JPH046090B2 - - Google Patents

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JPH046090B2
JPH046090B2 JP57029960A JP2996082A JPH046090B2 JP H046090 B2 JPH046090 B2 JP H046090B2 JP 57029960 A JP57029960 A JP 57029960A JP 2996082 A JP2996082 A JP 2996082A JP H046090 B2 JPH046090 B2 JP H046090B2
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JP
Japan
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oxide film
substrate
heat treatment
temperature
phosphorus
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JP57029960A
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JPS58147126A (ja
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Hiroshi Takeuchi
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Toshiba Corp
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Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104Forming layers
    • H01L21/02107Forming insulating materials on a substrate

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Formation Of Insulating Films (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
〔発明の技術分野〕 本発明は、半導体素子製造工程における熱酸化
膜の形成方法に係わり、特に1000〔Å〕以下の薄
い無欠陥熱酸化膜を形成する方法に関する。 〔発明の技術的背景とその問題点〕 従来、半導体素子の製造には、シリコンインゴ
ツトをウエハ状に切り出し、表面研摩を施したウ
エハをそのまま半導体素子製造プロセスに投入し
ていた。そして、前記製造プロセスにおける熱処
理工程は1000〔℃〕を上限とした工程が採用され
ていたが、半導体素子の高集積化および微細化に
伴い、プロセスの低温化と共に配線材料や絶縁材
料等の薄膜化が検討されている。絶縁膜の薄膜化
に関してはMOS型トランジスタの一種であるd
−RAM(ダイナミツク・ランダム・アクセス・
メモリ)のゲート酸化膜膜厚を例にとれば、16
〔Kbit〕では800〔Å〕であつたが、現在主流の64
〔Kbit〕では400〔Å〕、次期の256〔Kbit〕では200
〔Å〕、1〔Mbit〕においては100〔Å〕以下のSiの
熱酸化膜が要求されている。しかし、これらゲー
ト酸化膜の単なる薄膜化は膜のピンホール発生等
の欠陥の増加につながり、実用に対しては絶縁膜
の耐電圧不良等の形で悪影響を与えていた。 薄いシリコン熱酸化膜の欠陥発生は、Si基板中
に含まれる格子間酸素原子がSi結晶中の炭素その
他の原子からなる微細析出物に捕えられて更に大
きな析出物となり、熱処理時に際しこの大きな析
出物のまわりに発生する強い歪場の領域に重金属
等の不純物が捕獲される。この重金属を含む析出
物が酸化膜中に取り込まれると酸化膜の欠陥が発
生すると言われており、析出物の大きさより酸化
膜が充分厚く、完全に酸化膜で覆われる場合はそ
れほど問題にならなかつたが、前述の如く薄いゲ
ート酸化膜の場合には膜中に含まれる析出物の密
度が同じ値であつても耐圧不良が著しく増加す
る。酸化膜欠陥は、Si結晶育成中に入る結晶中の
微小析出物濃度、重金属等の不純物濃度及びSi基
板表面付近の格子間酸素濃度の関数と言われ、最
近では上記3要素のうち重金属等の不純物濃度以
外の他の2要素を低減させる方法として、イント
