JPH08213379A

JPH08213379A - 枚葉式薄膜形成法および薄膜形成装置

Info

Publication number: JPH08213379A
Application number: JP28014595A
Authority: JP
Inventors: Shizunori Oyu; 静憲大湯; Nobuyoshi Kashu; 信義夏秋; Shinpei Iijima; 晋平飯島; Yasuo Wada; 恭雄和田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1995-10-27
Filing date: 1995-10-27
Publication date: 1996-08-20
Anticipated expiration: 2012-07-30
Also published as: JP2636817B2

Abstract

(57)【要約】【構成】反応容器（９）を取り囲むようにしてランプ
ハウス（１５）とが設けられた枚様式薄膜形成装置で、
反応容器（９）内の試料上に膜形成をする場合に、反応
容器（９）とランプハウス（１５）の真空度を実質的に
同一にする。【効果】反応容器とランプハウスとの間に生ずる気圧
の差による反応容器の歪や破損を防止できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は薄膜形成およびそれに用
いる薄膜形成装置に係り、特に、良好な特性を有する薄
膜を制御性良く形成するのに好適な、薄膜形成法および
薄膜形成装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】薄膜形成において従来のリシコンの熱酸
化法は、通常の電気炉を用いて行っていた。最近の半導
体素子の微細化に伴ない、より薄いシリコン酸化膜が必
要となってきたが、従来の電気炉による熱酸化では、酸
化の低温化や酸素分圧の低下により薄い酸化膜形成を行
っている。このような方法によれば、数ｎｍのシリコン
酸化膜を容易に形成できる。

【０００３】また、薄膜形成における従来の気相化学反
応法は、反応容器内に反応ガスを導入し、高温のガス雰
囲気中で試料表面に薄膜を堆積していた。この方法によ
れば、反応ガス種や反応条件を選ぶことにより、種々の
特性を有する様々な薄膜を形成することができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、酸化の低温化
により、多結晶シリコン膜表面にシリコン酸化膜を形成
する場合、酸化速度の面方位依存性が強調され、多結晶
シリコン膜表面に形成されるシリコン酸化膜の膜厚に不
均一性を生ずるとい問題点がある。

【０００５】また、上記方法でリンガラスを形成する場
合、高温雰囲気では反応容器の反応ガス導入付近で反応
の全んどが起こり、試料表面上に形成するリンガラス中
のリン濃度を制御できないため、低温雰囲気で反応を行
う必要がある。従って、形成されたリンガラス膜の緻密
のための高温アニール処理が必要となる。また、低温反
応では、段差部のステップカバレージが悪いという問題
点がある。従って緻密なステップカバレージの良いリン
ガラスは形成できず、わずかに、ノンストップのＳｉＯ
₂を堆積可能である。

【０００６】さらに、シリコン基板表面上に多結晶シリ
コン膜を形成する場合、従来の電気炉の反応容器を用い
ると、上記炉内外への試料の出入れのとき上記炉口から
の周囲雰囲気（主に空気）の混入により、シリコン基板
表面が酸化されるため、多結晶シリコン膜／シリコン基
板界面を洗浄に保つことができなくなる。その結果、上
記界面での電気的導通が不完全となるという問題点が生
ずる。

【０００７】また、反応容器を囲んで加熱源であるラン
プハウスが設けられている場合、反応容器とランプハウ
スの真空度の相違により反応容器に応力がかかり、反応
容器に歪が生じたり、破損してしまう場合がある。

【０００８】本発明の目的は、上記従来法の有する問題
点を解決し、良好な特性を有する薄膜を制御性良く形成
でき、また、薄膜形成工程を容易にすることができ、反
応容器に歪や破損のない薄膜形成および薄膜形成装置を
提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】反応容器内部とランプハ
ウス内部の真空度を実質的に同一の真空度として、第１
の温度に温度制御して第１の雰囲気で膜形成を行い、次
に秒オ−ダ−で第２の温度に温度制御して第２の雰囲気
で試料処理をすることよって、達成される。

【００１０】

【作用】反応容器内部とランプハウス内部の真空度を実
質的に同一の真空度とすることによって、反応容器にか
かる応力が低減され、歪や破損の発生を防止できる。

【００１１】次にシリコンの熱酸化法について説明す
る。シリコンの熱酸化では、酸化速度はシリコンの面方
位に強く依存し、例えば、（１１０）＞（１１１）＞
（１００）という順になる。この酸化速度の面方位依存
性は、高温酸化程小さくなる。従って、様々な面方位の
結晶粒を有する多結晶シリコン膜の表面酸化では、酸化
温度をより高くすることにより均一な酸化が可能にな
る。

