JPH0669195A - Method of forming insulating film - Google Patents

Method of forming insulating film

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JPH0669195A
JPH0669195A JP3646991A JP3646991A JPH0669195A JP H0669195 A JPH0669195 A JP H0669195A JP 3646991 A JP3646991 A JP 3646991A JP 3646991 A JP3646991 A JP 3646991A JP H0669195 A JPH0669195 A JP H0669195A
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insulating film
substrate
film
gas
single crystal
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JP3646991A
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Hisashi Fukuda
永 福田
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Oki Electric Industry Co Ltd
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Oki Electric Industry Co Ltd
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Abstract

PURPOSE:To reduce the defects of a film caused by the unstable coupling, etc., occurring during the formation of an insulating film by performing the heat treatment in reductive gas and the heat treatment in reactive gas so as to clean the base, and heat-treating it in single crystal film formation gas, and then, heat-treating it in insulating film formation gas. CONSTITUTION:A natural oxide film is reduced and removed by radiating the heat of a substrate 18 in reductive gas. Next, inorganic matter, etc., adhering to the substrate 18 is removed by the reactive gas being thermally activated by a heater 16. Next, Si single crystal 51 is formed on the surface of a substrate by heating the substrate 18 by the heater 16. Next, a silicon oxide film 53 as an insulating film is formed on the Si single crystal film 51 by supplying oxygen gas into a reactor 10. Hereby, the unstable coupling such as Si-Si coupling, Si-O coupling, and O-O coupling vanishes in the insulating film.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は絶縁膜形成方法、特に
膜厚の極めて薄い絶縁膜を高品質に形成するための方法
に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for forming an insulating film, and more particularly to a method for forming an insulating film having an extremely thin film with high quality.

【0002】[0002]

【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MOS(Metal Oxide Sem
iconductor)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1.0μ
m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100オングストローム以下となる酸
化膜が用いられ、このように膜厚を薄くすることによっ
て利得の向上を図っている。
2. Description of the Related Art Silicon integrated circuits formed by the latest technology, especially MOS (Metal Oxide Sem)
In an integrated circuit, an oxide film having an extremely thin film thickness is used as a gate insulating film. Especially 1.0μ
A submicron MOS device having a gate length of m or less uses an oxide film having a film thickness of, for example, 100 angstroms or less, and the gain is improved by reducing the film thickness.

【0003】酸化膜の形成は、例えば文献:「VLSI
製造技術、徳山 巍、橋本 哲一編著、日経BP社、
P.83〜109(1989)」に示されるように次の
ようにして行われる。
The formation of the oxide film is described, for example, in the document: "VLSI.
Manufacturing Technology, Shiba Tokuyama, Tetsuichi Hashimoto, Nikkei BP,
P. 83-109 (1989) "as follows.

【0004】この文献に開示されている方法では、先
ず、電気炉によって800〜1200℃に加熱した石英
管内に、清浄化した基板を配置する。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、或いは酸素および水
素の混合ガス、或いは塩酸を霧状にして酸素ガスと混合
したガスを用いる。酸化性ガスを導入した石英管内に、
形成しようとする膜厚に見合った一定時間、一定温度で
基板を放置して酸化膜を連続成長させることによって、
均一な膜厚の酸化膜を基板表面に形成している。
In the method disclosed in this document, first, a cleaned substrate is placed in a quartz tube heated to 800 to 1200 ° C. by an electric furnace. Then, an oxidizing gas for forming an oxide film is introduced into the quartz tube. As the oxidizing gas, for example, dry oxygen gas, a mixed gas of oxygen and hydrogen, or a gas in which hydrochloric acid is atomized and mixed with oxygen gas is used. In a quartz tube with an oxidizing gas introduced,
By leaving the substrate at a constant temperature for a certain period of time corresponding to the film thickness to be formed and continuously growing an oxide film,
An oxide film having a uniform thickness is formed on the substrate surface.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、以上に
述べた酸化膜形成方法では、酸化膜を休みなく連続成長
させているので、例えば、100オングストローム以下
の薄い領域の膜厚を制御するのが困難であった。そのた
め、このような薄い酸化膜を形成する場合、その膜厚制
御を行うためには、800℃以下に酸化温度を下げて酸
化速度を下げる(以下、これを低温酸化法と称すること
もある)か、或いは窒素で酸素を希釈して酸化速度を下
げて行う方法(以下、これを希釈酸化法と称することも
ある)をとっていた。
However, in the above-described oxide film forming method, since the oxide film is continuously grown without a break, it is difficult to control the film thickness in a thin region of 100 angstroms or less, for example. Met. Therefore, when forming such a thin oxide film, in order to control the film thickness, the oxidation temperature is lowered to 800 ° C. or lower to reduce the oxidation rate (hereinafter, this may be referred to as a low temperature oxidation method). Alternatively, a method has been employed in which oxygen is diluted with nitrogen to reduce the oxidation rate (hereinafter, this may be referred to as a diluted oxidation method).

【0006】しかしながら、低温酸化法ではシリコン
(基板)/シリコン酸化膜界面が粗れるという問題があ
った。一方、希釈酸化法の場合では、窒素がシリコン/
シリコン酸化膜界面に偏析するので、新たに界面準位が
発生する等の問題があった。それ故、上述のいずれの方
法を行っても、薄い酸化膜の絶縁破壊耐性等の膜質自体
の向上は望めなかった。
However, the low temperature oxidation method has a problem that the silicon (substrate) / silicon oxide film interface is roughened. On the other hand, in the case of the diluted oxidation method, nitrogen is
Since it segregates at the interface of the silicon oxide film, there is a problem that a new interface level is generated. Therefore, no improvement in the film quality itself such as the dielectric breakdown resistance of the thin oxide film could be expected even if any of the above methods was performed.

【0007】また、これらの低温酸化法、希釈酸化法に
より得られる酸化膜は一般に緻密ではなく、シリコン/
シリコン酸化膜界面や、酸化膜中に原子の不安定な結合
状態、例えば、未結合手やシリコン原子の不対結合や、
弱い結合を含むSi−Si結合、Si−O結合、O−O
結合、或いは歪んだSi−O−Si結合が多く存在する
非結晶構造となっているため、そもそも界面準位(Di
t)が高くなる傾向があった。このように形成された酸
化膜を、MOS型電界効果トランジスタのゲート酸化膜
として使用する場合、上記の現象に起因して種々の問題
が生じている。例えば、ゲート長1.0μm以下の微細
MOS型電界効果トランジスタにおいては、チャネル領
域で発生したホットエレクトロンが酸化膜中に侵入した
場合、電子はこのようなシリコン原子の不対結合や、歪
んだSi−O−Si結合にトラップされ、新たな界面準
位を発生させ、そのためMOS型トランジスタにおける
閾値電圧の変動や、伝達コンダクタンスの低下を引き起
こすという問題が生じる。
The oxide film obtained by these low temperature oxidation method and dilution oxidation method is generally not dense and is
An unstable bond state of atoms in the silicon oxide film interface or oxide film, for example, dangling bonds or unpaired bonds of silicon atoms,
Si-Si bond including weak bond, Si-O bond, OO
Since it has an amorphous structure in which many bonds or distorted Si-O-Si bonds are present, the interface state (Di
t) tended to be high. When the oxide film thus formed is used as a gate oxide film of a MOS field effect transistor, various problems are caused by the above phenomenon. For example, in a fine MOS field-effect transistor having a gate length of 1.0 μm or less, when hot electrons generated in the channel region penetrate into the oxide film, electrons are unpaired with such silicon atoms or distorted Si. There is a problem that it is trapped by the —O—Si bond and a new interface state is generated, which causes a change in threshold voltage and a decrease in transfer conductance in the MOS transistor.

