JPH09153489A - Manufacture of semiconductor device - Google Patents

Manufacture of semiconductor device

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JPH09153489A
JPH09153489A JP31212195A JP31212195A JPH09153489A JP H09153489 A JPH09153489 A JP H09153489A JP 31212195 A JP31212195 A JP 31212195A JP 31212195 A JP31212195 A JP 31212195A JP H09153489 A JPH09153489 A JP H09153489A
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JP
Japan
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oxide film
substrate
processing chamber
semiconductor substrate
temperature
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Application number
JP31212195A
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Japanese (ja)
Inventor
Yasumasa Minazu
康正 水津
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
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  • Formation Of Insulating Films (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an oxide film of high reliability. SOLUTION: First of all, a silicon substrate is introduced into a processing chamber 33 and shut off from an outside air. AHF gas is introduced into the processing chamber 33 so as to remove a natural oxide film formed on the surface of the substrate, keeping the silicon substrate at a temperature of 400 deg.C or below. Then, keeping the silicon substrate in a temperature range from a dew point to 400 deg.C, water vapor and oxygen gas are introduced into the processing chamber 33 so as to make it filled with oxidizing atmosphere. The temperature of the silicon substrate is set higher those in a second and a third process, and an oxide film is formed on the surface of the silicon substrate.

Description

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

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の製造
方法に係り、特に酸化膜の形成方法に特徴がある半導体
装置の製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly to a method for manufacturing a semiconductor device characterized by a method for forming an oxide film.

【0002】[0002]

【従来の技術】一般に、半導体素子は、シリコン基板上
に酸化膜等の絶縁膜や多結晶シリコン膜等の導電膜を形
成し、加工するという工程を経て形成される。シリコン
基板上に形成する膜のうち酸化膜は、例えば、MOS型
半導体素子のゲート絶縁膜などに見られる通り、半導体
素子の基本的構成要素であって、その品質は同素子全体
の性能の良否に深く関わっている。
2. Description of the Related Art Generally, a semiconductor element is formed through a process of forming and processing an insulating film such as an oxide film or a conductive film such as a polycrystalline silicon film on a silicon substrate. Of the films formed on the silicon substrate, the oxide film is a basic constituent element of a semiconductor device, as seen in, for example, a gate insulating film of a MOS type semiconductor device, and its quality depends on the performance of the entire device. Are deeply involved in.

【0003】酸化膜の品質としては、その絶縁膜として
の性質から、電圧を印加したときの特性変化によって判
断するのが最も基本的であって、大別すると、単純な電
圧印加による絶縁破壊を見るもの、ならびにある時間に
亘って電圧を印加し続けたときに起こる特性変化および
破壊の評価の2種類に分けられる。これら特性のうち前
者に対応するものは単に絶縁耐圧特性、また、後者のう
ち破壊特性についてはその破壊に至るまでの時間を経時
絶縁破壊寿命と呼ぶ。
The quality of the oxide film is most basically judged from the characteristics of the insulating film by the change in the characteristics when a voltage is applied, and is roughly classified into a dielectric breakdown due to a simple voltage application. It can be divided into two types: what to see, and evaluation of characteristic change and breakdown that occur when a voltage is continuously applied for a certain period of time. Of these characteristics, the one corresponding to the former is simply referred to as a dielectric strength characteristic, and the breakdown characteristic of the latter is referred to as a time-dependent dielectric breakdown life.

【0004】そして、前者からは場所的に見て比較的ま
ばらに分布する顕著な欠陥についての情報が、一方、後
者からはより高密度に分布する微小な欠陥についての情
報がそれぞれ得られる。
The former obtains information about remarkable defects that are relatively sparsely distributed in terms of location, while the latter obtains information about minute defects that are distributed more densely.

【0005】このことに対応して、特に前者に関わる不
良を偶発不良、一方、後者に関わる不良を真性不良、対
応する経時絶縁破壊寿命を真性寿命などと呼ぶのが一般
的である。さらに、経時絶縁破壊とそれに至る途中の特
性変化全般を総称して真性特性と呼ぶ場合がある。その
性質から明らかな通り、偶発不良は製品の所謂初期特性
に、一方、総じて真性特性は同じく信頼性にそれぞれ影
響を及ぼす種類の特性である。
Corresponding to this, it is general that the former defect is called a random defect, the latter defect is called an intrinsic defect, and the corresponding dielectric breakdown life with time is called an intrinsic life. Further, the dielectric breakdown over time and the characteristic changes on the way to that in general may be collectively referred to as an intrinsic characteristic. As is clear from its properties, random defects are the types of properties that affect the so-called initial characteristics of the product, while, in general, the intrinsic characteristics are characteristics that also affect reliability.

【0006】これら酸化膜の特性は、当然、その形成方
法に左右されるが、その品質の向上という場合には偶発
不良の低減と真性特性の向上の両者が共に実現されなく
てはならない。したがって、形成方法についてもこれら
2つの特性の改善をそれぞれ実現するための条件が満た
されていることが必要となる。
The characteristics of these oxide films naturally depend on the forming method thereof, but in order to improve the quality thereof, both reduction of accidental defects and improvement of the intrinsic characteristics must be realized. Therefore, the forming method also needs to satisfy the conditions for realizing the improvement of these two characteristics.

【0007】このうち、偶発不良の低減策として従来か
ら行われているのは、主として酸化膜形成を含む製造工
程中での汚染、特に金属汚染を減らすことである。具体
的には、酸化用熱処理装置(酸化炉と略記)の材質や構
造などといった装置そのものの改良を除けば、酸化前の
基板洗浄(前処理と略記)による汚染除去と、その後の
酸化膜形成工程中に基板が新たな汚染を受けることを防
ぐ清浄な酸化工程の実現の2つが主なものである。
Among them, what has been conventionally taken as a measure for reducing accidental defects is mainly to reduce pollution, particularly metal pollution, in a manufacturing process including oxide film formation. Specifically, except for the improvement of the equipment itself such as the material and structure of the heat treatment device for oxidation (abbreviated as oxidation furnace), the substrate is cleaned before oxidation (abbreviated as pretreatment), and then the oxide film is formed. The two main goals are to realize a clean oxidation process that prevents the substrate from being newly polluted during the process.