【００１２】半導体素子の微細化に伴なって、より薄い
シリコン酸化膜が必要となるが、本発明では、酸化温度
を高くした分だけ、酸化時間を短縮することにより、薄
いシリコン酸化膜形成を行う。酸化時間は、秒オーダー
であり、このような短時間の酸化においても、上述のよ
うな面方位依存性の酸化温度の効果が有る。

【００１３】次に、気相化学反応法による薄膜形成につ
いて説明する。上記反応法において、反応容器，反応ガ
スおよび試料の温度関係を、（試料）＞（反応ガス）＞
（反応容器）の順にすると、反応容器内に導入された反
応ガス種の反応の大部分は、試料表面附近で起こる。
尚、反応容器の温度を２００℃以下とする。例えば、前
述のリンガラスを形成する場合、制御された反応ガス種
が反応容器に導入された状態で、試料のみを加熱する
と、試料近傍でのみ反応を起こすことができるので、リ
ン濃度の制御されたリンガラス膜を試料表面に形成でき
る。この方法によれば、秒オーダの反応を用いるため反
応温度の高温化が容易であり、また、反応直後、反応容
器内で高温（９００℃以上）の加熱処理を数１０秒行う
ことにより、緻密な膜形成が可能となる。

【００１４】さらに、シリコン基板表面上に多結晶シリ
コン膜を形成する場合、容積の小さい反応容器を用い
て、急熱急冷方式で反応が行える枚葉式処理装置では、
室温で上記反応容器内に試料を出入し入れすることがで
きるので、上記シリコン基板表面の表面酸化が無く、上
記多結晶シリコン膜／上記シリコン基板界面を清浄に保
つことが可能となる。また、上記反応容器内に試料を入
れ、多結晶シリコン膜を形成する直前に塩素系ガスまた
はフッ素系ガスを導した状態で加熱処理を行うことによ
り、室温で形成されたシリコン基板表面の自然酸化膜を
除去できるため、さらに清浄な上記界面を得ることが可
能となる。清浄な多な多結晶シリコン膜／シリコン基板
表面を必要とする理由は、多結晶シリコン膜とシリコン
基板との間の不純物拡散バリヤや電気的なバリアを無く
し、良好な接触を得るためである。本発明では、上記絶
縁膜形成を可能にするため、図１に示すような構成の枚
葉式形成装置を用いる。この形成装置は大別して、反応
容器１および試料２のみを加熱するのに必要な加熱源３
から成る加熱部、反応ガス源４と反応ガスコントローラ
５およびガス排気器６から成るガスライン部、および、
上記加熱源３および反応ガスコントローラ５の制御部７
で構成される。また、反応容器１内への試料２の出し入
れに必要な搬送部も設ける。

【００１５】この形成装置において、試料２の温度は秒
オーダーで制御できるように加熱部を構成する。また、
反応容器内の雰囲気を短時間で種々の雰囲気に置換でき
るように、反応容器内容積を小さくする。また、上記反
応ガスコントローラ５においては、異なるガスの混合、
反応容器１内に流すガスの切換えを行い、また、水蒸気
雰囲気を反応容器１に導入できるような水蒸気発生閉バ
ブラを設ける。

【００１６】

【実施例】

＜実施例１＞以下、本発明の実施例を図２乃至図３によ
り説明する。

【００１７】図２に示すように、枚葉式薄膜形成装置を
作製した。試料８表面上に薄膜を形成する反応容器９
は、内容が０.３ｌの石英製容器とし、上記反応容器９
には、パージ用ガス導入筒１０，反応用ガス導入筒１
１，および反応ガス排気筒１２を設けた。試料８の加熱
はタングステン，ハロゲンランプ１３により行い、ま
た、試料８の予備加熱（加熱温度；１００〜３００℃）
するための上記ランプ１４もランプハウス１５内に設け
た。ランプハウス１５には、上記反応器９を強制空冷で
きるガス導入筒１６およびガス排気筒１７の他に、上記
反応容器９内を真空に保持するためのランプハウス１５
の真空排気筒１８を設けた。上記反応容器９内真空度と
上記ランプハウス１５内真空とを同一にするために、真
空排気制御部１９を設けた。この真空排気制御部１９
は、真空排気ポンプの他に制御用バルブで構成され、上
記真空度を１０〜０.００１Torr の範囲で制御できる。
尚、上記ランプハウス１５の内面は、金メッキにより反
射用コートを施した。また、上記試料８温度は、パイロ
メータ２０を用いてモニタし、上記ランプ１３への入力
制御を行い、所定温度に保たれる。さらに、上記反応容
器９内へ試料８の搬送が行えるように、パージガス排気
筒２１を有するドア２２を設けた。上記反応容器内９内
へ反応ガス導入は、ガス流量制御部２３の流量計２４〜
３２からガス配管３３を介して反応ガス制御部３４に導
入されたのち、必要ガスを上記反応容器９に接続された
反応ガス導入筒１１に供給して行う。上記ガス制御部３
４では試料８表面で均一に薄膜形成が行えるように、流
量制御された複数のガス種を、上記反応容器９に設けた
１００個の反応ガス導入筒１１に割り当ることができ
る。尚、反応ガス導入筒１１を１００個設けた理由とし
ては、試料８表面上により均一に反応ガス導入され、よ
り均一に反応を生じさせ、均一な膜形成を行うためであ
る。また、水蒸気雰囲気を作製するため、超純水３５を
入れたバブラ３６を設けた。バブラ３６の加熱はヒータ
３７により行い、水蒸気のキャリア用酸素ガスを流量計
２５で制御してバブル３６内に導入し、三方向弁３８，
３９の制御により反応容器９内に水蒸気を導入する。