【0008】また、従来行われている通常の薄い酸化膜
の形成方法によれば、酸化膜が成膜されるシリコン基板
表面を清浄化したとしても、まだその表面に原子オーダ
でみたとき凹凸が残存してしまう。従って、この凹凸表
面上に酸化膜を成膜しても、図5の(A)にも模式的に
示すように、シリコン(基板)/酸化膜界面および酸化
膜中に、原子オーダでの段差(ステップ)に起因して、
未結合手を含むSi−Si結合、Si−O結合、O−O
結合が数多く存在する非晶質(アモルファス)構造とな
ってしまう。すなわち得られる酸化膜の膜質が低下して
しまう。
Further, according to the conventional method for forming a thin oxide film, which has been conventionally performed, even if the surface of the silicon substrate on which the oxide film is formed is cleaned, the surface still has unevenness when viewed in atomic order. It will remain. Therefore, even if an oxide film is formed on this uneven surface, as shown schematically in FIG. 5A, a step in atomic order is formed in the silicon (substrate) / oxide film interface and in the oxide film. Due to (step)
Si-Si bond including dangling bond, Si-O bond, O-O
This results in an amorphous structure with many bonds. That is, the quality of the obtained oxide film is deteriorated.

【0009】そこで、従来の酸化膜形成方法を用いて、
MOS構造を構成し、これらの耐圧試験を行うと、シリ
コン原子の不対結合や歪んだSi−O−Si結合等のよ
うな結合が切れることにより新たなトラップが当該酸化
膜中に発生し、絶縁破壊の原因となる。このため、MO
S構造の電気的特性が悪くなるという問題がある。
Therefore, using the conventional oxide film forming method,
When a MOS structure is configured and these breakdown voltage tests are performed, new traps are generated in the oxide film due to breakage of bonds such as unpaired bonds of silicon atoms and distorted Si—O—Si bonds. It may cause dielectric breakdown. Therefore, MO
There is a problem that the electrical characteristics of the S structure deteriorate.

【0010】この発明は上述した従来の問題点に鑑みな
されたものであり、従って、この発明の目的は、絶縁膜
形成中に生じる未結合手等に起因する膜欠陥を低減し膜
質の優れた薄い絶縁膜を形成できる、絶縁膜形成方法を
提供することにある。
The present invention has been made in view of the above-mentioned conventional problems. Therefore, the object of the present invention is to reduce film defects caused by dangling bonds or the like that occur during the formation of an insulating film and to improve the film quality. An object of the present invention is to provide an insulating film forming method capable of forming a thin insulating film.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】この目的の達成を図るた
め、この発明によれば、同一の反応炉内でシリコンの下
地に絶縁膜を形成するに当り、還元性ガス雰囲気中での
加熱処理と反応性ガス雰囲気中での加熱処理を行って下
地を清浄化する工程と、続いて、単結晶膜形成用ガス雰
囲気中で加熱処理を行って前記下地にシリコンの単結晶
膜を形成する工程と、前記単結晶膜形成工程に連続し
て、該単結晶膜上に、絶縁膜形成用ガス雰囲気中で加熱
処理を行って、絶縁膜としてシリコン酸化膜を形成する
工程とを含むことを特徴とする。
In order to achieve this object, according to the present invention, in forming an insulating film on a silicon underlayer in the same reaction furnace, heat treatment in a reducing gas atmosphere is performed. And a step of performing a heat treatment in a reactive gas atmosphere to clean the base, and a step of subsequently performing a heat treatment in a gas atmosphere for forming a single crystal film to form a single crystal film of silicon on the base. And a step of forming a silicon oxide film as an insulating film by performing heat treatment on the single crystal film in a gas atmosphere for forming an insulating film, following the single crystal film forming step. And

【0012】この発明の実施に当り、好ましくは、シリ
コン酸化膜の構造がクリストバライト構造とするのが良
い。
In carrying out the present invention, it is preferable that the silicon oxide film has a cristobalite structure.

【0013】さらに、この発明の実施に当り、好ましく
は、単結晶膜形成用ガスをSiH4、SiH2Cl2およ
びSi(CH322のガス群から選ばれたいずれか一
種ないしは二種類以上の混合ガスとするのが良い。
Further, in carrying out the present invention, preferably, the single crystal film forming gas is any one or two selected from the gas group of SiH 4 , SiH 2 Cl 2 and Si (CH 3 ) 2 H 2. It is better to use mixed gas of more than one kind.

【0014】また、この発明の実施に当り、好ましく
は、単結晶膜形成のための加熱処理で加熱温度を少なく
とも1000℃以上とするのが良い。
Further, in carrying out the present invention, it is preferable that the heating temperature is at least 1000 ° C. or higher in the heat treatment for forming the single crystal film.

【0015】また、この発明の実施に当り、絶縁膜形成
のための加熱処理での加熱温度を少なくとも1000℃
以上とするのが良い。
Further, in carrying out the present invention, the heating temperature in the heat treatment for forming the insulating film is at least 1000 ° C.
The above is better.

【0016】また、この発明の実施に当り、加熱処理を
全て赤外線照射によって行うのが良い。
Further, in carrying out the present invention, it is preferable that all heat treatments are performed by irradiation with infrared rays.

【0017】尚、ここでシリコンの下地とは、シリコン
基板はもとより、その他に、このシリコン基板にエピタ
キシャル層を形成したもの、その他、これらに限らず基
板やエピタキシャル層に素子が作り込まれている中間体
等、絶縁膜が形成されるべき広く下地を意味している。
Here, the term “silicon underlayer” means not only a silicon substrate, but also an epitaxial layer formed on this silicon substrate, and not limited to these, and an element is formed on the substrate or the epitaxial layer. It widely means a base on which an insulating film should be formed, such as an intermediate.

【0018】[0018]

【作用】上述したこの発明の絶縁膜形成方法によれば、
シリコンの下地の成膜表面を一旦清浄化し、この清浄化
された下地面上にシリコン単結晶膜を成膜し、続いて、
このシリコン単結晶膜上に絶縁膜としてシリコン酸化膜
を成膜している。従って、下地の構成原子と同一のシリ
コン(Si)原子を一原子層ずつ成長させることが可能
となり、シリコン単結晶膜は、その表面が原子層オーダ
で平坦面となると共に、不純物濃度分布が極めて急峻と
なっている、エピタキシャル層となる。よって、シリコ
ン単結晶膜の平坦面上にシリコン酸化膜が成膜されるこ
とになるので、絶縁膜中の酸素原子とシリコン原子は規
則正しい配列になり、安定に結合し、絶縁膜中の原子が
単結晶中の原子と安定に結合して、全体的に原子の安定
な結合状態となる。その結果、絶縁膜は膜欠陥のない高
品質の膜となる。
According to the insulating film forming method of the present invention described above,
The film forming surface of the silicon base is once cleaned, a silicon single crystal film is formed on the cleaned base surface, and subsequently,
A silicon oxide film is formed as an insulating film on this silicon single crystal film. Therefore, it becomes possible to grow the same silicon (Si) atoms as the underlying constituent atoms one atomic layer at a time, and the surface of the silicon single crystal film becomes flat on the atomic layer order and the impurity concentration distribution is extremely high. The epitaxial layer becomes steep. Therefore, since the silicon oxide film is formed on the flat surface of the silicon single crystal film, the oxygen atoms and the silicon atoms in the insulating film are regularly arranged and stably bonded, and the atoms in the insulating film are Stable bond with the atoms in the single crystal, resulting in a stable bond state of the atoms as a whole. As a result, the insulating film becomes a high quality film with no film defects.

【0019】[0019]

【実施例】以下、図面を参照し、この出願の発明の実施
例につき説明する。
Embodiments of the invention of this application will be described below with reference to the drawings.

【0020】尚、図面は発明が理解出来る程度に、各構
成成分の寸法、形状および配設位置を概略的に示してい
るにすぎない。また、以下の説明では、特定の材料およ
び特定の数値的条件を挙げて説明するが、これら材料お
よび条件は単なる好適例にすぎず、従ってこれらに何ら
限定されるものではない。
It should be noted that the drawings merely schematically show the dimensions, shapes, and positions of the constituent components so that the invention can be understood. Further, in the following description, specific materials and specific numerical conditions will be described, but these materials and conditions are merely preferable examples, and are not limited thereto.