リンジツクゲツタリング法が注目されている。即
ち、Si基板を高温(例えば1150℃)で1〜100時
間の熱処理を行ない、結晶育成中に入つた過飽和
格子間酸素を外方拡散させ、Si表面から数〔μm〕
〜数10〔μm〕に渡る酸素濃度の低い領域を形成す
る。この工程は同時に、結晶育成時に結晶中に入
つた微小析出物も溶解させる効果もある。更に、
数時間の低温(800℃)熱処理を追加して析出物
の安定化を計つた後、半導体製造工程に投入する
と1000〔℃〕のプロセスでSi基板内部で析出物が
成長する。このイントリンシツクゲツタリング法
を半導体製造工程に採用すると、Si基板内に発生
した前記微小析出物がプロセス中にSi基板表面に
付着した金属不純物をゲツタし、表面層を不純物
のない状態に保つ。従つて、このようなプロセス
によるシリコン酸化膜の欠陥は少ないと予想され
る。 しかしながら、イントリンシツクゲツタリング
法の場合、熱処理温度が高く、その処理時間が数
10時間にもおよび量産性にとぼしい。また、Si基
板内の過飽和酸素濃度の低下により製造工程中に
Si基板が反り易くなると云う欠点があつた。 〔発明の目的〕 本発明の目的は、薄い熱酸化膜を形成するに際
し、欠陥の発生を防止することができ、かつ熱処
理時間を短くすることができ、実用性の高い熱酸
化膜形成方法を提供することにある。 〔発明の概要〕 本発明の骨子は、半導体基板の裏面への燐イオ
ン注入と高温熱処理とにより熱酸化膜の欠陥発生
を防止することにする。即ち、本発明者等が鋭意
研究を重ねた結果、シリコン基板の裏面へ燐をイ
オン注入することにより、重金属のゲツタリング
が行われ、ゲート酸化膜の耐圧不良等が改善され
ることが見出された。さらに、このイオン注入の
後に、高温熱酸化処理を施すことにより、それぞ
れの単独処理に比して欠陥発生の防止効果が著し
く向上することが見出された。 本発明はこのような点に着目し、半導体基板の
表面上に熱酸化膜を形成する際に、予め半導体基
板の裏面に燐を1×1015〔atm/cm2〕以上イオン
注入したのち、上記半導体基板を1050〔℃〕以上
の高温で熱処理して基板の表面に酸化膜を形成
し、次いでこの酸化膜を除去し、しかるのち基板
を再び熱処理して基板の表面に酸化膜を形成する
ようにした方法である。 〔発明の効果〕 本発明によれば、前述した極めて簡易な工程に
より、薄い無欠陥酸化膜を容易に形成することが
できる。このため、ゲート酸化膜の形成工程等に
適用することにより、例えばビツト数の多いd−
RAM製造に多大な効果を発揮する。 〔発明の実施例〕 第1図a〜fは本発明の一実施例に係わる
MOSキヤパシタ製造工程を示す断面図である。
まず、第1図aに示す如くCZ法(チヨクラルス
キー法)により得られたP型(100)Si基板1比
抵抗(5〜20Ω)の裏面に、加速電圧150〔keV〕、
ドーズ量1×1015〔atm/cm2〕で燐イオン2を注
入する。次いで、適当な前処理、例えばSi基板1
の表裏面に付着した有機物を除去するために、硫
酸と過酸化水素水との混合液(硫酸:過酸化水素
=3:1)で5分間処理し、引続き重金属を除去
するために王水処理を5分間施し水洗を行い、最
後にSiの自然酸化膜を除去する為に希弗酸
(HF:H2O=1:100)で約1分間処理を加え水
洗を十分行う。さらに、Si基板1を乾燥した後
に、1050〔℃〕の高温熱処理炉において、酸素と
水素の熱焼雰囲気で30分の熱処理を施す。この工
程により生じた第1図bに示すシリコン酸化膜3
は欠陥を多く含んでいる膜であるから、同図cに
示す如く弗化アンモニウム(NH4F)溶液により
除去する。なお、図中2′はP+イオン注入層であ
る。次いで、前記熱処理に際し行つた前処理を再
び行ない、1000〔℃〕の高温熱処理炉にて乾燥酸
素中で15分間酸化し、第1図dに示す如く約200
〔Å〕の薄いゲート酸化膜4を形成する。次に、
第1図eに示す如くゲート電極材料となる多結晶
シリコン膜5をCVD法により3000〔Å〕堆積し、
不純物燐をPOCl3により熱拡散を950〔℃〕で5
分,10分、5分の条件で行ない多結晶シリコン膜
5を導体化する。その後、第1図fに示す如く通
常の写真蝕刻法により、多結晶シリコン膜5の電
極5′を形成することにより、MOSキヤパシタが
形成される。この様にして得られたMOSキヤパ
シタはゲート酸化膜が200〔Å〕と薄いにも拘ら
ず、第2図に示す如く耐電圧特性の優れたもので
あつた。 次に、本発明の燐イオン注入条件及び高温処理
条件を変えシリコンの熱酸化膜を150[ ]形成し