【００１８】以下、図２に示した枚葉式薄膜形成装置を
用いた薄膜形成例を説明する。

【００１９】（１）シリコン基板表面上への熱酸化膜形
成流量計２５により酸化ガス流量を５ｌ／分として、反応
容器９内にパージガス導入筒１０を通して、酸化ガス導
入された状態でドア２２を開け、ｎ型，(１００)、１０
Ωｃｍのシリコン基板８を搬送し、反応容器９内に挿入
した。尚、この時、反応容器９内温度は１００℃以下で
ある。この後、ドア２２を閉じ、３０秒のパージングを
行ったのち、上記ガス流量を１ｌ／分にして、ランプ１
３により上記シリコン基板８を１１００℃に加熱した。
この時、シリコン基板８は、約５秒で１１００℃に達し
た。加熱時間を６０秒として熱酸化を行ったのち、上記
酸素ガス流量を５ｌ／分にして、シリコン基板８を２０
０℃以下になるまで冷却し、熱酸化したシリコン基板８
を反応容器から取り出した。このように、同一容器内で
パージ（以下（２）に記載の予備加熱）、加熱および冷
却を行う場合、試料の処理のスループットが低下する。
従って、スループットの点からは、パージ部，加熱部お
よび冷却部からなる形成装置が有利である。ここで述べ
る反応容器は、加熱部の反応容器として用い、さらにパ
ージ（予備加熱）部および冷却部を付加することによ
り、スループットの問題は改善できる。形成されたシリ
コン酸化膜は、膜厚が１０ｎｍであり、通常の電気炉を
用いた熱酸化（９００℃，３０分酸化）により形成した
同じ膜厚のシリコン酸化膜に比べて、絶縁耐圧が約５％
上昇し、酸化膜／シリコン基板の界面電荷を約半分にす
ることができた。このように、高温で短時間の熱酸化を
行えば、通常の熱酸化に比べて、良質のシリコン酸化膜
を形成できる。

【００２０】（２）シリコン基板の水蒸気酸化による酸
化膜形成（バブラ３６を用いた場合）上記（１）の方法と同様に、酸素ガス５ｌ／分に制御し
たパージした状態で、上記シリコン基板８を反応容器９
内に挿入し、ドア２２を閉じ、３０秒パージを行った。
その後、酸素ガス流量を１ｌ／分にし、予備熱用ランプ
１４により、シリコン基板８を１５０℃に保ち、５秒の
予備加熱を行った。そして、三方向弁３８，３９を制御
し、酸素ガスを水温が９５℃に保たれているバブラ３６
を通して、発生した水蒸気をパージガス導入筒１０から
の反応容器９内に導入した。反応容器９内に水蒸気導入
後３０秒経過し時点で、ランプ１３によりシリコン基板
８を１１００℃に加熱して、６０秒の熱酸化を行った。
尚、ここで、水蒸気を反応容器内に導入する時に試料温
度を１００℃以上に保っている理由は、試料表面での水
蒸気の結露による汚染を防止することにある。この後、
酸素ガスが直接反応容器９内に導入されるように三方向
弁３８，３９を制御し、さらに酸素ガス流量を５ｌ／分
にして、シリコン基板８を温度が２００℃になったとこ
ろで、シリコン基板８を反応容器から取り出した。この
ようにして形成された基板８上の熱酸化膜の膜厚は５０
ｎｍであった。ここで、予備加熱有無を比較した結果、
予備加熱有の方が清浄な酸化膜を形成した。このよう
に、水蒸気雰囲気を用いた高温，短時間酸化が、予備加
熱をすること、および、バブラ３６を設けることにより
可能となった。