【0021】先ず、この発明の方法の説明に入る前に、
この発明を実施するための装置につき説明する。 <この発明の実施のために使用して好適な絶縁膜形成装
置の構造の実施例の説明>図2はこの発明の方法を実施
するための絶縁膜形成装置の主要部(主として反応炉お
よび加熱部の構成)を概略的に示す断面図である。尚、
第2図では反応炉内に基板を設置した状態を示す。
First, before entering the description of the method of the present invention,
An apparatus for carrying out the present invention will be described. <Description of Embodiments of Structure of Insulating Film Forming Apparatus Suitable for Use in Carrying Out the Invention> FIG. 2 shows a main part of an insulating film forming apparatus (mainly a reactor and heating) for carrying out the method of the invention. FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of a part). still,
FIG. 2 shows a state where the substrate is installed in the reaction furnace.

【0022】また図3はこの発明の実施例の説明に供す
る図であり、絶縁膜形成装置の全体構成を概略的に示す
図である。
FIG. 3 is a diagram for explaining the embodiment of the present invention, and is a diagram schematically showing the overall structure of the insulating film forming apparatus.

【0023】図3にも示すように、この絶縁膜形成装置
は、基板が設置される反応炉10と、反応炉10内の真
空排気を行うための排気手段12と、ガス供給部14
と、加熱処理を行うための加熱部16とを備えて成る。
以下、この装置の構造の実施例につき説明する。
As shown in FIG. 3, this insulating film forming apparatus has a reaction furnace 10 in which a substrate is installed, an exhaust means 12 for evacuating the reaction furnace 10, and a gas supply section 14.
And a heating unit 16 for performing heat treatment.
An example of the structure of this device will be described below.

【0024】図2にも示すようにこの実施例では、反応
炉(チャンバ)10を例えば本体10a、蓋部材10b
および昇降部材10cから構成する。本体10aおよび
昇降部材10cの形成材料としては、例えばステンレス
を、また蓋部材10bおよび後述の支持体20の形成材
料としては、例えば石英を用いるか、または、その逆の
組み合わせで用いてもよい。
As shown in FIG. 2, in this embodiment, the reaction furnace (chamber) 10 is, for example, a main body 10a and a lid member 10b.
And an elevating member 10c. As the material for forming the main body 10a and the elevating member 10c, for example, stainless steel may be used, and as the material for forming the lid member 10b and the support 20 described later, for example, quartz or vice versa may be used.

【0025】本体10aおよび昇降部材10cは分離可
能に一体となって凹部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を設けて昇降部材10cの昇降によって支持体20
をのせた基板18を反応炉10内へ入れ或いは反応炉1
0外へ取り出せるようにする。図示例では昇降部材10
cを例えば機械的に昇降させるための昇降部材10cを
昇降装置22と連結させている。
The main body 10a and the elevating member 10c are separably integrated to form a concave portion a. A supporting body 20 for mounting the substrate 18 is provided on the side of the concave portion of the elevating member 10c to provide the elevating member 10c. Support 20 by raising and lowering
The substrate 18 on which is placed is placed in the reaction furnace 10 or the reaction furnace 1
0 Allow it to be taken out. In the illustrated example, the lifting member 10
An elevating member 10c for mechanically elevating and lowering c is connected to the elevating device 22.

【0026】また蓋部材10bを着脱自在に本体10a
に取り付ける。本体10aと蓋部材10bおよび昇降部
材10cとの間には気密保持部材24例えばバイトンパ
ッキンを設けており、従って反応炉10内の真空引きを
行った際に気密保持部材24を介し、気密状態が形成で
きるようになしている。
The lid member 10b is detachably attached to the main body 10a.
Attach to. An airtight holding member 24, for example, a Viton packing is provided between the main body 10a and the lid member 10b and the elevating member 10c. Therefore, when the inside of the reaction furnace 10 is evacuated, the airtight state is maintained via the airtight holding member 24. It is designed so that it can be formed.

【0027】また凹部aの基板近傍位置に基板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。
Further, a temperature measuring means 26 for measuring the surface temperature of the substrate 18 such as an optical pyrometer is provided at a position near the substrate in the recess a.

【0028】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16aを支持するための支持部材16bとを
以て構成する。赤外線ランプ16aとしては基板18を
効率良く加熱できる波長域の光を発するランプとするの
が良く、基板材料に応じた任意好適なランプで構成す
る。この実施例では、タングステン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を反応炉10内の加熱を均一に行え
るように配置する。
Further, in this embodiment, the heating section 16 is provided with an infrared irradiating means of any suitable structure, for example, an infrared lamp 16a.
And a support member 16b for supporting the means 16a. The infrared lamp 16a is preferably a lamp that emits light in a wavelength range capable of efficiently heating the substrate 18, and may be any suitable lamp depending on the substrate material. In this embodiment, a tungsten halogen lamp or any other suitable lamp is used. Preferably, the plurality of infrared lamps 16a are arranged so that the inside of the reaction furnace 10 can be heated uniformly.

【0029】通常、赤外線ランプ16aは、反応炉10
外に配置する。この際、反応炉10の一部を赤外線を透
過する材料を以て構成し、赤外線を反応炉10外から反
応炉10内に透過させるようにする。既に説明したよう
に、この実施例では、蓋部材10bを石英で構成してあ
るので、赤外線を透過することができる。
Usually, the infrared lamp 16a is used in the reaction furnace 10.
Place it outside. At this time, a part of the reaction furnace 10 is made of a material that transmits infrared rays, and the infrared rays are transmitted from outside the reaction furnace 10 into the reaction furnace 10. As described above, in this embodiment, since the lid member 10b is made of quartz, infrared rays can be transmitted.

【0030】加熱部16の構成および配設位置は後述す
る加熱処理を行える任意好適な構成および配設位置とし
て良く、例えば加熱部16をヒータを以て構成し、この
ヒータを反応炉10内に設けるようにしても良い。
The structure and position of the heating unit 16 may be any suitable structure and position where the heat treatment described later can be performed. For example, the heating unit 16 is composed of a heater, and this heater is provided in the reaction furnace 10. You can

【0031】支持部材16bの配設位置をこれに限定す
るものではないが、図示例では支持部材16bを支持部
材16bと本体10aとの間に蓋部材10bおよび本体
10aの当接部を閉じ込めるように、本体10aに着脱
自在に取り付け、さらに支持部材16bと本体10との
間に気密保持部材24を設ける。このように支持部材1
6bを設けることによって反応炉10内の真空気密性の
向上が図れる。
Although the disposing position of the supporting member 16b is not limited to this, in the illustrated example, the supporting member 16b is closed between the supporting member 16b and the main body 10a so that the abutting portions of the lid member 10b and the main body 10a are confined. In addition, the airtight holding member 24 is provided between the support member 16b and the main body 10 so as to be detachably attached to the main body 10a. In this way, the support member 1
By providing 6b, the vacuum tightness in the reaction furnace 10 can be improved.

【0032】尚、図2において符号28は反応炉10お
よびガス供給部14の間に設けたガス供給管、また30
は反応炉10および排気手段12の間に設けた排気管を
示す。
In FIG. 2, reference numeral 28 denotes a gas supply pipe provided between the reaction furnace 10 and the gas supply unit 14, and 30
Indicates an exhaust pipe provided between the reaction furnace 10 and the exhaust means 12.

【0033】次に図3を参照してこの実施例の真空排気
系およびガス供給系につき説明する。尚、真空排気系お
よ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。
Next, the vacuum exhaust system and the gas supply system of this embodiment will be described with reference to FIG. The vacuum exhaust system and the gas supply system are not limited to the examples described below.

【0034】先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を例えばターボ分子ポンプ12aと
このポンプ12aと接続されたロータリーポンプ12b
とを以て構成する。排気手段12を例えば図示のように
配設した排気管30およびバルブを介して反応炉10と
連通させて接続する。
First, the vacuum exhaust system will be described. In this embodiment, the exhaust means 12 is, for example, a turbo molecular pump 12a and a rotary pump 12b connected to this pump 12a.
And with. The exhaust means 12 is communicated with and connected to the reaction furnace 10 via an exhaust pipe 30 and a valve arranged as shown in the figure.

