JPH04276621A - 絶縁薄膜の形成方法および形成装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体素子の絶縁薄膜
の形成に係わり、特に水分を除去した、前記絶縁薄膜の
原料ガスを、窒素等の中性ガスもしくはアルゴン等の不
活性ガスで希釈した雰囲気内で行う絶縁薄膜の形成方法
とそのその形成装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、Ｓｉを用いたＭＯＳ（ｍｅｔａ
ｌ　ｏｘｉｄｅ　ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）構造素
子のゲート用絶縁膜材料としては、Ｓｉ酸化膜やＳｉ窒
化膜等が用いられているが、特に前者は、下地となるＳ
ｉ基板を酸素雰囲気中で加熱することにより、良好な絶
縁膜を比較的容易に形成できるため多用されている。こ
のようなＳｉ酸化膜形成方法としては、通常、（１）　
上述したように、Ｓｉ基板を常圧の高純度酸素雰囲気中
で抵抗加熱電気炉で加熱する方法が一般的であり、その
他、（２）　Ｓｉ基板を不活性ガスで希釈した酸素雰囲
気中や減圧下で赤外線を照射して急速に昇温酸化する方
法、（３）　シランガス等の水素化Ｓｉガスと酸素等を
用い、プラズマや光化学反応を利用した化学気相（ＣＶ
Ｄ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｖａｐｏｒ　ｄｅｐｏｓｉｔｉ
ｏｎ）法等による膜を堆積する方法、等が用いられてい
る。中でも、第１の方法は、１気圧、すなわち常圧下で
、第３の方法のような処理装置に比べ極めて簡単な抵抗
加熱電気炉を使用して実施することができ、しかも、第
２の方法のように急速な加熱冷却に伴うＳｉ基板や基板
上成膜における熱応力発生を軽減できる等の点で実用上
極めて有用な方法である。

【０００３】近年、ＭＯＳ構造素子は微細化・高性能化
が積極的に進められており、これに伴いゲート用Ｓｉ酸
化膜は膜厚１０ｎｍ以下の薄膜を使用するに至っており
、界面状態の良好な、均一な膜質・膜厚のＳｉ酸化薄膜
を形成する絶縁薄膜形成工程は、信頼性の高い高性能な
当該素子を実現する上で極めて重要な工程となっている
。このような薄膜を、従来技術の内で最も多用されてい
る前述した第１の方法で行った場合、酸化反応を行う処
理室内の雰囲気中の水分濃度が通常約２００〜５００ｐ
ｐｍ以上と高いために、Ｓｉ酸化薄膜と基板との界面や
Ｓｉ酸化薄膜中にＳｉ−ＨやＳｉ−ＯＨ結合等の余分な
結合状態が生成されたり、また、これらＳｉとの結合原
子が脱離することによって点欠陥（Ｓｉダングリングボ
ンド等）が形成されたり、さらには基板上の付着水分濃
度の差異によりＳｉ酸化速度が変動してＳｉ酸化薄膜の
膜厚が結果的に不均一になる、等の実用上極めて大きな
問題があった。

【０００４】また、このような処理室内の水分濃度を低
下させる目的で、処理室と外気との遮断を行うための基
板交換室を備えていることは少なく、また、基板交換室
を仮に有してしても、単に外気の混入を一時的に遮断す
ることが目的で、外気を起源とした、あるいは基板や基
板固定器具等に付着した水分を積極的に除去することを
目的には構成されていなかった。このため、処理室内へ
低水分のガスを導入しても、外気からの巻き込みによる
処理室内への水分の侵入や、基板や基板固定器具等に付
着した水分等によって処理室内雰囲気中の水分濃度が増
大、かつ変動した。しかも、前述したようなＳｉ酸化薄
膜の平均膜厚の薄膜化を再現性良く実現するために酸化
速度を低下させる、すなわち、酸化温度を低下させる必
要があり、本来膜質、あるいは近接膜との整合性の点か
ら最適な酸化温度範囲があるにもかかわらず、これを実
現できず、最良のＳｉ酸化薄膜を形成することが極めて
困難であった。