【0008】前者の前処理方法として一般的に行われて
いるのは、塩酸(HCl)などの酸によって汚染金属を
薬液中に溶出させた上、過酸化水素(H22 )水など
の酸化剤で基板表面を薄く酸化して同表面を親水性にす
ることによって薬液中に溶けた汚染金属の基板への再吸
着を防ぐことである。
As the former pretreatment method, generally, a contaminating metal is eluted in a chemical solution with an acid such as hydrochloric acid (HCl), and then hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) water or the like is used. This is to prevent the re-adsorption of the contaminated metal dissolved in the chemical solution on the substrate by thinly oxidizing the surface of the substrate with an oxidizing agent to make the surface hydrophilic.

【0009】一方、後者の酸化工程としては酸化炉自身
からの汚染金属の発生が少なくなるという意味で酸化温
度の低温化を図るのが最も簡単な方法である。これに対
して、真性特性、特に真性寿命を向上させる方法として
は、脱イオン水(DIWと略記)中に1〜3ppm程度
のオゾンを含ませたもの(オゾン水と略記)を用いて基
板を処理することによって、基板上の酸化膜の真性寿命
が改善されることが現象として知られていた。
On the other hand, in the latter oxidation process, the simplest method is to reduce the oxidation temperature in the sense that the amount of pollutant metal generated from the oxidation furnace itself is reduced. On the other hand, as a method for improving the intrinsic properties, particularly the intrinsic life, a substrate obtained by using deionized water (abbreviated as DIW) containing ozone of about 1 to 3 ppm (abbreviated as ozone water) is used. It has been known as a phenomenon that the intrinsic life of the oxide film on the substrate is improved by the treatment.

【0010】しかし、これまでそのメカニズムは理解さ
れず、本質的なパラメータが把握できていなかったため
に一般的に用いられるには至らなかった。すなわち、真
性特性を改善するための一般的な方法は知られていなか
ったので、より高品質の酸化膜を形成することはできな
かった。
However, until now, its mechanism has not been understood and essential parameters have not been grasped, so that it has not been generally used. That is, since a general method for improving the intrinsic characteristics has not been known, it was not possible to form a higher quality oxide film.

【0011】ところが、半導体素子の寸法の微細化や用
途の多様化に伴って、酸化膜、特にゲート絶縁膜の品質
については、従来から重要視されてきた偶発不良の低減
に加えて真性特性の向上に対する要求も高まってきた。
However, with the miniaturization of the size of semiconductor elements and the diversification of applications, the quality of oxide films, particularly gate insulating films, has been reduced from the chance of random failure, which has been emphasized in the past. The demand for improvement has also increased.

【0012】例えば、フラッシュ・メモリのトンネル絶
縁膜のような場合には、その使用方法や機能から、真性
特性の向上が偶発不良の低減と同等の重要性を持つに至
っている。
[0012] For example, in the case of a tunnel insulating film of a flash memory, the improvement of the intrinsic characteristic has become as important as the reduction of the random failure due to the method of use and the function thereof.

【0013】一方、シリコン基板上に高品質の酸化膜を
形成するためには、同酸化膜の形成に先立って、基板表
面に常圧常温の大気中で形成されるいわゆる自然酸化膜
を一旦除去した後、改めて同基板上に温度、雰囲気等所
定の条件で酸化膜を形成することが必要である。しか
し、これを有効に行うためには以下のような技術的問題
が存在した。
On the other hand, in order to form a high-quality oxide film on a silicon substrate, prior to the formation of the oxide film, a so-called natural oxide film formed on the substrate surface in the atmosphere at normal pressure and normal temperature is once removed. After that, it is necessary to again form an oxide film on the same substrate under predetermined conditions such as temperature and atmosphere. However, the following technical problems exist in order to effectively carry out this.

【0014】すなわち、従来、自然酸化膜の除去を行う
方法としては、基板を稀弗酸などを含む薬液に浸すなど
してその表面の自然酸化膜を除去した後、同基板を電気
炉などの装置の処理室内に配置して高温で酸化性雰囲気
中に曝して酸化膜を形成する方法が採られた。
That is, as a conventional method for removing the natural oxide film, the natural oxide film on the surface of the substrate is removed by immersing the substrate in a chemical solution containing diluted hydrofluoric acid or the like, and then the substrate is subjected to an electric furnace or the like. A method of forming an oxide film by arranging it in a processing chamber of the apparatus and exposing it to an oxidizing atmosphere at high temperature was adopted.

【0015】しかし、この方法では、基板は薬液を用い
る湿式処理と電気炉などを用いるガス中での処理という
性格の異なる2種類の処理を経ねばならず、当然それら
の処理の間で基板の搬送を伴う。
However, in this method, the substrate must be subjected to two kinds of treatments having different characteristics, that is, a wet treatment using a chemical solution and a treatment in a gas using an electric furnace or the like, and naturally the substrate treatment is performed between these treatments. Accompanied by transportation.

【0016】基板の搬送はそれ自体ダスト発生などの問
題を含んでいる上、特に上記場合のように性格の異なる
処理をつなぐ場合には、基板がクリーンルーム中の空気
に曝される状況を避けることができず、したがって、有
機物や重金属などによる基板の汚染を避けることができ
ない。
The transfer of the substrate itself involves problems such as generation of dust, and especially when connecting processes having different characteristics as in the above case, avoid the situation where the substrate is exposed to the air in the clean room. Therefore, it is unavoidable that the substrate is contaminated with organic substances or heavy metals.

【0017】このような状況を避けるために、以下のよ
うな方法が提案された。すなわち、基板表面の自然酸化
膜の除去から酸化膜形成までを同一装置内で行うことに
よって、クリーンルーム雰囲気を経由する基板の搬送を
なくそうとするものである。
In order to avoid such a situation, the following method has been proposed. That is, the removal of the natural oxide film on the surface of the substrate to the formation of the oxide film is performed in the same apparatus so as to eliminate the transportation of the substrate through the clean room atmosphere.

【0018】この目的のために、通常行なわれる方法
は、酸化装置の酸化処理室内またはこれとロードロック
で接続された処理室内で自然酸化膜の除去処理を行な
い、引き続き、同装置の酸化処理室内で酸化膜の形成を
行うものである。
For this purpose, the method that is usually carried out is to remove the natural oxide film in the oxidation treatment chamber of the oxidation device or in the treatment chamber connected to it by a load lock, and then continue in the oxidation treatment chamber of the same device. To form an oxide film.

【0019】ここで、自然酸化膜の除去方法には様々な
ものがあるが、酸化装置中で自然酸化膜除去を行なう場
合には、エッチングガスとして、HF、NH4 F、NF
3 、ClF3 など弗素を含む反応性ガスを用いたドライ
エッチングにより行なう。
There are various methods for removing the natural oxide film. When the natural oxide film is removed in an oxidizing device, HF, NH 4 F, and NF are used as etching gas.
Dry etching is performed by using a reactive gas containing fluorine such as 3 , ClF 3 or the like.