【0035】図3において32a〜32dは排気管30
に連通させて設けた真空計(或いは圧力ゲージ)であ
り、真空計32aおよび32dを例えば1〜10-3(1
0のマイナス3乗)Torrの範囲の圧力測定に用いる
バラトロン真空計(或いはピラニー真空計)とし、また
真空計32bおよび32cを例えば10-4(10のマイ
ナス4乗)〜10-10(10のマイナス10乗)Tor
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10-3Torr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および反応炉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1
0内に低真空排気状態および高真空排気状態を形成す
る。
In FIG. 3, 32a to 32d are exhaust pipes 30.
A vacuum gauge (or pressure gauge) provided in communication with the vacuum gauges 32a and 32d, for example, 1 to 10 -3 (1
A baratron vacuum gauge (or a Pirani vacuum gauge) used for pressure measurement in the range of 0 to 3) Torr, and the vacuum gauges 32b and 32c are, for example, 10 −4 (10 −4 ) to 10 −10 (10 Minus 10th) Tor
An ion gauge used for pressure measurement in the range of r. An automatic opening / closing valve 34 for protecting the vacuum gauge 32b is provided between the vacuum gauge 32b and the exhaust pipe 30 so that a pressure of 10 -3 Torr or more is not applied to the vacuum gauge 32b when the vacuum gauge 32b operates. Automatically controls the opening and closing of the valve 34.
Reference numerals 36a to 36f are automatic opening / closing valves provided between the exhaust means 12 and the reaction furnace 10.
By arbitrarily opening and closing each of ~ 36f,
By controlling the pressure in the reaction furnace 10 to any suitable pressure, the reaction furnace 1
A low vacuum exhaust state and a high vacuum exhaust state are formed in zero.

【0036】さらに38は圧力調整用のニードルバルブ
および40はレリーフバルブであり、バルブ40は反応
炉10内の圧力が大気圧例えば760Torr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。
Further, 38 is a needle valve for pressure adjustment and 40 is a relief valve. The valve 40 is automatically opened when the pressure in the reaction furnace 10 exceeds atmospheric pressure, for example, 760 Torr. The gas supplied from the gas supply unit 14 into the reaction furnace 10 is exhausted.

【0037】次にガス供給系につき説明する。この実施
例ではガス供給部14を還元性ガス源14a、反応性ガ
ス源14b、単結晶膜成膜用原料ガス源14cおよび酸
化性ガス源14dを以て構成する。ガス供給部14を例
えば図示のように配設した供給管28およびバルブを介
して反応炉10と連通させて接続する。尚、所要に応
じ、不活性ガス源を設けておいても良い。
Next, the gas supply system will be described. In this embodiment, the gas supply unit 14 comprises a reducing gas source 14a, a reactive gas source 14b, a single crystal film forming raw material gas source 14c, and an oxidizing gas source 14d. The gas supply unit 14 is connected to the reaction furnace 10 through a supply pipe 28 and a valve arranged as shown in the drawing so as to communicate with the reaction furnace 10. An inert gas source may be provided if necessary.

【0038】図3において42はガス供給系、44はバ
ルブ、46a〜46d、48aおよび48bは自動開閉
バルブ、50aおよび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。
In FIG. 3, 42 is a gas supply system, 44 is a valve, 46a to 46d, 48a and 48b are automatic opening / closing valves, and 50a and 50b are automatic gas flow controllers for gases introduced from the gas supply unit 14 into the reactor gas. Is.

【0039】バルブ44、48a、48b、46a〜4
6d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。 <この発明の絶縁膜形成方法の実施例の説明>次に、こ
の発明の絶縁膜形成方法につき説明する。
Valves 44, 48a, 48b, 46a-4
A desired gas can be supplied from the gas supply unit 14 to the reaction furnace 10 by opening / closing each of 6d arbitrarily and suitably. <Description of Embodiment of Insulating Film Forming Method of the Present Invention> Next, the insulating film forming method of the present invention will be described.

【0040】図1は、この発明の説明に供する、加熱サ
イクルを説明するための図である。図の横軸は時間およ
び縦軸は温度をプロットして示してある。
FIG. 1 is a diagram for explaining a heating cycle, which is used for explaining the present invention. The horizontal axis of the figure shows time and the vertical axis shows temperature.

【0041】また、図4の(A)〜(D)は、この発明
の絶縁膜形成方法の一実施例の説明に供する工程図であ
り、各図は、主要工程段階で得られた構造体を断面の切
り口を概略的に示してある。
Further, FIGS. 4A to 4D are process drawings for explaining one embodiment of the insulating film forming method of the present invention, and each of the drawings is a structure obtained in the main process steps. The cross section of FIG.

【0042】また、図5(A)および(B)は界面構造
を模式的に示す図である。
Further, FIGS. 5A and 5B are diagrams schematically showing the interface structure.

【0043】また、以下の説明では図2および図3を適
宜参照されたい。
In the following description, please refer to FIG. 2 and FIG. 3 as appropriate.

【0044】この発明では、反応炉内にシリコンの下地
を設置した後、下地の清浄化を行ってから、絶縁膜の成
膜処理を行う。以下、これにつき順次説明する。 [清浄化]この絶縁膜の成膜前の基板の清浄化法につ
いては、この出願に係る出願人等によって既に提案され
ているが、この発明の方法でもこの清浄化方法を用いる
のが好適であり、これにつき説明する。
In the present invention, after the silicon base is placed in the reaction furnace, the base is cleaned and then the insulating film is formed. This will be sequentially described below. [Cleaning] A method for cleaning the substrate before forming the insulating film has been already proposed by the applicants of the present application, but it is preferable to use this cleaning method also in the method of the present invention. Yes, I will explain this.

【0045】この発明における実施例では、下地として
例えばシリコン基板を用意し、予備処理として従来行わ
れている如く、化学薬品、純水等を用いて基板18の前
洗浄を行う。
In the embodiment of the present invention, for example, a silicon substrate is prepared as a base, and the substrate 18 is pre-cleaned by using a chemical agent, pure water, etc. as in the conventional process.

【0046】最初、反応炉10内に基板18を設置す
る。基板18は昇降部材10cの支持体20上に固定す
る。
First, the substrate 18 is set in the reaction furnace 10. The substrate 18 is fixed on the support 20 of the elevating member 10c.

【0047】この予備処理後、基板表面の清浄化処理を
行う。この清浄化処理は、還元性ガス雰囲気中で、順次
に加熱処理を行って基板18を反応炉10内で清浄化す
る。
After this pretreatment, the substrate surface is cleaned. In this cleaning process, heat treatment is sequentially performed in a reducing gas atmosphere to clean the substrate 18 in the reaction furnace 10.

【0048】以下、この基板の清浄化処理工程につき説
明する。 (a)自然酸化膜の除去 基板の清浄化に当り、先ずバルブ44、48b、46b
を閉じて基板18を設置した反応炉10内への不活性ガ
スの供給を停止する。
The process of cleaning the substrate will be described below. (A) Removal of natural oxide film When cleaning the substrate, first the valves 44, 48b, 46b.
Is closed and the supply of the inert gas into the reaction furnace 10 in which the substrate 18 is installed is stopped.

【0049】次に、排気手段12によって反応炉10内
を例えば1×10-8(10のマイナス8乗)Torrの
高真空に真空排気し、反応炉10内を清浄化する。この
真空排気を行うためバルブ38、36a、36e、36
f、34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(監視)しながら真空
排気を行う。そして反応炉10内が例えば1×10
-3(10のマイナス3乗)Torrの圧力となった後、
バルブ36c、36dを閉じてバルブ36e、34を開
き、真空計32bで反応炉10内の圧力をモニタしなが
ら1×10-6(10のマイナス6乗)Torrまで反応
炉10内を真空排気する。
Next, the inside of the reaction furnace 10 is evacuated to a high vacuum of, for example, 1 × 10 −8 (10 −8 ) Torr by the exhaust means 12 to clean the inside of the reaction furnace 10. The valves 38, 36a, 36e, 36 are used to perform this vacuum evacuation.
With valves f and 34 closed, valves 36b, 36c and 36d
Open the rotary pump 12b to open the reactor 10
Vacuum exhaust is performed while monitoring the internal pressure with the vacuum gauge 32a. The inside of the reaction furnace 10 is, for example, 1 × 10
-3 (10-th power of 3) After the pressure becomes Torr,
The valves 36c and 36d are closed, the valves 36e and 34 are opened, and the pressure inside the reaction furnace 10 is evacuated to 1 × 10 −6 (10 −6 ) Torr while monitoring the pressure inside the reaction furnace 10 with a vacuum gauge 32b. .