【００２１】（３）シリコン基板の水蒸気酸化による酸
化膜形成（水素燃焼方式を用いた場合）上記（１）の方法と同様
に、パージ後、酸素ガスを１ｌ／分に制御したのち、上
記シリコン基板８を９００℃に加熱した。上記シリコン
基板８の温度が９００℃達した時点で、流量計２６によ
り水素ガス流量１ｌ／分に制御し、反応ガス制御部３４
から、上記反応容器９の全て反応ガス導入筒１１を通し
て、水素ガスを導入した。この時、反応容器９内では、
水素と酸素の反応により水蒸気が発生する。反応容器９
への水素ガス導入後、１０秒経過してから、シリコン基
板８の温度を１１００℃にして、６０秒の水蒸気酸化を
行い、水素ガス導入を停止したのち、シリコン基板８の
１１００℃加熱を停止した。その直接、窒素ガス流量を
計量計２５により５ｌ／分に制御し、上記反応ガス制御
部３４および反応ガス導入筒１１を通して、窒素パージ
を行った。この時、窒素および酸素ガスの排気は、ドア
２２に設けた排気筒に他に、反応容器９の反応ガス排気
筒１２により行った。上記パージを行いながら、シリコ
ン基板８が２００℃以下になった時点で、水蒸気酸化さ
れた基板８を反応容器９から取り出した。この時、得ら
れた酸化膜厚は４０ｎｍであった。このように、水素燃
焼方式により、予備加熱無しで水蒸気酸化が可能であ
る。

【００２２】（４）多結晶シリコン膜表面への熱酸化膜
形成シリコン基板表面が膜厚が２０ｎｍのシリコン酸化膜を
形成し、さらにリンが１×１０²¹／ｃｍ³の濃度で導入
された多結晶シリコン膜（膜厚＝３０００ｎｍ）を形成
した試料８を処理した。処理方法は、前述（１）と同様
にし、酸化条件は１１００℃，６０秒とした。この時得
られた多結晶シリコン膜表面のシリコン酸化膜の膜厚
は、２０ｎｍであった。このシリコン酸化膜の絶縁耐圧
は約１０ＭＶ／ｃｍとなり、通常の電気炉を用いた熱酸
化（９００℃，３０分）により形成したシリコン酸化膜
に比べて、絶縁耐圧が約２倍に上昇した。このように、
高温短時間の熱酸化によれば、多結晶シリコン膜の表面
酸化でも、良質のリシコン酸化膜を形成できる。

【００２３】（５）多結晶シリコン膜形成反応容器９窒素パージ（５ｌ／分）した状態でシリコン
酸化膜をパターニングしたシリコン基板８を反応容器９
内に挿入し、ドア１５を閉じた後、真空排気制御部１９
を動作させ、窒素パージを停止し、反応容器９およびラ
ンプハウス１５内部を１×１０^-6Torrに真空排気した。
次いで、流量計３２により塩化水素ガス流量を１ｃｃ／
分に制御し、反応ガス制御部３４および反応ガス導入筒
１１を通して、反応容器９内に塩化水素ガスを導入した
のち、上記シリコン基板８を１１００℃に加熱し、２０
秒の表面処理を行った。

【００２４】尚、塩化水素ガスおよび下記の第１モノシ
ランガスを反応容器９に導入している際、反応容器９内
およびランプハウス１５内の真空度を同じにし、また、
塩化水素ガスおよび下記のモノシランガスのランプハウ
ス内部への逆流を防止する意味で、冷却ガス導入筒１６
から窒素ガスを導入した。上記表面処理後、試料８温度
を６５０℃に保ち、流量計２７によりモノシランガス流
量を１ｃｃ／分に制御し、上記反応ガスの制御部３４お
よび導入筒１１を通して、反応容器９内にモノシランガ
スを導入した。モノシランガス導入直後、真空排気制御
部１９により、反応容器９内の真空度を１Torrに制御
し、６０秒間のモノシランガスの分解を行った。