【0020】このように自然酸化膜の除去処理を酸化処
理室内で行えば、基板搬送の必要は全くないし、一方、
自然酸化膜の除去処理を酸化処理室と異なる処理室内で
行えば、処理室間の基板搬送は必要にはなるものの同一
装置内なので、基板がクリーンルーム中の空気に曝され
る問題は回避でき、これにより、基板が有機物や重金属
などにより汚染されることを最小限に押さえることが可
能になる。
When the natural oxide film removal process is performed in the oxidation process chamber in this manner, there is no need to transfer the substrate, while
If the removal process of the natural oxide film is performed in a processing chamber different from the oxidation processing chamber, it is possible to avoid the problem that the substrate is exposed to the air in the clean room because the substrates are transferred between the processing chambers, although they are in the same device. This makes it possible to minimize the contamination of the substrate with organic substances, heavy metals and the like.

【0021】ところが、このような方法には次のような
問題があり、実際に実施することは困難であった。第1
の問題は、基板と再酸化して形成した酸化膜との間の界
面準位密度が増加するという問題である。この問題は以
下の理由により生じる。
However, such a method has the following problems and is difficult to actually carry out. First
The problem is that the interface state density between the substrate and the oxide film formed by reoxidation increases. This problem occurs for the following reasons.

【0022】HF、NH4 F、NF3 、ClF3 など弗
素を含む反応性ガスを用いて自然酸化膜の除去を行った
場合、除去後の基板表面は、その外側に向いたSi原子
の未結合結合手が弗素原子と結合した状態(これを弗素
による“終端”と称する)になっている。
When the natural oxide film is removed using a reactive gas containing fluorine such as HF, NH 4 F, NF 3 and ClF 3 , the surface of the substrate after the removal is free of Si atoms facing outward. The bond is in a state in which the bond is bonded to a fluorine atom (this is called "termination" by fluorine).

【0023】このSi−Fの化学結合は結合エネルギー
が大きく安定なため、このシリコン基板を引き続き酸化
性雰囲気中で高温に同表面上に酸化膜の形成を行って
も、SiO2 /Si界面に弗素が残留する。この残留弗
素により、電流ストレスの印加などによって界面準位密
度が増加して素子特性が劣化する。
[0023] Since this Si-F chemical bonds of the binding energy increased stability, the silicon substrate continues even if the formation of the oxide film on the same surface to a high temperature in an oxidizing atmosphere, the SiO 2 / Si interface Fluorine remains. Due to the residual fluorine, the interface state density increases due to the application of current stress, and the device characteristics deteriorate.

【0024】これに対して、上述したように、稀弗酸を
用いて溶液中で自然酸化膜を除去する場合には、この稀
弗酸溶液による処理後に、稀弗酸を取り除くために基板
を脱イオン水(純水と略記)中に浸す処理が必ず行われ
る。
On the other hand, as described above, when the natural oxide film is removed in the solution using dilute hydrofluoric acid, the substrate is removed to remove the dilute hydrofluoric acid after the treatment with the dilute hydrofluoric acid solution. Immersion in deionized water (abbreviated as pure water) is always performed.

【0025】この処理によって、Si−F結合は加水分
解されてSi−HやSi−O−Hに置換されることが分
かっている。すなわち、この反応によって基板表面の弗
素が取り除かれるため、溶液中での自然酸化膜の除去処
理を含む方法で酸化膜を形成する工程では、弗素の影響
を受けることがなかった。
It is known that this treatment causes the Si-F bond to be hydrolyzed and replaced with Si-H or Si-O-H. That is, since fluorine on the surface of the substrate is removed by this reaction, there is no influence of fluorine in the step of forming the oxide film by the method including the removal treatment of the natural oxide film in the solution.

【0026】ただし、自然酸化膜の除去をウエットエッ
チングにより行なう場合には、前述したように、基板が
クリーンルーム中の空気に曝される状況を避けることが
できず、有機物や重金属などによる基板の汚染を避ける
ことができない。
However, when the natural oxide film is removed by wet etching, as described above, it is unavoidable that the substrate is exposed to the air in the clean room, and the substrate is contaminated by organic substances or heavy metals. Cannot be avoided.

【0027】第2の問題は、自然酸化膜を除去した基板
表面が極めて活性であるために種々の汚染物の影響を受
けやすい事実に関係している。すなわち、この活性な基
板表面が有機物で汚染されると、引き続きこの表面上に
酸化膜を形成する段階で基板温度を上げる際に、450
℃付近から基板のシリコンと有機物中の炭素とが反応し
てSiCが形成され始める。
The second problem is related to the fact that the surface of the substrate from which the native oxide film has been removed is extremely active and thus susceptible to various contaminants. That is, if the surface of the active substrate is contaminated with an organic substance, when the temperature of the substrate is raised in the step of subsequently forming an oxide film on the surface, 450
The silicon in the substrate reacts with the carbon in the organic matter from around 0 ° C. to start forming SiC.

【0028】SiCは、熱的に極めて安定な化合物であ
って、酸化性雰囲気中での基板の酸化の進行に際しても
殆ど酸化を受けないため、シリコンの酸化を抑制するマ
スクとして作用する。
Since SiC is a thermally extremely stable compound and is hardly oxidized even when the substrate is oxidized in an oxidizing atmosphere, it acts as a mask for suppressing the oxidation of silicon.

【0029】したがって、SiCの形成されていない部
分が選択的に酸化されて、SiO2/Si界面が基板表
面から内側方向に移動する間も、SiCの形成された部
分は変化しない。この結果、SiC/Si界面は基板表
面下の一定位置に留まるため、実質的に基板表面に凹凸
形状を生ずることになる。
Therefore, while the portion where SiC is not formed is selectively oxidized and the SiO 2 / Si interface moves inward from the substrate surface, the portion where SiC is formed does not change. As a result, the SiC / Si interface stays at a fixed position below the substrate surface, so that an uneven shape is substantially generated on the substrate surface.

【0030】通常、この基板表面でのSiC形成は同表
面の面内で島状に起こるため、その周辺のシリコンの酸
化の進行に伴ってSiC部分自身はリフト・オフされる
形で除去されてしまい最終的なSiO2 /Si構造の中
に残ることは希である。
Usually, since SiC is formed on the surface of the substrate like islands within the surface of the same, the SiC portion itself is lifted off and removed as the oxidation of silicon around the substrate progresses. It rarely remains in the final SiO 2 / Si structure.