【0050】高真空に反応炉10内を排気したら、次に
反応炉10内に還元性ガス例えば水素ガスを導入する
(図1のH2(水素)フロー)。還元性ガスの導入に当
っては、次に行う還元性ガス雰囲気中での加熱処理にお
いて、反応炉10内の減圧状態を維持するために、バル
ブ36b、36e、34を閉じてバルブ38、36aを
開いた状態としてこの状態でバルブ44、48a、46
aを開いて還元性ガス例えば水素ガスを反応炉10内に
供給する。
After the inside of the reaction furnace 10 is evacuated to a high vacuum, a reducing gas such as hydrogen gas is introduced into the reaction furnace 10 (H 2 (hydrogen) flow in FIG. 1). In introducing the reducing gas, the valves 36b, 36e, 34 are closed and the valves 38, 36a are closed in order to maintain the reduced pressure state in the reaction furnace 10 in the heat treatment in the reducing gas atmosphere to be performed next. With the valve open, keep the valves 44, 48a, 46
A is opened and a reducing gas such as hydrogen gas is supplied into the reaction furnace 10.

【0051】反応炉10内の減圧状態の維持は還元性ガ
スを導入しながらバルブ38を操作するとともに還元性
ガスの流量と自動流量コントローラ50aで調節するこ
とによって行える。この実施例では、反応炉10内を例
えば100〜10-2(10のマイナス2乗)Torrの
低真空の減圧状態に維持する。
The reduced pressure in the reaction furnace 10 can be maintained by operating the valve 38 while introducing the reducing gas and adjusting the flow rate of the reducing gas and the automatic flow controller 50a. In this embodiment, the inside of the reaction furnace 10 is maintained in a low vacuum depressurized state of, for example, 100 to 10 −2 (10 −2 ) Torr.

【0052】次に加熱部16によって自然酸化膜18a
(図4の(A)参照)の除去のための加熱処理を行う
(図1のH2フロー中の加熱)。この加熱処理によって
還元性ガス雰囲気中で基板18を加熱して基板18の自
然酸化膜18aを還元し自然酸化膜を基板18から除去
する(図4の(B))。基板18の加熱は例えば基板1
8への赤外線照射によって行う。尚、既に説明したよう
に、この実施例では反応炉10内を減圧状態に維持しな
がら加熱処理を行う。これにより、自然酸化膜の還元に
よる反応生成物が反応炉10外へ排気され、その結果、
反応生成物によって基板18および反応炉10内が汚染
される度合を低減出来る。
Next, the natural oxide film 18a is formed by the heating unit 16.
A heat treatment for removing (see (A) of FIG. 4) is performed (heating in the H 2 flow of FIG. 1). By this heat treatment, the substrate 18 is heated in a reducing gas atmosphere to reduce the natural oxide film 18a of the substrate 18 and remove the natural oxide film from the substrate 18 ((B) of FIG. 4). For example, the substrate 1 is heated by heating the substrate 18.
8 is irradiated with infrared rays. As described above, in this embodiment, the heat treatment is performed while maintaining the inside of the reaction furnace 10 in a reduced pressure state. As a result, the reaction product resulting from the reduction of the natural oxide film is exhausted to the outside of the reaction furnace 10, and as a result,
The degree of contamination of the substrate 18 and the reaction furnace 10 by the reaction product can be reduced.

【0053】この加熱処理では、基板18の表面温度を
温度測定手段26で測定しながら、例えば基板18の表
面温度を50℃/秒〜200℃/秒の間の適当な割合
で、好ましくは、約100℃/秒で、上昇させて約10
00℃となったら約10〜30秒間1000℃の状態を
保持するように、基板18の加熱を制御する。
In this heat treatment, while measuring the surface temperature of the substrate 18 by the temperature measuring means 26, for example, the surface temperature of the substrate 18 is set at an appropriate rate between 50 ° C./sec and 200 ° C./sec, preferably, Approximately 10 at 10 ° C / sec
When the temperature reaches 00 ° C., the heating of the substrate 18 is controlled so that the temperature of 1000 ° C. is maintained for about 10 to 30 seconds.

【0054】次に、加熱部16による基板18の加熱を
停止すると共にバルブ46aを閉じて還元性ガスの供給
を停止し、そして基板18の表面温度が室温、例えば約
25℃となるまで基板18が冷却するのを待つ。この冷
却は基板18が自然に冷却するようにしても良いし、強
制的に冷却するようにしても良い。強制冷却は例えばバ
ルブ48aを閉じてバルブ48b、46dを開けて不活
性ガスを大量に反応炉10内に導入することによって行
える。
Next, the heating of the substrate 18 by the heating unit 16 is stopped, the valve 46a is closed to stop the supply of the reducing gas, and the surface temperature of the substrate 18 is kept at room temperature, for example, about 25 ° C. Wait for them to cool down. For this cooling, the substrate 18 may be naturally cooled or may be forcibly cooled. The forced cooling can be performed, for example, by closing the valve 48a and opening the valves 48b and 46d to introduce a large amount of inert gas into the reaction furnace 10.

【0055】次にバルブ38、36aを閉じてバルブ3
6b、36eを開けて反応炉10内を例えば1×10-8
(10のマイナス8乗)Torrの高真空に排気し、反
応炉10内を清浄化する。 (b)基板表面の清浄 次に、バルブ36b、36eを閉じてバルブ38、36
aを開き、反応性ガス例えば重量比で1%塩酸−99%
水素ガスの比で塩酸を霧状にして水素ガスと混合したガ
スを導入する(図1のHClフロー)。反応性ガスの導
入に当っては、次に行う反応性ガス雰囲気中での加熱処
理において反応炉10内の減圧状態を維持するために、
還元性ガス雰囲気中での加熱処理と同様にして、反応炉
10内を例えば100〜10-2(10のマイナス2乗)
Torrの低真空の減圧状態に維持する。
Next, the valves 38 and 36a are closed and the valve 3
6b and 36e are opened and the inside of the reaction furnace 10 is set to, for example, 1 × 10 -8
The inside of the reaction furnace 10 is cleaned by evacuating to a high vacuum of (10 −8) Torr. (B) Cleaning of substrate surface Next, the valves 36b and 36e are closed to close the valves 38 and 36.
a is opened, and the reactive gas is, for example, 1% hydrochloric acid-99% by weight.
Hydrochloric acid is atomized at a ratio of hydrogen gas and a gas mixed with hydrogen gas is introduced (HCl flow in FIG. 1). In introducing the reactive gas, in order to maintain the reduced pressure state in the reaction furnace 10 in the heat treatment in the reactive gas atmosphere to be performed next,
In the same manner as the heat treatment in the reducing gas atmosphere, the inside of the reaction furnace 10 is, for example, 100 to 10 -2 (10 minus the square).
Maintain a low vacuum vacuum of Torr.

