にスリップが発生することもない
。従って、電気的信頼性の高い酸化膜を得ることが出来
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、実施例の酸化膜形成方法の説明に供する図、 第２図は、実施例の酸化膜形成装置の要部を示す断面図
、 第３図は、実施例の酸化膜形成装置の全体構成を示す図
、 第４図は、従来の酸化膜形成方法の説明に供する図であ
る。 １４ｂ・・・酸化ガス源、　　＋　６−・・加熱部１６
ａ　＝赤外線ランプ、　＋６ｂ　−・・支持部材１８・
・・基板、　　　　　　２０−・・支持体２２・・・昇
降装置、　　　　２４・・・気密保持部材２６−・・温
度測定手段、　　２８・・・ガス供給管３０−・・排気
管、　　　　　３２ａ　〜３２ｄ　・・・真空計３４．
３６ａ　〜３６ｆ、３８，４０，４４．４６ａ、４６ｂ
、４８ａ、４８ｂ−バルブ４２−・・ガス供給系 ５０ａ、５０ｂ　・・・ガス流量コントローラ５１−・
・オゾン発生器。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）反応炉内に基板を設置し前記反応炉内に酸化ガス
   を導入し前記基板を急速加熱処理して前記基板に酸化膜
   を形成するに当たり、 酸化ガスをオゾンガスを含むガスとしたことを特徴とす
   る酸化膜形成方法。
2. （２）基板が設置される反応炉と、該反応炉内を排気す
   るための排気手段と、前記反応炉に接続され少なくとも
   酸化ガス源及びパージ用ガス源を有するガス供給部と、
   前記基板を急速加熱するための加熱部とを具える酸化膜
   形成装置において、酸化ガス源と、反応炉との間にオゾ
   ン発生器を具えたことを特徴とする酸化膜形成装置。