【００２５】その後、モノシランガスの供給を停止し、
上記試料８の加熱を停止した。次いで、パージガスとし
て窒素ガスを上記反応ガス導入筒１１から導入し、反応
容器９内の真空度を徐々に大気圧に戻したのち、窒素パ
ージ（５ｌ／分）をパージ導入筒から導入に切り換え
て、試料８温度が２００℃以下になった時点で、試料８
を反応容器９から取り出した。この時得られた多結晶シ
リコン膜の膜厚は３０ｎｍであった。また、上記表面処
理を行ったことにより、シリコン基板表面が露出した部
分に形成された多結晶シリコン膜とシリコン基板との界
面には、導電性や不純物拡散に対するバリヤとなる自然
酸化膜が無く、清浄な多結晶シリコン膜／シリコン基板
界面を得ることができた。

【００２６】（６）シリコン窒化膜の形成上記（５）と同様に、１×１０^-6Torrまで真空排気した
のち、流量計２４により窒素ガス流量を１ｃｃ／分に制
御し、反応ガス導入筒１１から反応容器９内に導入した
ながら、真空排気制御部１９の動作により、反応容器９
内およびランプハウス１５内の真空度を１Torrに保っ
た。その後、ランプ１３の加熱により、シリコン基板８
温度を８００℃にして、流量計２８および３１によりア
ンモニアガスおよびジクロルシランガスの流量を、それ
ぞれ２ｃｃ／分および０.５ｃｃ／分に制御した。尚、
この時も反応容器９およびランプハウス１５の真空度は
１Torrに保たれている。上記アンミニアおよびジクロル
シランガス導入復、６０秒の反応を行い、上記２種の反
応ガスのみ停止して、反応容器９内を１Torrら保った状
態で１０秒間窒素ガスにより反応容器９内の置換を行っ
た。その後、シリコン基板８の加熱を停止して、反応容
器９内の真空度を徐々に悪くして、大気圧にした後、パ
ージガス導入筒１０から窒素ガス（５ｌ／分）を導入し
て、シリコン基板８温度が２００℃以下になった時点
で、シリコン基板８を反応容器から取り出した。この時
形成されたシリコン窒化膜は、膜厚が２０ｎｍであり、
通常のＣＶＤ法で得られたものと同等の耐酸化性を有し
ている。

【００２７】（７）リンガラス膜の形成反応容器９内をパージガス導入筒１０から導入された窒
素ガス（５ｌ／分）でパージングしている状態でシリコ
ン基板８を挿入、ドア２２を閉じた後、３０秒経過して
から窒素ガス流量を１ｌ／分にして、窒素ガスの導入を
パージガス導入筒１０から反応ガス導入筒１１に切換え
た。その後、シリコン基板８を６００℃に加熱し、冷却
ガス導入筒１６から乾燥空気を導入し、反応容器９を強
制冷却した。この時、湿った乾燥空気は冷却ガス排気筒
１７から排気した。シリコン基板８を６００℃に加熱し
てから、１０秒後、流量計２５．２７および２９により
酸素ガス，モノシランガスおよびホスフィンガス流量
を、それぞれ、０.２ｌ／分，１０ｃｃ／分および０.４
ｃｃ／分に制御して、反応ガス導入筒１１からこれらの
反応ガスを反応容器９に導入した。尚、ここで、それぞ
れの１本の反応ガス導入筒１１は、一種の反応ガスを単
独に用いており、これらの反応ガスの反応容器９内のシ
リコン基板８表面近傍でのみ反応するようにしている。
この反応を６０秒行ったのち、窒素ガスを除いた反応ガ
スの供給を停止し、１０秒後にシリコン基板８を１００
０℃に加熱して、２０秒のアニールを行った。この後、
窒素ガス流量を５ｌ／分にして、シリコン基板８の加熱
を停止した。シリコン基板８温度が２００℃以下になっ
た時点で窒素ガスの導入を反応ガス導入筒１１からパー
ジガス導入筒１０に切り換えたのち、シリコン基板８を
反応容器から取り出した。このようにして形成されたリ
ンガラスは、リンのモル濃度が４％で、膜厚が１００ｎ
ｍであった。また、ＨＦ／Ｈ₂Ｏ＝１／１０の組成を持
つエッチング液中でのエッチング速度は、約１００ｎｍ
／分であった。このエッチング速度は、通常のＣＶＤ法
で得られた同じモルの濃度のリンガラス膜のそれに比べ
てて約１０分の１以下であった。通常のＣＶＤ法で形成
したリンガラスをまたは、１０００℃で３０分間緻密化
した後のエッチング速度はほぼ同一であった。従って、
上記の方法によれば、リンガラスの緻密化用アニールを
さらに行う必要が無い。このように、この方法では、同
一反応容器９内でリンガラス膜形成及び緻密化を行える
ため、良質のリンガラス膜形成が容易である。また、シ
リコン基板８の表面に凹凸の有る場合に、この方法で形
成すると、通の４５０℃程度の低温ＣＶＤ法に比べて、
段差部のステップカバレージが良好であった。即ち、通
常の方法では０.５μｍ段差部の膜厚は平坦部の膜厚に
対して４０％以下であったが、本発明によれば９０％以
上となった。