【０００５】以上のような、Ｓｉ酸化薄膜の欠陥や膜厚
の不均一性、さらには酸化温度範囲の制約のため、ＭＯ
Ｓ構造素子の経時的な電気特性劣化を引き起こすホット
キャリアや界面準位の発生頻度、およびキャリアトラッ
プ密度が低い、しかも、膜厚変動の小さいゲート用絶縁
薄膜の形成が困難と言う、実用上極めて深刻な問題があ
った。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このように従来技術で
は、Ｓｉ酸化薄膜の形成が、常圧すなわち１気圧の高い
水分濃度の酸素雰囲気下で実施されていたため、Ｓｉ酸
化薄膜と基板との界面およびＳｉ酸化薄膜中にこの水分
に起因した格子欠陥や目的以外の結合状態が形成され、
また基板上の水分濃度の差異に伴い膜厚が変動し、しか
も極めて薄い薄膜の平均膜厚の再現性を確保するために
は酸化温度に制約が生じる、等の障害があり、これらに
起因した膜質低下に伴って前述界面近傍でのホットキャ
リアの発生・トラップ量の増大等が生じることになり、
ＭＯＳ構造素子の電気特性の経時変化特性が劣化し、信
頼性の高い素子を実現することが困難であった。

【０００７】本発明は上記の実情に鑑みてなされたもの
で、極めて高品質の絶縁薄膜形成を信頼性高く実現でき
る絶縁薄膜の形成方法および形成装置を提供することを
目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明はこのような課題
を解決するものであり、Ｓｉ酸化薄膜の形成を約１００
ｐｐｍ以下の極めて低い水分濃度で、かつ、酸素を窒素
等の中性ガスもしくはアルゴン等の不活性ガスで希釈し
た雰囲気下で実施することにより、前述した様なＳｉ酸
化薄膜と基板との界面、およびＳｉ酸化薄膜中の欠陥密
度を低減すると共に、酸化温度の昇温限界を広げること
により、Ｓｉ酸化膜の膜質や他の膜との整合性を向上す
るものである。すなわち、所定のガスで充満された雰囲
気内に半導体基板を設置する第１工程と、前記雰囲気を
所定のガスで約１００ｐｐｍ以下の所定の水分濃度に保
持し、前記半導体基板を所定の温度に加熱する第２工程
と、前記雰囲気を絶縁薄膜の原料となるガスと窒素等の
中性ガスもしくはアルゴン等の不活性ガスとの混合ガス
で、約１００ｐｐｍ以下の所定の水分濃度に保持し、絶
縁薄膜を形成する第３工程と、前記第３工程で前記絶縁
薄膜を形成した後、前記雰囲気を所定のガスで充満させ
、該雰囲気中で前記半導体基板の加熱温度よりも低い所
定の温度まで該半導体基板を冷却する第４工程とで構成
される絶縁薄膜の形成方法、及び半導体基板上に形成さ
れる絶縁薄膜の原料となるガスと窒素等の中性ガスもし
くはアルゴン等の不活性ガスとの混合ガスの供給系を備
えた絶縁薄膜を形成する処理手段と、前記処理手段の雰
囲気に所定のガスを供給すること、および該雰囲気を所
定の圧力に排気することを制御する雰囲気制御手段と、
前記絶縁薄膜の形成時と形成後に前記半導体基板を所定
の温度に加熱する基板加熱手段と、前記雰囲気制御手段
を備え、前記処理手段に前記半導体基板を外気から遮断
して、搬送し設置する基板交換手段とを具備することを
特徴とする絶縁薄膜形成装置を用いる。