【0031】しかし、上記の如く形成された基板表面の
凹凸形状は、その上に形成された特に厚さ10nm未満
の極く薄い酸化膜の特性、例えば、経時絶縁破壊(TD
DBと略記)寿命を縮めるなどの悪影響を与える。
However, the uneven shape of the surface of the substrate formed as described above has a characteristic of an extremely thin oxide film formed thereon, particularly, a thickness of less than 10 nm, for example, dielectric breakdown (TD) over time.
It is abbreviated as DB), which has an adverse effect such as shortening the life.

【0032】このような特性劣化の原因となる有機物汚
染の抑制については、上にも述べた通り、酸化装置の処
理室内の方が、通常のクリーンルーム雰囲気よりも少な
くすることが技術的に容易であるが、ここで述べたメカ
ニズムに見られる通り、有機物が特性に与える影響の大
小は、汚染される側である基板の表面状態に極めて強く
依存する。
As to the suppression of organic contaminants that cause such characteristic deterioration, as described above, it is technically easy to reduce the amount in the processing chamber of the oxidation device to be smaller than that in a normal clean room atmosphere. However, as can be seen from the mechanism described here, the magnitude of the influence of organic substances on the characteristics depends extremely strongly on the surface state of the substrate which is the contaminated side.

【0033】すなわち、自然酸化膜の除去直後の活性な
表面では、吸着した有機物が基板のシリコンに近い位置
にあって、その後の熱工程によってSiCを形成しやす
いことから、特性への影響は特に著しいものになる。
That is, on the active surface immediately after the removal of the natural oxide film, the adsorbed organic matter is located at a position close to the silicon of the substrate, and SiC is likely to be formed by the subsequent thermal process, so that the characteristics are particularly affected. It will be remarkable.

【0034】酸化装置の処理室内で自然酸化膜の除去か
ら酸化膜の形成までを行おうとするこれまでの方法で
は、特にこの自然酸化膜の除去直後の活性な表面への有
機物の吸着を防ぐことができないために、本来達成され
るべき高品質な酸化膜の形成を行うことができなかっ
た。
In the conventional methods for removing the natural oxide film and forming the oxide film in the processing chamber of the oxidation device, it is necessary to prevent the adsorption of organic substances on the active surface immediately after the removal of the natural oxide film. Therefore, it was not possible to form a high quality oxide film, which should be achieved originally.

【0035】これに対して、従来の溶液処理を用いる方
法では、稀弗酸処理によって基板表面の自然酸化膜を除
去した後、過酸化水素水やオゾンを添加した純水のよう
な酸化性の強い薬液を用いた処理を行うことによって、
基板表面がクリーンルーム雰囲気に曝される前に同表面
を酸化物層で覆われた活性の度合いの低い状態にするこ
とによって有機物汚染の影響をなるべく小さく押さえる
という方法が採られていた。しかし、上述したように、
クリーンルーム雰囲気に曝される段階で汚染されてしま
うという問題がある。
On the other hand, in the conventional method using the solution treatment, the natural oxide film on the surface of the substrate is removed by the dilute hydrofluoric acid treatment, and then an oxidizing agent such as pure water added with hydrogen peroxide solution or ozone is used. By performing treatment with strong chemicals,
Before the substrate surface was exposed to a clean room atmosphere, the surface of the substrate was covered with an oxide layer and the activity of the substrate was low, whereby the influence of organic contamination was suppressed as small as possible. However, as mentioned above,
There is a problem of being contaminated when exposed to a clean room atmosphere.

【0036】[0036]

【発明が解決しようとする課題】上述の如く、半導体素
子の寸法の微細化や用途の多様化に伴って、酸化膜の品
質については、従来から重要視されてきた偶発不良の低
減に加えて真性特性の向上に対する要求も高まってき
た。しかしながら、真性特性を改善するための一般的な
方法は知られていなかったので、高品質の酸化膜を形成
することができないという問題があった。
As described above, with the miniaturization of the size of semiconductor elements and the diversification of applications, the quality of the oxide film is reduced in addition to the reduction of accidental defects, which has been conventionally regarded as important. There has also been an increasing demand for improved intrinsic properties. However, since a general method for improving the intrinsic characteristics has not been known, there is a problem that a high quality oxide film cannot be formed.

【0037】また、酸化膜の形成に先立って、弗素を含
む反応性ガスを用いて自然酸化膜を除去していたが、残
留弗素により界面準位密度が増加し、高品質の酸化膜を
形成することができないという問題があった。
Further, prior to the formation of the oxide film, the natural oxide film was removed by using a reactive gas containing fluorine. However, the residual fluorine increases the interface state density and forms a high quality oxide film. There was a problem that I could not do it.

【0038】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、高品質の酸化膜を形成
することができる半導体装置の製造方法を提供すること
にある。
The present invention has been made in consideration of the above circumstances, and an object thereof is to provide a method of manufacturing a semiconductor device capable of forming a high quality oxide film.

【0039】[0039]

【課題を解決するための手段】[Means for Solving the Problems]

[概要]上記目的を達成するために、本発明に係る半導
体装置の製造方法(請求項1)は、半導体基板の表面の
自然酸化膜を除去する第1の工程と、前記自然酸化膜を
除去した半導体基板の表面に、低密度かつ応力1×10
8 N/m2 未満の厚さ1nm以上の酸化物層を形成する
第2の工程と、酸化性雰囲気中での熱処理により前記酸
化物層を高密度化して、前記自然酸化膜を除去した表面
に、前記第2の工程の酸化物層よりも高密度の酸化膜を
形成する工程とを有することを特徴とする。
[Outline] In order to achieve the above object, a method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention (claim 1) includes a first step of removing a natural oxide film on a surface of a semiconductor substrate, and the removal of the natural oxide film. The surface of the formed semiconductor substrate has a low density and a stress of 1 × 10
The second step of forming an oxide layer of less than 8 N / m 2 and a thickness of 1 nm or more, and the surface from which the native oxide film is removed by densifying the oxide layer by heat treatment in an oxidizing atmosphere. And a step of forming an oxide film having a higher density than that of the oxide layer of the second step.