【0056】次に加熱部16によって加熱処理を行う。
この加熱処理によって、熱的に活性化された反応性ガス
が基板18自体および不純物と化学的に反応して揮発性
の反応生成物を形成し、基板18をエッチングするの
で、基板18に付着している無機物等の不純物を除去で
きる。反応性ガスの熱的活性化は例えば反応性ガスに赤
外線を照射することによって行う。反応炉10内を減圧
状態に維持しながら加熱処理を行うので、基板18のエ
ッチングによる揮発性の反応生成物が反応炉10外へ排
気され、その結果、反応生成物によって基板18および
反応炉10内が汚染される度合を低減できる。
Next, a heating process is performed by the heating unit 16.
By this heat treatment, the thermally activated reactive gas chemically reacts with the substrate 18 itself and impurities to form a volatile reaction product, which etches the substrate 18 and thus adheres to the substrate 18. Impurities such as existing inorganic substances can be removed. The thermal activation of the reactive gas is performed, for example, by irradiating the reactive gas with infrared rays. Since the heat treatment is performed while the inside of the reaction furnace 10 is maintained under a reduced pressure, the volatile reaction product of the etching of the substrate 18 is exhausted to the outside of the reaction furnace 10, and as a result, the reaction product causes the substrate 18 and the reaction furnace 10 to be exhausted. The degree of contamination of the inside can be reduced.

【0057】この加熱処理で、基板18も加熱するよう
にすれば反応性ガスと基板18および不純物との反応性
を向上できる。
If the substrate 18 is also heated by this heat treatment, the reactivity of the reactive gas with the substrate 18 and impurities can be improved.

【0058】例えば、基板18の表面温度を約1000
℃に保持するように基板18を加熱しながら約20秒
間、反応性ガスによる基板18のエッチングを行えばよ
い。
For example, the surface temperature of the substrate 18 is about 1000.
The substrate 18 may be etched with the reactive gas for about 20 seconds while heating the substrate 18 so as to maintain the temperature at ℃.

【0059】次に、加熱部16による加熱処理を停止す
ると共にバルブ46bを閉じて反応性ガスの供給を停止
し、基板18が室温まで冷却するのを待つ。この冷却は
基板18の自然冷却としても良いし強制冷却としても良
い。
Next, the heating process by the heating unit 16 is stopped, the valve 46b is closed to stop the supply of the reactive gas, and the substrate 18 is waited to cool to room temperature. This cooling may be natural cooling of the substrate 18 or forced cooling.

【0060】次に、バルブ38、36aを閉じ、バルブ
36b、36eを開き反応炉10内を例えば1×10-8
(10のマイナス8乗)Torrの高真空に排気する。 [Si単結晶膜の成膜]次に原料ガス雰囲気中で加熱
処理を行って基板18にシリコン(Si)単結晶膜を形
成するためバルブ36b、36eを閉じ、バルブ38、
36a、48b、46cを開き、原料ガス例えばSiH
2Cl2ガスを反応炉10内に供給する(図1のSiH2
Cl2フロー)。このときSi単結晶膜形成時の反応生
成物を反応炉10外に排気するため、反応炉10内を例
えば100〜10-2(10のマイナス2乗)Torrの
低真空の減圧状態に維持する。
Next, the valves 38 and 36a are closed, the valves 36b and 36e are opened, and the inside of the reaction furnace 10 is, for example, 1 × 10 -8.
(10 to the 8th power) Evacuate to a high vacuum of Torr. [Formation of Si Single Crystal Film] Next, the valves 36b and 36e are closed to form a silicon (Si) single crystal film on the substrate 18 by performing heat treatment in a source gas atmosphere, and the valve 38,
36a, 48b, 46c are opened, and a source gas such as SiH
2 Cl 2 gas is supplied into the reaction furnace 10 (SiH 2 in FIG.
Cl 2 flow). At this time, since the reaction product at the time of forming the Si single crystal film is exhausted to the outside of the reaction furnace 10, the inside of the reaction furnace 10 is maintained in a low vacuum reduced pressure state of, for example, 100 to 10 −2 (10 −2 ) Torr. .

【0061】次に、加熱部16による加熱処理によって
基板18を加熱して基板表面にSi単結晶膜51を形成
する(図4の(C))。
Next, the substrate 18 is heated by the heat treatment by the heating unit 16 to form the Si single crystal film 51 on the substrate surface (FIG. 4C).

【0062】この基板18の加熱は例えば、基板表面温
度を温度測定手段26で測定しながら、例えば50℃/
秒〜200℃/秒の間の適当な割合で、好ましくは、昇
温速度約100℃/秒で、加熱温度T1である約100
0℃まで上昇させ、好ましくは、約20秒間、約100
0℃に保持するように行う。この場合、上昇温度を一定
の割合で行うのが好適であるが、それはSi単結晶膜の
成長速度を一定にして品質の良い膜を形成するためであ
る。尚、昇温速度を上述したような範囲としたのは膜厚
の制御性およびまたは品質の良い膜を形成するためであ
る。また、加熱温度T1を約1000℃としたのは、S
i単結晶膜の成膜に要する好適の温度であるからであ
る。また約20秒間程度としたのは膜厚の制御性および
または膜質の観点からである。このような条件で、基板
を加熱することによって膜厚数10オングストローム〜
100オングストローム程度という薄い、Si単結晶膜
を基板上に形成できる。尚、このエピタキシャル膜の膜
厚制御は例えば、温度、時間および原料ガスの流量を調
整することによって行える。
The heating of the substrate 18 is carried out, for example, at a temperature of 50.degree. C. while measuring the substrate surface temperature by the temperature measuring means 26.
In an appropriate ratio between the second to 200 DEG ° C. / sec, about preferably at a heating rate of about 100 ° C. / sec, a heating temperature T 1 100
Raise to 0 ° C., preferably about 100 for about 20 seconds
Hold at 0 ° C. In this case, it is preferable to raise the temperature at a constant rate because the growth rate of the Si single crystal film is kept constant and a high quality film is formed. The heating rate is set within the above range in order to form a film with good controllability and / or quality. Further, the heating temperature T 1 is set to about 1000 ° C. because S
This is because the temperature is suitable for forming the i single crystal film. The reason for setting the time for about 20 seconds is from the viewpoint of the controllability of the film thickness and / or the film quality. By heating the substrate under such conditions, a film thickness of several tens of angstroms
A Si single crystal film as thin as about 100 Å can be formed on the substrate. The thickness of the epitaxial film can be controlled by adjusting the temperature, the time and the flow rate of the raw material gas.

【0063】所望の膜厚のSi単結晶膜51を形成した
ら、次に基板18の加熱を停止する。次に基板18を室
温例えば25℃まで冷却する。次にバルブ38、36a
を閉じ、バルブ36b、36eを開き、反応炉10内を
例えば1×10-8(10のマイナス8乗)Torrの高
真空に排気する。
After the Si single crystal film 51 having a desired film thickness is formed, the heating of the substrate 18 is stopped. Next, the substrate 18 is cooled to room temperature, for example, 25 ° C. Next, the valves 38, 36a
Is closed, the valves 36b and 36e are opened, and the inside of the reaction furnace 10 is evacuated to a high vacuum of, for example, 1 × 10 −8 (10 −8 ) Torr.

【0064】このようにして、形成すべき単結晶膜の界
面は原子レベルで見て平坦となっていること、および、
不純物濃度が極めて急峻に変化していることが、未結合
や弱い結合の発生を防止する上で必要である。例えば、
10〜20オングストロームの範囲内で、1×10
16(10のプラス16乗)イオン/cm3(=立方セン
チメートル)から1×1019(10のプラス19乗)イ
オン/cm3(=立方センチメートル)の範囲内で不純
物濃度が変化するのが好ましい。 [酸化膜の成膜]次に、Si単結晶膜51上に絶縁膜
としてシリコン酸化膜を成膜する。この実施例では、酸
化膜として二酸化珪素(SiO2)膜53を成膜する
(図4の(D))。
In this way, the interface of the single crystal film to be formed is flat at the atomic level, and
It is necessary for the impurity concentration to change extremely sharply in order to prevent unbonding and weak bonding from occurring. For example,
Within the range of 10-20 angstroms, 1 x 10
It is preferable that the impurity concentration be changed within the range of 16 (10 +16 power) ions / cm 3 (= cubic centimeter) to 1 × 10 19 (10 +19 power) ions / cm 3 (= cubic centimeter). [Formation of Oxide Film] Next, a silicon oxide film is formed as an insulating film on the Si single crystal film 51. In this embodiment, a silicon dioxide (SiO 2 ) film 53 is formed as an oxide film ((D) of FIG. 4).