【０００９】

【作用】本発明は、Ｓｉ酸化薄膜の形成を極めて低い水
分濃度で、かつ、酸素を窒素等の中性ガスもしくはアル
ゴン等の不活性ガスで希釈した雰囲気下で実施すること
により、Ｓｉ酸化薄膜と基板との界面、およびＳｉ酸化
薄膜中の欠陥密度を低減すると共に、酸化温度の昇温限
界を広げることにより、Ｓｉ酸化膜の膜質の他の膜との
整合性を向上することが可能になるため、ＭＯＳ構造素
子の電気特性の経時変化特性等の劣化を防止した、再現
性の良い、信頼性の高い素子が実現できる

【００１０】
。

【実施例】実施例として、Ｓｉ基板を用いたＭＯＳダイ
オード形成工程の内の、ゲート用Ｓｉ酸化薄膜形成工程
を例に、本発明の絶縁薄膜の形成方法と形成装置の構成
について説明する。なお、実施例では、Ｓｉ酸化薄膜の
形成装置の基板出し入れ方法として、処理室内壁に接触
することなく移送ができる方式（ソフトランディング）
　を採用した場合を例に形成方法と装置構成を説明する
。

【００１１】図１は、本発明に係わるゲート用絶縁薄膜
形成装置の１実施例を示す概略構成図である。図１にお
いて、１は処理室、２ａ，２ｂは水分除去器、３は加熱
部、４は処理室用ガス導入系、５は処理室排気系、６は
処理室開閉部、７は基板交換室、８は基板交換室用ガス
導入系、９は基板交換室排気系、１０は伸縮管、１１は
基板移送用駆動部、１２は基板固定台支持部、１３は基
板固定台、１４は基板、１５はベーク用ヒーター線、１
６は伸縮方向である。

【００１２】処理室１は、処理温度、ガスの種類と流量
、ガス中水分濃度、および排気速度が制御できる、加熱
部３、処理室用ガス導入系４、水分除去器２ａ、および
処理室排気系５を有しており、所要の条件に設定可能な
構成になっている。また、その端部には外気の混入防止
と室内雰囲気の維持のための処理室開閉部６が設けられ
ており、基板交換室７と気密性を維持して接続されてい
る。この基板交換室７は外部からの基板の出し入れを行
うための開閉扉（図示省略）　があり、また所要の雰囲
気を実現するため、ガスの種類と流量、ガス中水分濃度
、および排気速度が制御できる、基板交換室用ガス導入
系８、水分除去器２ｂ、および基板交換室排気系９を有
する。さらに、これの端部には基板移送のための機構で
ある伸縮管１０、基板移送用駆動部１１、基板固定台支
持部１２、および基板固定台１３が接続されている。 すなわち、基板固定台１３に設置された基板１４は基板
固定台支持部１２に接続された基板移送用駆動部１１の
移動（図では、伸縮方向１６のような左右方向に移動で
きる）　によって基板交換室７と処理室１との間を移動
できると共に、基板固定台１３と共に処理室１内に設置
できる。この移動の際、伸縮管１０は基板移送用駆動部
１１の動きに連れて基板交換室７の雰囲気を壊す事なく
伸縮が可能な様になっている。なお、水分除去器２ａ，
２ｂは、所要の極めて低い水分濃度（例えば約１０ｐｐ
ｂ以下）　のガスが供給できる能力を有する。また、基
板交換室７と伸縮管１０の外周には壁内水分加熱除去の
ためのベーク用ヒーター線１５が設置されている。

【００１３】以上述べたように、処理室１および基板交
換室７は各々独立に雰囲気を制御でき、特に処理室１は
、ゲート用絶縁薄膜形成工程を、全く大気との接触を断
ちながら極めて低水分濃度の雰囲気下で進行させること
が可能な装置構成になっている。

【００１４】ここで、Ｓｉ−ＭＯＳダイオード形成工程
の内のゲート用Ｓｉ酸化薄膜形成工程として、Ｓｉ酸化
膜や窒化膜等の絶縁厚膜でダイオード動作領域以外が絶
縁されるようにパターニングされたＳｉ基板面露出部（
ダイオード動作領域）　上へ酸素を供給し、熱拡散・酸
化反応により薄いＳｉ酸化薄膜（例えば５ｎｍ）　を該
基板上に形成する工程を例に、本発明の装置の利用方法
を示しながら、本発明の低水分・希釈酸素雰囲気下での
絶縁薄膜の形成方法の一例を説明する。