【００２８】（８）ボロンリンガラス膜の形成反応容器９内を窒素ガス（流量＝５ｌ／分）によりパー
ジングしている状態でシリコン基板８を挿入し、ドア22
を閉じた後、30秒経過してから窒素ガス流量を１ｌ／分
にして、上記窒素ガスの導入をパージガス導入筒10から
反応ガス導入筒11に切り換えた。その後、シリコン基板
８を450℃に加熱し、上記（７）のように反応容器９を
強制空冷した。シリコン基板８を450℃に加熱後10秒経
過してから、流量計25,27,29および30により、酸素ガ
ス，モノシランガス，ホスフィンガスおよびジボランガ
スの流量を、それぞれ、0.2/分,10cc/分,0.4cc/および
0.3cc/分に制御して、反応ガス導入筒11から上記反応ガ
スを反応容器９に導入した。尚、これらの反応ガスの反
応は、シリコン基板８表面でのみ反応するようにしてい
る。この反応を60秒行ったのち、窒素ガスを除いて全て
の反応ガスの供給を停止し、10秒後にシリコン基板８を
1000℃に加熱して20秒のアニールを行った。この後、窒
素ガス流量を５ｌ／分にして、シリコン基板８の加熱を
停止した。シリコン基板８温度が200℃以下になった時
点で、窒素ガス導入を反応ガス導入筒11からパージガス
導入筒10に切り換えたのち、シリコン基板８を反応容器
から取り出した。得られたボロンリンガラスは、ボロン
およびリンのモル濃度がそれぞれ３モル％および４モル
％であり、膜厚が120nmであった。このようにして得ら
れたボロンリンガラスは、緻密化がなされており良質の
膜である。尚、この時、上記シリコン基板８表面に凹凸
がある場合、このような方法でボロンリンガラスを形成
すると、上記1100℃アニールにおいて上記ガラスのリフ
ローが生じガラス膜表面の平坦化がなされた。

【００２９】以上のように本発明によれば、通常の薄膜
形成法と同様の薄膜形成が、短時間かつ高温で可能とな
るため、前述（１）〜（８）で述べたように、通常法に
比べて良質の薄膜形成が可能となる。また、時間制御及
び雰囲気制御の制御性が良好であるため、異種薄膜を同
一容器で同時に形成できる。

【００３０】＜実施例２＞前述の薄膜形成法を用いてEP
ROMを作製した実施例を図３により説明する。

【００３１】面方位；（100），導電型;p型，および、
抵抗率;10Ωcmのシリコン基板40を、前述（１）の方法
で（温度＝1100℃；時間＝60秒）により膜厚が10nmのシ
リコン酸化膜41を形成したのち、反応容器９内およびラ
ンプハウス15内を１×１０^-6Torr真空排気した。その
後、前述（６）と同様の方法により、800℃の基板温度
で300秒の反応を行い、膜厚が100nmのシリコン窒化膜42
を形成した。その後、通常のパージング及び冷却を行
い、上記基板40を反応容器９から取り出したのち、通常
のホト工程を用いて、レジスト膜43上記シリコン酸化膜
41およびシリコン窒化膜42を加工した。そして、ホウ素
イオン44を60keVの加速エネルギーで５×１０^-12/cm²だ
け打込み、打込み層45を形成し、その後レジスト膜43を
除去した（ａ）。次いで、前述（２）で示した方法（温
度＝1200℃，時間＝300秒，バブラ温度＝95℃）によ
り、膜厚が0.5μｍのシリコン酸化膜46を形成した。こ
の時、上記シリコン酸化膜46下には、前述打込み層45の
ホウ素が電気的に活性化し、ｐ型フィールド拡散層47が
形成された（ｂ）。

【００３２】次に、上記シリコン窒化膜42およびシリコ
ン酸化膜41を除去したのち、前述（１）で示した方法
（温度＝1150℃，時間＝120秒）により、膜厚が20nmの
シリコン酸化膜（ゲート酸化膜）48を形成した。その
後、しきい値制御のために、ホウ素イオン49を60keVの
加速エネルギーで2.5×10^-11/cm²だけ打込みし、ホウ素
打込み層50を形成した（ｃ）。