【0065】このSiO2膜53は、前述したSi単結
晶膜51の形成終了後、反応炉10を大気にさらすこと
なく、連続して以下に説明する方法で成膜する。
The SiO 2 film 53 is continuously formed by the method described below without exposing the reaction furnace 10 to the atmosphere after the formation of the Si single crystal film 51 described above.

【0066】この酸化膜53としてSiO2膜の形成に
つき説明する。酸化ガス雰囲気中で加熱処理を行って基
板18にSiO2酸化膜を形成するため、バルブ38、
36a、48b、46dを開き、酸化性ガス例えば酸素
(O2)ガスを反応炉10内に供給する(図1のO2フロ
ー)。この時SiO2の酸化膜形成時の反応生成物を反
応炉10外に排気するため反応炉10内を例えば100
〜10-2(10のマイナス2乗)Torrの低真空の減
圧状態に維持する。
The formation of a SiO 2 film as the oxide film 53 will be described. In order to form a SiO 2 oxide film on the substrate 18 by performing heat treatment in an oxidizing gas atmosphere, the valve 38,
36a, 48b, and 46d are opened, and an oxidizing gas such as oxygen (O 2 ) gas is supplied into the reaction furnace 10 (O 2 flow in FIG. 1). At this time, in order to exhaust the reaction product at the time of forming the oxide film of SiO 2 to the outside of the reaction furnace 10, for example, 100
-10 −2 (10 −2 ) Torr Low vacuum pressure is maintained.

【0067】次に加熱部16による加熱処理によって基
板18を加熱して基板表面にSiO2の酸化膜を形成す
る。
Next, the substrate 18 is heated by the heat treatment by the heating unit 16 to form an SiO 2 oxide film on the substrate surface.

【0068】この基板18の加熱は例えば基板表面温度
を温度測定手段26で測定しながら例えば50℃/秒〜
200℃/秒の間の適当な割合で好ましくは昇温速度約
100℃/秒で加熱温度約1000℃まで上昇させ、約
30秒間約1000℃に保持するように行う。この場
合、温度昇温速度を一定の割合で行うのが好適である
が、それは酸化膜の成長度合を一定にして品質の良い膜
を形成するためである。また、加熱温度を約1000℃
としたのは、絶縁膜の成膜に要する好ましい温度である
からである。
The heating of the substrate 18 is carried out, for example, at 50 ° C./sec while measuring the substrate surface temperature by the temperature measuring means 26.
The heating temperature is raised to about 1000 ° C. at a suitable rate of 200 ° C./sec, preferably at a heating rate of about 100 ° C./sec, and maintained at about 1000 ° C. for about 30 seconds. In this case, it is preferable to perform the temperature raising rate at a constant rate, because the growth rate of the oxide film is kept constant and a high quality film is formed. Also, the heating temperature is about 1000 ℃
The reason is that the temperature is a preferable temperature required for forming the insulating film.

【0069】このような条件で、基板を加熱することに
よって膜厚約50オングストロームという薄い良質のS
iO2の酸化膜を形成できる。
By heating the substrate under these conditions, a thin, high-quality S film having a film thickness of about 50 angstroms is obtained.
An oxide film of iO 2 can be formed.

【0070】上述した酸化膜の膜厚制御は例えば、酸化
温度、酸化時間、および酸化ガスの流量を調整すること
によって行える。
The above-mentioned film thickness control of the oxide film can be performed by, for example, adjusting the oxidation temperature, the oxidation time, and the flow rate of the oxidizing gas.

【0071】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。次に基板18を室温例えば2
5℃まで冷却する。
After the oxide film having a desired film thickness is formed, the heating of the substrate 18 is stopped. Next, the substrate 18 is placed at room temperature, for example, 2
Cool to 5 ° C.

【0072】図5の(B)は、このようにして形成した
SiO2の酸化膜とSi単結晶との界面構造を摸式的に
示す図である。この図5の(B)からも理解できるよう
に、基板のSi膜上に成長させたSi単結晶膜は原子レ
ベルで平坦であり、その上側にSiO2膜を形成すると
酸素原子とシリコン原子は規則正しい配列(β−クリス
トバライト構造)になり、結晶性の酸化膜を形成する。
このような界面構造であると、Si単結晶膜とSiO2
膜との間では未結合を含むSi−Si結合、Si−O結
合、O−O結合といった原子の不安定な結合状態がなく
なる。従って、この発明で得られた界面構造では、原子
の不安定な結合状態である、未結合手ないしは弱い結合
が低減され、その結果、形成された絶縁膜には、膜欠陥
はなくなって、高品質の膜となり、ひいては、この絶縁
膜を用いて形成される電子デバイスの電気特性の向上を
図ることができる。
FIG. 5B is a schematic diagram showing the interface structure between the SiO 2 oxide film thus formed and the Si single crystal. As can be understood from FIG. 5B, the Si single crystal film grown on the Si film of the substrate is flat at the atomic level, and when the SiO 2 film is formed on the Si single crystal film, the oxygen atoms and the silicon atoms are separated from each other. It becomes a regular array (β-cristobalite structure) and forms a crystalline oxide film.
With such an interface structure, the Si single crystal film and SiO 2
An unstable bond state of atoms such as Si—Si bond including unbonded bond, Si—O bond, and O—O bond disappears with the film. Therefore, in the interface structure obtained by the present invention, dangling bonds or weak bonds, which are unstable bond states of atoms, are reduced, and as a result, the formed insulating film is free of film defects and has high defects. The quality of the film is improved, and the electrical characteristics of the electronic device formed using this insulating film can be improved.

【0073】この発明は、上述した実施例にのみ限られ
るものではなく、以下に説明するような種々の変更また
は変形を加えることができる。
The present invention is not limited to the above-described embodiments, but various changes or modifications as described below can be added.

【0074】上述した実施例では、Si単結晶膜形成用
ガスとしてSiH2Cl2ガスを用いたが、その代わりに
SiH2Cl2ガスまたはSi(CH322ガスまた
は、これらの混合ガスを用いてSi膜を形成してもよ
い。また、上述した実施例では酸化性ガスとして酸素
(O2)ガスを用いたが、この酸素ガスの代わりに一酸
化二窒素(N2O)ガスを用いても同様に充分な酸化効
果を上げることができる。
In the above-mentioned embodiments, SiH 2 Cl 2 gas was used as the Si single crystal film forming gas, but instead, SiH 2 Cl 2 gas or Si (CH 3 ) 2 H 2 gas or a mixture thereof is used. You may form a Si film using gas. Further, although oxygen (O 2 ) gas is used as the oxidizing gas in the above-mentioned embodiments, a sufficient oxidizing effect can be similarly obtained by using dinitrogen monoxide (N 2 O) gas instead of this oxygen gas. be able to.

【0075】また、絶縁膜として、SiO2層を例とし
て説明したが、ゲート酸化膜として用いた時、界面安定
性が得られてトランジスタの特性が満足し得るものが得
られる絶縁膜であればSiO2層以外の膜であってもよ
い。
Although the SiO 2 layer has been described as an example of the insulating film, any insulating film can be used as the gate oxide film if the interface stability can be obtained and the transistor characteristics can be satisfied. A film other than the SiO 2 layer may be used.

【0076】上述の実施例では、各加熱処理を赤外線ラ
ンプにより行っているが、この加熱処理は、アークラン
プやレーザビームさらにはヒータ等で行っても良い。
In the above-mentioned embodiment, each heat treatment is performed by the infrared lamp, but this heat treatment may be performed by an arc lamp, a laser beam, a heater, or the like.

【0077】また、この発明の絶縁膜形成方法は、低温
酸化法に適用して絶縁膜を形成した場合、或いは希釈酸
化法に適用して絶縁膜を形成した場合にも、絶縁膜の膜
質の向上が図れることは当業者に明らかである。
In addition, the insulating film forming method of the present invention can be applied to the low temperature oxidation method to form the insulating film, or to the diluting oxidation method to form the insulating film even when the film quality of the insulating film is high. It will be apparent to those skilled in the art that improvements can be made.