【００１５】前記パターニングされたＳｉ基板露出部を
有した基板１４を、Ｎ２　等のＳｉに対して悪影響を与
えない中性ガスもしくはＡｒ等の不活性ガスで充満して
ある基板交換室７内の基板固定台１３に設置した上で、
高真空（例えば、約１０−６Ｔｏｒｒ以下）　に排気し
、かつ、所要の時間ベーク用ヒーター線１５によりその
内壁を加熱（例えば約８０〜２００℃）し雰囲気中の水
分濃度の低下と清浄性の向上を図る（第１予備工程）　
。なお処理室１も予め高真空に排気し、かつ加熱部３に
よりその内壁を加熱（例えば約７００〜１０００℃）　
し低水分濃度の清浄な雰囲気とする（第２予備工程）　
。基板交換室７内の残留水分濃度が所要の水分圧以下（
例えば、約１０−８Ｔｏｒｒ以下）　になった時点で、
処理室１での処理雰囲気と同圧になるまで前述の中性ガ
スもしくは不活性ガスを導入した後、処理室開閉部６を
開き基板１４を処理室１へ移送する（第１工程）　。な
お、処理室１も、基板交換室７の雰囲気と同様な低水分
圧になった時点で、所要の温度に、前記中性ガスもしく
は不活性ガスを導入した状態（この時の水分濃度は約１
００〜１ｐｐｍ以下）　にしておく。移送後、処理室開
閉部６を閉鎖し、処理室１内に前記中性ガスもしくは不
活性ガスを適量導入しながら、場合によっては同時に排
気し、処理室１内を所要の圧力（例えば、約２０００〜
０．１Ｔｏｒｒ）　に保持すると共に、基板１４を所要
の酸化温度（例えば、約７００〜１０００℃）　まで加
熱する（第２工程）　。所要の酸化温度になった時点で
、前記処理室１内への導入中性ガスもしくは不活性ガス
と共に、同時に酸素を処理室１内に適量導入しながら、
場合によっては同時に排気し、処理室１内を所要の圧力
（例えば、約２０００〜０．１Ｔｏｒｒ）　に保持する
ことによって、前記Ｓｉ基板面露出部にＳｉ酸化薄膜を
熱拡散反応により形成させる（第３工程）　。所要の酸
化膜厚になった時点で、前記酸素の導入を停止し、処理
室１内に導入し続けている前記中性ガスもしくは不活性
ガスによって処理室１内が充満された状態で、基板１４
を次の工程（通常、ゲート電極形成工程）　に支障のな
い温度（例えば、約６００℃〜室温近傍）　まで冷却す
る（第４工程）　。なお、この冷却は、膜形成後、処理
室１内が前記中性ガスもしくは不活性ガスに置換された
時点で、基板１４を、処理室１内雰囲気と同等のガス雰
囲気にしてある基板交換室７へ戻し、処理室開閉部６を
閉鎖した上で、前記温度まで冷却しても、同等の低水分
濃度雰囲気でのゲート用Ｓｉ酸化薄膜を得ることができ
る。

【００１６】このように、本発明の低水分濃度・希釈酸
素雰囲気下での絶縁薄膜形成方法を実施することにより
、常圧酸素雰囲気下では酸化速度が早すぎ、酸化時間の
調整が極めて困難な高い酸化温度下でも、希釈酸素雰囲
気中で基板１４への酸素供給量を任意に制御できるため
、極めて制御性・再現性良く所要の酸化温度で基板１４
のＳｉ基板面露出部に極めて薄い（例えば、５ｎｍ以下
）　ゲート用Ｓｉ酸化薄膜を実現できた。しかも、超低
水分下での処理のため、このような極薄膜で重要な絶縁
薄膜自体の膜質、および絶縁薄膜と基板との界面特性が
向上し、経時特性の劣化の一要因であるゲート絶縁膜中
での電荷蓄積を軽減・抑制できた。ここで述べた結果は
、本発明の有効性の一例に過ぎず、本発明を実施するこ
とにより所要の温度で、かつ、雰囲気中の水分の悪影響
をほぼ完全に抑制できるため、高品質の絶縁薄膜を高い
信頼性で実現することができる。