た場合の酸化膜の耐圧不良率の変化について、第
3図及び第4図を参照して説明する。 第3図において未処理のSi基板を酸化したもの
をA、燐イオン注入加速電圧150[keV],ドーズ
量1×1015[atm/cm2]のみを施したものをB、
1050℃の高温熱酸化30分のみを施したものをC、
燐イオン注入加速電圧150[keV],ドーズ量1×
1015[atm/cm2]とした後、窒素ガスにより1000
℃,60分熱処理を行つたものをD、イオン注入加
速電圧150[keV],ドーズ5×1014[atm/cm2],
熱処理として水素ガスにより1100℃,20分施した
ものをE、イオン注入加速電圧150[keV],ドー
ズ量5×1015[atm/cm2]で水素と酸素の燃焼酸
化を形成した場合をGにそれぞれ示した。 第3図から明らかなように、燐のイオン注入或
いは高温処理の単独処理ではゲート酸化膜の耐圧
に及ぼす効果は大きくないが、裏面への燐のイオ
ン注入及び高温熱処理の双方を施すことにより、
耐圧不良率が低下することが分かり、さらにドー
ズ量及び熱処理温度をある程度大きくすると良好
な耐圧不良率が得られるのが分かる。なお、熱処
理の雰囲気や処理時間等は本質的なものではな
く、これらを変えても耐圧不良率は殆ど変化しな
かつた。 ここで、ドーズ量及び熱処理温度の最適範囲を
求めるために、ドース量と熱処理温度を変えて耐
圧不良率を測定した結果を、第4図に示す。この
図において、H〜Qのそれぞれにおける熱処理温
度とドーズ量を下記表に示す。なお、これらは、
全て燐イオンを加速電圧150[keV]で注入し、高
温熱酸化を30分間施したものである。
【表】 第3図及び第4図から明らかなように、燐のイ
オン注入或いは高温処理の単独処理ではゲート酸
化膜の耐圧に及ぼす効果は大きくないが、本発明
である裏面への燐のイオン注入(ドーズ量1×
1015atm/cm2以上)及び高温熱処理1050℃以上
(G,J,K,L,M,N)で良好な耐圧不良率
を得ている。 以上説明したように、薄いシリコン酸化膜を形
成するにあたりSi基板裏面より燐をイオン注入し
たのち、高温熱処理を行なうことにより、無欠陥
シリコン酸化膜が得られることは明白であり、イ
オン注入条件及び高温熱処理条件等によつても本
発明の効果が有効であることは明白である。な
お、本発明がSi基板の裏面からイオン注入せしめ
るのは、イオン注入により注入された燐が濃度分
布を有し、表面から注入した場合にはその後行な
う素子形成領域に不純物燐として影響を与えるか
らである。 又、上述した実施例ではMOSキヤパシタの製
法に応用した例について述べたが、MOS FET
及び、他の半導体素子、たとえばバイポーラ型素
子に対しても応用できることは言うまでもない。
更に本実施例ではCZ法により成長したSi基板に
ついて述べたが、CZ法では酸化物のルツボを用
いて育成された単結晶であるから過飽和酸素が溶
け込んでいるため本発明の効果が優れているのは
当然であり、他の製法でも、過飽和酸素t含まれ
ているSi基板に対しても有効であることは明白で
ある。
【図面の簡単な説明】
第1図a〜fは本発明の一実施例に係わる
MOSキヤパシタ製造工程を示す断面図、第2図
は上記実施例におけるMOSキヤパシタの耐圧特
性を示す図、第3図及び第4図は本発明の効果を
示す耐圧不良特性を説明するためのもので、イオ
ン注入及び酸化処理温度の条件をそれぞれ変えた
場合の耐圧不良率を示す特性図である。 1……Si基板、2……P+イオン、2′……P+
オン注入層、3……シリコン酸化膜、4……ゲー
ト酸化膜、5……多結晶ポリシリコン膜、5′…
…ゲート電極。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 半導体基板の表面上に熱酸化膜を形成するに
    際し、予め上記半導体基板の裏面に隣を1×1015
    〔atm/cm2〕以上イオン注入したのち、上記半導
    体基板を1050〔℃〕以上の高温で熱処理して該基
    板の表面に酸化膜を形成し、次いで上記酸化膜を
    除去し、しかるのち上記半導体基板を再び熱処理
    して該基板の表面に酸化膜を形成することを特微
    とする熱酸化膜形成方法。
JP57029960A 1982-02-26 1982-02-26 熱酸化膜形成方法 Granted JPS58147126A (ja)

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