【0078】また、上述した実施例では、絶縁膜の形成
前に還元ガス雰囲気中で加熱を行って下地である基板の
清浄化をしているが、所要に応じて、この処理は省いて
も勿論よい。
Further, in the above-mentioned embodiment, the substrate as the base is cleaned by heating in the reducing gas atmosphere before forming the insulating film, but this process may be omitted if necessary. Of course good.

【0079】[0079]

【発明の効果】上述した説明からも明らかなように、こ
の出願にかかる発明の絶縁膜形成方法によれば、反応炉
内に基板を設置し、還元性ガス雰囲気中および反応性ガ
ス雰囲気中で加熱処理を行って基板を清浄化した後、単
結晶膜形成用の原料ガスを導入し、加熱処理を行い、予
め極めて平坦な、薄いSi単結晶膜を形成する。その
後、絶縁膜形成用の例えば酸化ガス等のガス雰囲気中で
加熱処理を行い、基板に絶縁膜としてシリコン酸化膜を
形成する。従って、形成された絶縁膜中では、酸素原子
とシリコン原子が規則正しい配列をしたβ−クリストバ
ライト構造を構成し、結晶性の酸化膜を形成する。従っ
て、絶縁膜中ではSi−O結合の安定した結合のみとな
り、Si−Si結合、Si−O結合、O−O結合といっ
た不安定な結合はなくなる。従って膜欠陥のない、高品
質の絶縁膜が得られる。従って、この発明により形成し
た絶縁膜を用いて電子デバイス例えばMOSトランジス
タを作製すると、これら電子デバイスの電気的特性を従
来よりも向上させることができる。
As is apparent from the above description, according to the insulating film forming method of the invention of this application, the substrate is placed in the reaction furnace, and the reducing gas atmosphere and the reactive gas atmosphere are used. After heat treatment is performed to clean the substrate, a raw material gas for forming a single crystal film is introduced and heat treatment is performed to previously form an extremely flat thin Si single crystal film. Then, heat treatment is performed in a gas atmosphere such as an oxidizing gas for forming an insulating film to form a silicon oxide film as an insulating film on the substrate. Therefore, in the formed insulating film, a β-cristobalite structure in which oxygen atoms and silicon atoms are regularly arranged is formed, and a crystalline oxide film is formed. Therefore, in the insulating film, only stable bonds of Si—O bonds are formed, and unstable bonds such as Si—Si bonds, Si—O bonds, and O—O bonds are eliminated. Therefore, a high quality insulating film having no film defect can be obtained. Therefore, when an electronic device such as a MOS transistor is manufactured using the insulating film formed according to the present invention, the electrical characteristics of these electronic devices can be improved as compared with conventional ones.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】この発明の絶縁膜形成方法の一実施例の説明に
供する図である。
FIG. 1 is a diagram for explaining an embodiment of an insulating film forming method of the present invention.

【図2】この発明の絶縁膜形成方法の一実施例を実施す
るための要部を概略的に示す断面図である。
FIG. 2 is a cross sectional view schematically showing a main part for carrying out an embodiment of an insulating film forming method of the present invention.

【図3】この発明の絶縁膜形成方法の一実施例を実施す
るための装置の全体構成を概略的に示す図である。
FIG. 3 is a diagram schematically showing an overall configuration of an apparatus for carrying out an embodiment of an insulating film forming method of the present invention.

【図4】この発明の絶縁膜形成方法の一実施例の説明に
供する工程図である。
FIG. 4 is a process chart for explaining an embodiment of the insulating film forming method of the present invention.

【図5】この発明の絶縁膜形成方法に従って得られたS
iO2/Si界面構造を模式的に示す図である。
FIG. 5: S obtained according to the insulating film forming method of the present invention
The iO 2 / Si interface structure is a view schematically showing.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10:反応炉 10a:本体 10b:蓋部材 10c:昇降部材 12:排気手段 12a:ターボ分子ポンプ 12b:ロータリーポンプ 14:ガス供給部 14a:還元性ガス源 14b:反応性ガス源 14c:単結晶膜成膜用原料ガス源 14d:酸化性ガス源 16:加熱部 16a:赤外線ランプ 16b:支持部材 18:基板 18a:自然酸化膜 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〜4
6d、48a、48b:バルブ 42:ガス供給系 50a、50b:ガス流量コントローラ 51:Si単結晶膜 53:SiO2
10: Reactor 10a: Main body 10b: Lid member 10c: Elevating member 12: Exhaust means 12a: Turbo molecular pump 12b: Rotary pump 14: Gas supply unit 14a: Reducing gas source 14b: Reactive gas source 14c: Single crystal film Source gas source for film formation 14d: Oxidizing gas source 16: Heating unit 16a: Infrared lamp 16b: Support member 18: Substrate 18a: Natural oxide film 20: Support member 22: Lifting device 24: Airtight holding member 26: Temperature measuring means 28: Gas supply pipe 30: Exhaust pipe 32a to 32d: Vacuum gauge 34, 36a to 36f, 38, 40, 44, 46a to 4
6d, 48a, 48b: valve 42: gas supply system 50a, 50b: gas flow controller 51: Si single crystal film 53: SiO 2 film

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 同一の反応炉内でシリコンの下地に絶縁
膜を形成するに当り、 還元性ガス雰囲気中での加熱処理と反応性ガス雰囲気中
での加熱処理を行って下地を清浄化する工程と、 続いて、単結晶膜形成用ガス雰囲気中で加熱処理を行っ
て前記下地にシリコンの単結晶膜を形成する工程と、 前記単結晶膜形成工程に連続して、該単結晶膜上に、絶
縁膜形成用ガス雰囲気中で加熱処理を行って、絶縁膜と
してシリコン酸化膜を形成する工程とを含むことを特徴
とする絶縁膜形成方法。
1. When forming an insulating film on a silicon substrate in the same reaction furnace, heat treatment in a reducing gas atmosphere and heat treatment in a reactive gas atmosphere are performed to clean the substrate. A step of subsequently performing a heat treatment in a gas atmosphere for forming a single crystal film to form a single crystal film of silicon on the base, and continuing the single crystal film forming step, And a step of performing a heat treatment in an insulating film forming gas atmosphere to form a silicon oxide film as the insulating film.
【請求項2】 請求項1記載のシリコン酸化膜の構造が
クリストバライト構造であることを特徴とする絶縁膜形
成方法。
2. A method of forming an insulating film, wherein the structure of the silicon oxide film according to claim 1 is a cristobalite structure.
【請求項3】 請求項1記載の絶縁膜形成方法におい
て、前記単結晶膜形成用ガスをSiH4、SiH2Cl2
およびSi(CH322のガス群から選ばれたいずれ
か一種のガスないしは二種類以上の混合ガスとすること
を特徴とする絶縁膜形成方法。
3. The insulating film forming method according to claim 1, wherein the single crystal film forming gas is SiH 4 , SiH 2 Cl 2
And a method of forming an insulating film, which comprises using one kind of gas selected from the gas group of Si (CH 3 ) 2 H 2 or a mixed gas of two or more kinds.
【請求項4】 請求項1記載の絶縁膜形成方法におい
て、前記単結晶膜形成のための加熱処理で加熱温度を少
なくとも1000℃以上としたことを特徴とする絶縁膜
形成方法。
4. The insulating film forming method according to claim 1, wherein the heating temperature in the heat treatment for forming the single crystal film is at least 1000 ° C. or higher.
【請求項5】 請求項1記載の絶縁膜形成方法におい
て、絶縁膜形成のための加熱処理での加熱温度を少なく
とも1000℃以上としたことを特徴とする絶縁膜形成
方法。
5. The insulating film forming method according to claim 1, wherein the heating temperature in the heat treatment for forming the insulating film is at least 1000 ° C. or higher.
【請求項6】 請求項1記載の絶縁膜形成方法におい
て、前記加熱処理を全て赤外線照射によって行うことを
特徴とする絶縁膜形成方法。
6. The insulating film forming method according to claim 1, wherein the heat treatment is all performed by infrared irradiation.
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