【0040】ここで、前記酸化物層は、前記半導体基板
の表面全面に形成された形態、表面に選択的に形成され
た形態のいずれでも良い。また、本発明に係る他の半導
体装置の製造方法(請求項2)は、上記半導体装置の製
造方法(請求項1)において、オゾンを含む水、オゾン
を含むガスまたは酸素ラジカルを含むガスにより前記酸
化物層を形成することを特徴とする。
Here, the oxide layer may be formed on the entire surface of the semiconductor substrate or selectively formed on the surface. Another method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention (claim 2) is the method of manufacturing a semiconductor device (claim 1), wherein the water containing ozone, the gas containing ozone, or the gas containing oxygen radicals is used. A feature is that an oxide layer is formed.

【0041】上記半導体装置の製造方法(請求項1、請
求項2)の好ましい形態は以下の通りである。 (1)酸化物層を形成する前に、半導体基板の表面の有
機物などのCを含む汚染物をCr,Cuなどの金属を除
去する。 (2)酸化物層を形成する前に、半導体基板の表面のF
e,Cr,Cuなどの金属を除去する。 (3)最終的に形成する酸化膜の膜厚を10nm以下に
する。このような薄膜の酸化膜の場合に本発明の効果が
顕著になる。 (4)第1の工程から第4の工程までを、基板を実質的
に外気から遮断した状態のままで行なう。
A preferred mode of the method for manufacturing the semiconductor device (claims 1 and 2) is as follows. (1) Before forming the oxide layer, the contaminants containing C such as organic substances on the surface of the semiconductor substrate are removed from metals such as Cr and Cu. (2) F on the surface of the semiconductor substrate before forming the oxide layer
Metals such as e, Cr and Cu are removed. (3) The thickness of the finally formed oxide film is set to 10 nm or less. In the case of such a thin oxide film, the effect of the present invention becomes remarkable. (4) The first step to the fourth step are performed while the substrate is substantially shielded from the outside air.

【0042】また、本発明に係る他の半導体装置の製造
方法(請求項3)は、半導体基板を処理室内に導入し
て、前記半導体基板を外気と実質的に遮断する第1の工
程と、前記半導体基板の温度を400℃以下に保った状
態で、前記処理室内に弗素を含むガスを導入して、前記
半導体基板の表面の自然酸化膜を除去する第2の工程
と、前記半導体基板の温度を結露が起こらない温度以上
400℃以下に保った状態で、前記処理室内に水蒸気を
含む酸化性ガスを導入して、前記処理室内を酸化性雰囲
気にする第3の工程と、前記半導体基板の温度を前記第
2および前記第3の工程時の前記半導体基板の温度より
も高くして、前記半導体基板の表面に酸化膜を形成する
第4の工程とを有することを特徴とする。
Further, another method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention (claim 3) comprises a first step of introducing a semiconductor substrate into a processing chamber to substantially isolate the semiconductor substrate from the outside air, A second step of removing a natural oxide film on the surface of the semiconductor substrate by introducing a gas containing fluorine into the processing chamber while keeping the temperature of the semiconductor substrate at 400 ° C. or lower; A third step of introducing an oxidizing gas containing water vapor into the processing chamber so as to form an oxidizing atmosphere in the processing chamber while maintaining the temperature at a temperature not lower than dew condensation and not higher than 400 ° C .; and the semiconductor substrate. And a fourth step of forming an oxide film on the surface of the semiconductor substrate by making the temperature of the semiconductor substrate higher than the temperature of the semiconductor substrate in the second and third steps.

【0043】また、本発明に係る他の半導体装置の製造
方法(請求項4)は、上記半導体装置の製造方法(請求
項3)において、前記第1、前記第2、前記第3および
前記第4の全工程を通じて、前記処理室内の圧力を1/
10気圧以上に保持することを特徴とする。
Another method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention (claim 4) is the same as the method for manufacturing a semiconductor device (claim 3), wherein the first, the second, the third, and the third are the same. The pressure in the processing chamber is reduced to 1 /
It is characterized in that it is maintained at 10 atmospheres or more.

【0044】上記半導体装置の製造方法(請求項3、請
求項4)の好ましい形態は以下の通りである。第3の工
程で処理室内に導入する酸化性ガスとして、酸素ラジカ
ルまたはオゾンを含むガスを使用する。
A preferred mode of the method for manufacturing the semiconductor device (claims 3 and 4) is as follows. A gas containing oxygen radicals or ozone is used as the oxidizing gas introduced into the processing chamber in the third step.

【0045】また、上記半導体装置の製造方法(請求項
1、請求項2)の第1の工程を、上記半導体装置の製造
方法(請求項3、請求項4)の第1、第2および第3の
工程に置き換えると、より高品質の酸化膜を形成できる
ようになる。
The first step of the method for manufacturing a semiconductor device (claims 1 and 2) is the same as the first, second and third steps of the method for manufacturing a semiconductor device (claims 3 and 4). If the process is replaced by the process No. 3, a higher quality oxide film can be formed.

【0046】[作用]本発明(請求項1、請求項2)の
基本的な考え方は、酸化膜の真性寿命に対する2種類の
支配要因の発見に基づいている。すなわち、酸化膜の真
性寿命は、まず、第1に酸化膜形成前の基板表面の汚
染、特に有機物など炭素原子を含む物質(有機汚染物と
略記)によって発生する酸化膜/基板界面の凹凸、第2
に酸化膜中の圧縮応力によって熱酸化初期に発生する酸
化膜/基板界面の凹凸によって支配されているのであ
る。
[Operation] The basic idea of the present invention (claims 1 and 2) is based on the discovery of two types of controlling factors for the intrinsic life of an oxide film. That is, first, the intrinsic life of an oxide film is as follows. First, the surface of the substrate before the oxide film is formed is contaminated. Second
In addition, it is dominated by the unevenness of the oxide film / substrate interface generated at the initial stage of thermal oxidation due to the compressive stress in the oxide film.

【0047】第1の有機汚染物による凹凸発生機構は以
下の通り。半導体基板上に酸化膜を形成する場合、ま
ず、半導体基板は湿式処理によって洗浄された後に酸化
炉内で熱処理される。両処理に用いる装置は通常異なっ
ているため、両装置間における半導体基板の搬送はクリ
ーンルームの雰囲気中で行われることになり、必然的に
基板表面はクリーンルーム内の雰囲気に曝されることに
なる。
The mechanism of unevenness caused by the first organic contaminant is as follows. When forming an oxide film on a semiconductor substrate, first, the semiconductor substrate is cleaned by a wet process and then heat-treated in an oxidation furnace. Since the apparatuses used for both processes are usually different, the semiconductor substrate is transferred between the two apparatuses in a clean room atmosphere, and the substrate surface is inevitably exposed to the atmosphere in the clean room.