【００３３】次に、前述（５）で示したように、反応容
器９内に試料を挿入し、反応容器９およびランプハウス
15内部を１×10^-6Torrに真空排気したのち、試料温度を
650℃に加熱した。試料温度が650℃になった直後、反応
容器９内の真空度を1Torrに保ち、流量計27および29に
よりモノシラガスおよびホスフィンガスの流量を、それ
ぞれ、1cc/分および0.01cc/分に制御し、反応ガス導入
筒11から上記ガスを反応容器９内に導入し、420秒の反
応を行った。その後、上記反応ガスの供給および試料の
加熱を停止し、前述（５）で示したように反応容器９内
圧力の大気圧化，パージングおよび冷却を行い、試料温
度が200℃以下になった時点で、試料を反応容器から取
り出した。この時、形成された多結晶シリコン膜51は、
膜厚が210nmで、層抵抗が約25Ω／口であった。尚、こ
の時、上記ホウ素打込み層50は活性化された。その後通
のホト工程を用いて、上記多結晶崩シリコン膜51を加工
した（ｄ）。

【００３４】次に、前述（３）で示した方法（温度＝10
50℃，時間＝120秒）により、膜厚が20nmのシリコン酸
化膜52を形成し（ｅ）、その後、上記多結晶シリコン膜
51と同条件で同仕様の多結晶シリコン膜53を堆積し
（ｆ）、次いで、通常のホト工程により、上記多結晶シ
リコン膜53，シリコン酸化膜52、および多結晶シリコン
膜51を加工した（ｇ）。この時、上記２種の多結晶シリ
コン膜において、上部はコントロールゲート電極42、ま
た、下部はフローティングゲート電極40となる。

【００３５】次に、前述（３）の方法（温度＝1050℃，
時間＝120秒）により、膜厚が20nmのシリコン酸化膜54
を形成したのち、ヒ素イオン55を100keVの加速エネルギ
ーで１×10¹⁶/cm²だけ打込み、ソースおよびドレインと
なるヒ素打込み層56を形成した（ｈ）。

【００３６】その後、前述（７）の方法により、リン濃
度が0.5モル％および４モル％のリンガラス膜57および5
8を、それぞれ、0.3μｍの膜厚で形成した。上記リンガ
ラス形成条件は、以下の通りであある。下層のリンガラ
ス膜57は、モノシランガスおよびホスフィンガスの流量
を10cc/分および0.05cc/分とし、600℃で120秒間反応さ
せて形成した。また、上層のリンガラス膜58は、モノシ
ランガスおよびホスフィンガスの流量をそれぞれ10cc/
分および0.4cc/分として、600℃で120秒間反応させて形
成した。

【００３７】尚、酸素ガスの流量は、に、0.2ｌ/分とし
た。次いで、上述（８）の方法により、上述（８）と同
条件で300秒間反応させて、膜厚が0.6μｍのボロンリン
ガラス膜59を形成し、その直後、窒素雰囲気（流量＝１
ｌ/分）で1050℃,10秒のアニール処理を行い、図（ｉ）
のように、リフローにより表面を平坦化したボロンリン
ガラス膜60を形成した。上記アニール処理により、上記
ヒ素打込み層56は電気的に活性化され、また、上記リン
ガラス膜57および58がデンシファイされた（ｉ）。

【００３８】次いで、通常のホト工程を用いて上記ボロ
ンリンガラス膜60,リンガラス膜58および57、および、
シリコン酸化膜48を加工し、コンタクト穴明けを行った
のち、1050℃で10秒のアニール処理を行い、図（ｊ）の
ように、リフローさせたボロリンガラス膜61により、コ
ンタクト穴の傾斜を緩やかにした（ｊ）。

【００３９】最後に、アルミニウム電極62を通常工程に
より作製した後、水素雰囲気にした反応容器内で、550
℃20秒の水素アニールを行い、EPPON素子を作製した。

【００４０】本実施例によれば、通常フロセスと比較し
て薄膜形成プロセスを９工程から６工程に減らすことが
でき、また上記数種のガラス膜のデンシファイおよびリ
フロー用のアニール処理を、薄膜形成直後に同一容器内
で短時間のうちに処理できるため、上記アニール処理を
実質的に３回から２回に減らすことができ、プロセスの
簡素化が行われた。また、反応時間の制御が秒オーダー
であるため、薄膜形成プロセスの制御性が向上し、ま
た、種々のアニールを必要最少限の時間で行うことがで
き、不必要な熱処理（例えばソース，ドレイン領域の接
合深さの増大の原因となり、減いソース，ドレイン形成
が困難となる）を無くすことができるため、アニールプ
ロセスの制御性も向上した。