【００１７】以上述べた実施例はゲート用Ｓｉ酸化薄膜
の形成を例に説明したものであるが、これ以外にも、分
子線やプラズマ、イオンビーム、光化学反応等を用いた
絶縁薄膜形成等に対して適用できる他、化合物半導体や
ヘテロ接合デバイスの絶縁薄膜形成、その他各種の絶縁
薄膜形成に本発明が適用できることは言うまでもない。 また、処理室を多段にしたり、処理室を縦型にした装置
構成の場合でも、あるいは他の基板処理を行うために基
板交換室内での基板への光照射や基板の加熱が可能な様
に改良した場合でも、さらには基板の移送機構や基板交
換室の移動機構を変更した場合でも、本発明の主旨を逸
脱するものではない。

【００１８】

【発明の効果】以上述べた様に、本発明により極めて高
品質の絶縁薄膜形成を信頼性高く実現できる。その為、
本発明は、高品質のゲート用絶縁薄膜形成を始めとして
、様々な半導体素子の高品質絶縁薄膜形成を信頼性高く
実現する上で非常に有効である。したがって、本発明を
実施することによる工業上の利点は極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる絶縁薄膜形成装置の一実施例を
示す概略構成図である。

【符号の説明】

１…処理室、２ａ，２ｂ…水分除去器、３…加熱部、４
…処理室用ガス導入系、５…処理室排気系、６…処理室
開閉部、７…基板交換室、８…基板交換室用ガス導入系
、９…基板交換室排気系、１０…伸縮管、１１…基板移
送用駆動部、１２…基板固定台支持部、１３…基板固定
台、１４…基板、１５…ベーク用ヒーター線、１６…伸
縮方向。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　半導体基板上に絶縁薄膜層を有する構
   造の素子の絶縁薄膜の形成方法において、所定のガスで
   充満された雰囲気内に半導体基板を設置する第１工程と
   、前記雰囲気を所定のガスで約１００ｐｐｍ以下の所定
   の水分濃度に保持し、前記半導体基板を所定の温度に加
   熱する第２工程と、前記雰囲気を絶縁薄膜の原料となる
   ガスと窒素等の中性ガスもしくはアルゴン等の不活性ガ
   スとの混合ガスで、約１００ｐｐｍ以下の所定の水分濃
   度に保持し、絶縁薄膜を形成する第３工程と、前記第３
   工程で前記絶縁薄膜を形成した後、前記雰囲気を所定の
   ガスで充満させ、該雰囲気中で前記半導体基板の加熱温
   度よりも低い所定の温度まで該半導体基板を冷却する第
   ４工程とで構成されることを特徴とする絶縁薄膜の形成
   方法。
2. 【請求項２】　　半導体基板上に形成される絶縁薄膜の
   原料となるガスと窒素等の中性ガスもしくはアルゴン等
   の不活性ガスとの混合ガスの供給系を備えた絶縁薄膜を
   形成する処理手段と、前記処理手段の雰囲気に所定のガ
   スを供給すること、および該雰囲気を所定の圧力に排気
   することを制御する雰囲気制御手段と、前記絶縁薄膜の
   形成時と形成後に前記半導体基板を所定の温度に加熱す
   る基板加熱手段と、前記雰囲気制御手段を備え、前記処
   理手段に前記半導体基板を外気から遮断して、搬送し設
   置する基板交換手段とを具備することを特徴とする絶縁
   薄膜形成装置。