【0048】ところが、通常、クリーンルーム内の雰囲
気中には、よく知られている通り、相当量の有機物が含
まれている。このため、前処理後の基板表面は、酸化工
程に入る前に不可避的に有機汚染物の影響を受けている
ということになる。
However, as is well known, the atmosphere in the clean room usually contains a considerable amount of organic substances. For this reason, the surface of the substrate after the pretreatment is inevitably affected by the organic contaminants before entering the oxidation step.

【0049】この基板表面の有機汚染物は、一部は酸化
の熱処理時に燃焼分解するが、一部は半導体基板と反応
して熱的に安定なSiCなどを形成する。このような反
応が場所的に不均一に起こると、肝心の酸化膜の形成が
均一に行われずに、最終的な酸化膜/基板の界面に凹凸
を生ずる結果となる。
A part of the organic contaminants on the surface of the substrate is burnt and decomposed during the heat treatment for oxidation, but a part thereof reacts with the semiconductor substrate to form thermally stable SiC or the like. If such a reaction occurs locally unevenly, the formation of the essential oxide film is not performed uniformly, resulting in unevenness in the final oxide film / substrate interface.

【0050】このとき、本質的なのは、付着した有機物
が直接基板に接触してしまうことであるが、実際、これ
まで酸化膜形成の前洗浄として標準的に行われてきたR
CA洗浄などの処理で半導体基板上に形成される酸化膜
(大気中で形成される自然酸化膜と区別してケミカル・
オキサイドと呼ぶ)は、基板表面の面内に必ずしも均一
に形成されていないことが知られている(例えばApp
l.Phys.Lett.61,102(1992)を
参照)。
At this time, the essence is that the adhered organic substances come into direct contact with the substrate, but in fact, R, which has been standardly performed as a pre-cleaning process before forming an oxide film, is actually performed.
An oxide film formed on a semiconductor substrate by a process such as CA cleaning (a chemical oxide film is distinguished from a natural oxide film formed in the atmosphere.
It is known that oxides are not necessarily formed uniformly on the surface of the substrate (for example, App).
l. Phys. Lett. 61, 102 (1992)).

【0051】このような状態の表面がクリーンルーム中
の大気に曝された結果、場所によっては付着した有機物
が直接基板に接触してしまい、上述のように界面凹凸を
生ずるのである。図1に以上の事情を模式的に示す。な
お、図1において、1はシリコン基板、2はケミカル・
オキサイド(初期酸化物層)、3は有機汚染物、4は酸
化膜を示している。
As a result of exposing the surface in such a state to the atmosphere in the clean room, the attached organic matter may come into direct contact with the substrate depending on the location, resulting in the interface irregularity as described above. The above situation is schematically shown in FIG. In FIG. 1, 1 is a silicon substrate and 2 is a chemical substrate.
Oxide (initial oxide layer), 3 is an organic contaminant, and 4 is an oxide film.

【0052】一方、第2の酸化膜の応力による熱酸化初
期の凹凸発生機構はさらに基本的である。すなわち、熱
酸化によって半導体基板の構成原子(基板原子と略記)
が酸化膜中に取り込まれる際には、体積膨脹によって酸
化膜には必ず圧縮応力が働く状態になる。したがって、
基板表面と酸化膜を含む系は全体としてこの応力に対応
する歪エネルギーの分だけエネルギーが増加する。
On the other hand, the mechanism for generating unevenness at the initial stage of thermal oxidation due to the stress of the second oxide film is more basic. That is, the constituent atoms of the semiconductor substrate by thermal oxidation (abbreviated as substrate atoms)
When is taken into the oxide film, a compressive stress always acts on the oxide film due to volume expansion. Therefore,
The energy of the entire system including the substrate surface and the oxide film increases as much as the strain energy corresponding to this stress.

【0053】このエネルギー増加を打ち消す変化として
最も自然なものは、酸化が進んでいる基板表面に凹凸を
形成することである。何故なら、基板表面に凹凸が形成
されれば、その上に形成されている酸化膜の面積が実効
的に広がることになるため、上記歪エネルギーは減少す
る方向に変化するからである。
The most natural change for canceling this increase in energy is to form irregularities on the surface of the substrate where oxidation is progressing. This is because if the surface of the substrate has irregularities, the area of the oxide film formed thereon will effectively expand, and the strain energy will change in a decreasing direction.

【0054】このように上記系には自発的に酸化膜/基
板界面に凹凸を発生しようとする機構が生じる。このよ
うな系変化が実際に起こるためには、基板原子の移動が
必要であるが、熱酸化時の高温では上記歪エネルギーお
よび熱エネルギーの両者の増加によって、そのような変
化は一種のストレス・マイグレーションとして実際に生
じ得る。勿論、基板表面の熱酸化膜が厚くなると、酸化
膜の熱的な安定性のために、このような基板原子の移動
は押さえられてしまう。
As described above, the above system has a mechanism for spontaneously forming irregularities at the oxide film / substrate interface. In order for such a system change to actually occur, it is necessary to move the substrate atoms, but at a high temperature during thermal oxidation, such a change is a kind of stress due to an increase in both strain energy and thermal energy. It can actually happen as a migration. Of course, if the thermal oxide film on the substrate surface becomes thick, such movement of the substrate atoms will be suppressed due to the thermal stability of the oxide film.

【0055】したがって、このようなメカニズムが実際
に機能するのは、熱酸化の初期段階に限られる。図2に
以上の事情を模式的に示す。なお、図2において、11
はシリコン基板、12は酸化初期の熱酸化膜、13は所
定膜厚の熱酸化膜を示している。
Therefore, such a mechanism actually works only in the initial stage of thermal oxidation. The above situation is schematically shown in FIG. In addition, in FIG.
Is a silicon substrate, 12 is a thermal oxide film at the initial stage of oxidation, and 13 is a thermal oxide film having a predetermined thickness.

【0056】上記のメカニズムに加えてさらに重要なの
は、問題となる酸化膜/基板界面の凹凸が、従来の議論
で多く問題にされていたような幅10nm以下、高さ
0.1nm程度で場所的には極めて密に分布している種
類のものではなく、幅が100nm程度、高さは1〜2
nm程度で、分布密度は、形成条件にもよるが、1μm
角に1個程度の比較的大きなものだという点である。
In addition to the above mechanism, more importantly, the unevenness of the oxide film / substrate interface, which is a problem, has a width of 10 nm or less and a height of about 0.1 nm, which has been a problem in many conventional discussions. Is not of a very densely distributed type, with a width of about 100 nm and a height of 1-2.
The distribution density is about 1 nm, depending on the forming conditions.
The point is that it is a relatively large one, about one per corner.