【００４１】さらに、本実施例によれば、図３（ｉ）に
示したように、リフロー処理により表面の平坦化がなさ
れ、コンタクト穴明けのためのホト工程の精度を向上で
き、また、同図（ｊ）に示したように、コンタクト穴の
斜視や緩やかにすることができたため、電極62形成にお
いて段切れ防止がなされた。

【００４２】また、本実施例によれば、ゲート絶縁膜48
の絶縁耐圧を10％向上でき、また、フローティングゲー
ト51とコントロールゲート53間の絶縁膜52の絶縁耐圧を
約2.5倍に向上でき、その結果デバイスの信頼性を向上
できた。

【００４３】

【発明の効果】本発明によれば、反応容器を破損せずに
膜形成を行える。また、同一反応容器内で、異種の薄膜
を形成でき、薄膜形成直後にアニール処理が可能となる
ため、薄膜形成プロセスが簡素化される。また、反応を
秒オーダーで制御できるのでプロセス制御性向上の効果
がある。さらに、反応温度も高温化できるため、特性の
良好な薄膜形成に効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による枚葉式絶縁膜形成装置の一例を示
す構成図。

【図２】上記形成装置の概略図。

【図３】本発明の方法を用いたEPROM作製工程図であ
る。

【符号の説明】

１，９…反応容器、２，８…試料基板、３，１３，１４
…加熱用ランプ、４…反応ガス源、５，３４…反応ガス
制御部、６…ガス排気器、７…制御部、１０…パージガ
ス導入筒、１１…反応ガス導入筒、１２…反応ガス排気
筒、１５…ランプハウス、１６…冷却ガス導入筒、１７
…冷却ガス排気筒、１８…真空排気筒、１９…真空排気
制御部、２０…パイロメータ、２１…パージガス排気
筒、２２…ドア、２３…反応ガス流量制御部、２４〜３
２…流量計、３３…ガス配管、３５…超純水、３６…バ
ブラ、３７…ヒーター、３８，３９…三方向弁、４０…
ｐ型シリコン基板、４１，４６，４８，５２，５４…シ
リコン熱酸化膜、４２…シリコン窒化膜、４３…レジス
ト膜、４４，４９…ホウ素イオン、４５，５０…ホウ素
打込み層、４７，５０…ｐ型拡散層、５１，５３…ｎ+
型多結晶シリコン膜、５５…ヒ素イオン、５６…ヒ素打
込み層またはｎ+型拡散層、５７，５８…リンガラス
膜、５９〜６１…ボロンリンガラス膜、６２…アルミニ
ウム電極。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者和田恭雄東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】試料を、ランプハウスにより取り囲まれた
熱反応容器内に挿入する工程と、該ランプハウス内部と該熱反応容器内部とを実質的に同
一の真空度にする工程と、秒オーダで該試料を第１の所定温度に温度制御する工程
と、第１の雰囲気で該試料表面に第１の膜を形成する工程
と、秒オーダで該試料を第２の温度に温度制御する工程と、該第１の雰囲気とは異なる第２の雰囲気で該試料を処理
する工程とを有することを特徴とする枚葉式薄膜形成
法。
【請求項２】請求項１記載の枚葉式薄膜形成法におい
て、該第１の雰囲気は複数種の反応ガスからなり、かつ
該第１の雰囲気は複数の反応ガス導入口から導入されて
おり、それぞれの該反応ガス導入口は該複数種の反応ガ
スのうちの１種類の反応ガスを導入することを特徴とす
る枚葉式薄膜形成法。
【請求項３】熱反応容器と、熱反応容器を取り囲むよう
にして設けられたランプハウスと、該熱反応容器内に設
けられた枚葉式試料台と、該ランプハウス内に設けら
れ、該試料台上の試料の温度を秒オーダで加熱するラン
プと、反応ガス制御部と、該熱反応容器内に設けられた
反応ガス導入口と、反応ガス排気手段と、該熱反応容器
内部と該ランプハウス内部とを実質的に同一の真空度と
する手段とを有することを特徴とする枚葉式薄膜形成装
置。
【請求項４】請求項３記載の枚葉式薄膜形成装置におい
て、該反応ガス導入口は複数あり、かつ複数種の反応ガ
スを導入する手段であり、それぞれの該反応ガス導入口
は１種類の反応ガスを導入する手段であることを特徴と
する枚葉式薄膜形成装置。
【請求項５】請求項３または４記載の枚葉式薄膜形成装
置において、該熱反応容器はパ−ジガス導入口と該パ−
ジガス導入口とは別に設けられた反応ガス導入口とを有
することを特徴とする枚葉式薄膜形成装置。