【0057】このような界面凹凸は、たとえ該当する部
分で酸化膜の厚さ自身が周囲に比べて薄くなっていない
としても、厚さ10nm以下の薄い酸化膜の場合には、
10%程度の電界集中を生じ、酸化膜中を流れるリーク
電流密度を局所的に1桁程度も増加させて、結果として
例えば真性寿命を数十%も低下させてしまうことにな
る。
Even if the thickness of the oxide film is not thinner than the surroundings at the corresponding portion, such an interface unevenness is obtained in the case of a thin oxide film having a thickness of 10 nm or less.
An electric field concentration of about 10% is generated, and the leak current density flowing in the oxide film is locally increased by about one digit, resulting in a reduction in the intrinsic life of several tens of%.

【0058】従来の酸化膜の形成方法では、上記2種類
の要因の影響を共に受けてしまい、真性寿命の劣化、し
たがって、真性特性の劣化は避けられなかった。そこ
で、本発明(請求項1、請求項2)では、上記2種類の
要因を同時に取り除くことにより、真性特性、特に真性
寿命を効果的に改善する。
In the conventional oxide film forming method, both of the above-mentioned two factors are affected, and the deterioration of the intrinsic life and therefore the deterioration of the intrinsic characteristics cannot be avoided. Therefore, in the present invention (claims 1 and 2), the intrinsic characteristics, especially the intrinsic life is effectively improved by removing the above two types of factors at the same time.

【0059】すなわち、本発明では、直接、酸化膜を形
成するのではなく、まず、基板原子の移動を効果的に抑
制できる低応力(1×108 N/m2 未満)、かつ基板
表面が雰囲気中の有機汚染物などの影響を受けることが
ない厚い(1nm以上)酸化物層を形成し、次に酸化性
雰囲気での熱処理により上記酸化物層や表面が露出した
部分の半導体基板を酸化膜に変化させて、所定の密度、
厚さの酸化膜を形成することにより、真性特性、特に真
性寿命を改善する。このようにして高品質の酸化膜を形
成できるようになる。
That is, in the present invention, instead of directly forming an oxide film, first, a low stress (less than 1 × 10 8 N / m 2 ) capable of effectively suppressing the movement of substrate atoms and a substrate surface Form a thick (1 nm or more) oxide layer that is not affected by organic contaminants in the atmosphere, and then oxidize the oxide layer or the exposed semiconductor substrate by heat treatment in an oxidizing atmosphere. Change the film to a certain density,
The formation of a thick oxide film improves the intrinsic properties, especially the intrinsic life. Thus, a high quality oxide film can be formed.

【0060】次に本発明(請求項3、請求項4)の作用
について説明する。また、本発明において、第1の工程
から第2の工程までは一般的な自然酸化膜の除去方法で
ある。
Next, the operation of the present invention (claims 3 and 4) will be described. Further, in the present invention, the method of removing the natural oxide film is a general method from the first step to the second step.

【0061】ここで、半導体基板の温度が高すぎると、
弗素を含むガスによる自然酸化膜の除去(エッチング)
の際に、自然酸化膜と半導体基板との間のエッチング選
択比を確保できず、自然酸化膜下の半導体基板がエッチ
ングされたり、あるいは自然酸化膜と半導体基板上の他
の酸化膜との間のエッチング選択比を確保できず、該他
の酸化膜がエッチングされるという問題が生ずる。
Here, if the temperature of the semiconductor substrate is too high,
Removal of natural oxide film by gas containing fluorine (etching)
In this case, the etching selection ratio between the natural oxide film and the semiconductor substrate cannot be secured, and the semiconductor substrate under the natural oxide film is etched, or the natural oxide film and another oxide film on the semiconductor substrate are separated. However, there is a problem in that the other oxide film is etched because the etching selection ratio cannot be secured.

【0062】そこで、本発明では、上記問題を避けるた
めに、半導体基板の温度を400℃程度以下にしてい
る。また、第2の工程の終了時点の基板表面のSi原子
の結合手の多くは弗素(F)によって終端されている。
Therefore, in the present invention, in order to avoid the above problem, the temperature of the semiconductor substrate is set to about 400 ° C. or lower. Further, most of the bonds of Si atoms on the surface of the substrate at the end of the second step are terminated by fluorine (F).

【0063】なお、第2の工程において、弗素を含むガ
スとして弗化水素(HF)ガスを用いた場合には、条件
に応じて水蒸気(H2 O)を加えても良い。次の第3の
工程で、処理室内に水蒸気を含む酸化性ガスを導入する
と、該水蒸気によって、上記弗素で終端されていた基板
表面のSi原子の結合手が水素(H)や水酸基(OH)
で終端された状態に変わる。
In the second step, when hydrogen fluoride (HF) gas is used as the gas containing fluorine, water vapor (H 2 O) may be added depending on the conditions. In the next third step, when an oxidizing gas containing water vapor is introduced into the processing chamber, the water vapor causes the bonds of Si atoms on the surface of the substrate, which are terminated with fluorine, to be hydrogen (H) or hydroxyl (OH).
It changes to the state terminated by.

【0064】これにより、残留弗素を無くすことができ
るので、界面準位密度の低減化を図れるようになる。更
に、基板表面は活性でなくなるので、自然酸化膜の除去
後の基板表面への有機汚染物の吸着を防止できるように
なる。
As a result, residual fluorine can be eliminated, so that the interface state density can be reduced. Furthermore, since the substrate surface becomes inactive, it becomes possible to prevent the adsorption of organic contaminants on the substrate surface after the natural oxide film is removed.

【0065】一方、酸化性ガスの導入により処理室内が
酸化性雰囲気になることによって、半導体基板上には新
たに酸化膜が形成される。ここで、処理室内での水蒸気
の結露を効果的に防ぐためには、半導体基板の温度を1
50℃程度以上にすると良い。また、新たな酸化膜が充
分形成される前に半導体基板上に有機物汚染物によりS
iCなどが形成されるのを防ぐために、半導体基板の温
度は400℃程度以下でなくてはならない。
On the other hand, the introduction of the oxidizing gas creates an oxidizing atmosphere in the processing chamber, whereby a new oxide film is formed on the semiconductor substrate. Here, in order to effectively prevent the condensation of water vapor in the processing chamber, the temperature of the semiconductor substrate is set to 1
It is better to set it to about 50 ° C or higher. In addition, before a new oxide film is sufficiently formed, S may be formed on the semiconductor substrate due to organic contaminants.
In order to prevent the formation of iC and the like, the temperature of the semiconductor substrate must be about 400 ° C. or lower.

【0066】更に、これと同様の理由から、自然酸化膜
の除去後に新たな酸化膜が形成されるまでの時間は最小
限に押さえなくてはならないため、水蒸気の導入に当た
っては、処理室内の雰囲気が酸化膜をエッチングする状
態から基板表面を酸化する状態に速やかに移行するよう
にすることが重要である。
Further, for the same reason as above, the time until a new oxide film is formed after the removal of the natural oxide film must be minimized. It is important to quickly shift the state of etching the oxide film to the state of oxidizing the substrate surface.

【0067】そのためには、例えば、弗化水素を一旦排
気してから水蒸気の導入を行うのではなく、例えば、水
蒸気の導入によって弗化水素を処理室内から外に押し出
すようにすると良い。
For that purpose, for example, instead of once exhausting hydrogen fluoride and then introducing steam, it is preferable to push hydrogen fluoride out of the processing chamber by introducing steam.

【0068】第3の工程において、400℃程度以下と
いう低温で基板表面を充分に酸化するためには、通常の
酸素雰囲気に比べて水蒸気を含む酸化性雰囲気は有効で
あるが、更に低温での酸化性を高めるために、この段階
で酸素ラジカルやオゾンなどの酸化力の強い酸化材を処
理室内に導入しても良い。
In the third step, an oxidizing atmosphere containing water vapor is more effective than a normal oxygen atmosphere in order to sufficiently oxidize the substrate surface at a low temperature of about 400 ° C. or lower, but at an even lower temperature. In order to improve the oxidizing property, an oxidizing agent having a strong oxidizing power such as oxygen radicals or ozone may be introduced into the processing chamber at this stage.

【0069】なお、第3の工程において、雰囲気として
水蒸気が必須なのは、基板表面のSi原子の結合手を水
素や水酸基で終端された状態に変える前半部分だけであ
るので、後半の酸化膜形成の段階では雰囲気は酸化種と
して必ずしも水蒸気を含む必要はない。
In the third step, water vapor is indispensable as the atmosphere only in the first half part where the bonds of Si atoms on the surface of the substrate are changed to the state terminated by hydrogen or hydroxyl group. At the stage, the atmosphere need not necessarily contain water vapor as the oxidizing species.

【0070】第4の工程は、酸化膜を更に厚く所定の膜
厚にする工程である。酸化方法としては、水蒸気を含む
雰囲気によるウェット酸化や乾燥酸素を用いるドライ酸
化、また、これらを窒素やアルゴンなどの不活性ガスで
稀釈した雰囲気での酸化など様々な方法を用いることが
可能である。
The fourth step is a step of thickening the oxide film to a predetermined thickness. As the oxidation method, various methods such as wet oxidation in an atmosphere containing water vapor, dry oxidation using dry oxygen, and oxidation in an atmosphere diluted with an inert gas such as nitrogen or argon can be used. .

【0071】これらの工程を通じて、半導体基板を処理
する気相の全圧は1/10気圧程度以上であることが好
ましい。これは、処理雰囲気の全圧が低くなるに伴っ
て、同雰囲気中での分子の平均自由行程が長くなり、半
導体基板から遠方で発生した汚染物も基板表面に到達し
やすくなって、結局、半導体基板がこれらの汚染物の影
響を受けやすくなってしまうのを防ぐためである。
Through these steps, the total pressure of the gas phase for processing the semiconductor substrate is preferably about 1/10 atmospheric pressure or more. This is because as the total pressure of the processing atmosphere becomes lower, the mean free path of molecules in the atmosphere becomes longer, and contaminants generated far from the semiconductor substrate can easily reach the substrate surface. This is to prevent the semiconductor substrate from being easily affected by these contaminants.

【0072】全圧が1/10気圧程度以上であれば、対
応する分子の平均自由行程は1mm以下となって、10
cm程度の大きさを持つ半導体基板に対して汚染の増加
が問題となることはない。
When the total pressure is about 1/10 atmospheric pressure or more, the mean free path of the corresponding molecule becomes 1 mm or less and 10
The increase in contamination does not pose a problem for a semiconductor substrate having a size of about cm.

【0073】以上の第1〜第4工程によって、界面準位
密度の増加、有機汚染物の吸着を招かずに、基板表面に
予め形成されている自然酸化膜の除去から目的とする酸
化膜の形成までを気相中で行なえるようになるので、従
来得られなかった高品質の酸化膜を形成できるようにな
る。
By the above first to fourth steps, the removal of the natural oxide film previously formed on the substrate surface without removing the increase of the interface state density and the adsorption of organic contaminants can be performed to remove the target oxide film. Since the formation can be performed in the vapor phase, it becomes possible to form a high-quality oxide film which has not been obtained in the past.

【0074】[0074]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施の形態(実施形態)を説明する。 (第1の実施形態)本実施形態は、シリコン基板の表面
の自然酸化膜を除去した後、まず、シリコン基板上にオ
ゾン添加水によって低密度、低応力(1×108 N/m
2 以下)の厚さ1nm以上の厚い酸化物層(詳細にはケ
ミカル・オキサイド層)を形成し、次いで上記酸化物層
に熱酸化処理を施して、熱酸化膜並の特性を有する酸化
膜を形成する例である。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. (First Embodiment) In this embodiment, after removing the natural oxide film on the surface of the silicon substrate, first, low density and low stress (1 × 10 8 N / m 2
2 or less), a thick oxide layer (more specifically, a chemical oxide layer) having a thickness of 1 nm or more is formed, and then the above oxide layer is subjected to thermal oxidation treatment to form an oxide film having characteristics similar to those of a thermal oxide film. It is an example of forming.

【0075】まず、周知の方法によりシリコン基板の表
面の自然酸化膜を除去する。次に酸化膜形成前の前洗浄
として、基板表面に薬液処理による酸化物層を形成する
に当って、オゾン添加水を酸化剤として用いることによ
って、低密度、低応力の特徴を保ちながら例えば標準的
なRCA洗浄のように酸化剤として過酸化水素水を用い
た場合に比べて、厚い酸化物層を形成する。
First, the natural oxide film on the surface of the silicon substrate is removed by a known method. Next, as pre-cleaning before forming an oxide film, when forming an oxide layer by chemical treatment on the substrate surface, by using ozone-added water as an oxidizing agent, while maintaining the characteristics of low density and low stress, for example, standard A thick oxide layer is formed as compared with the case where hydrogen peroxide solution is used as an oxidant as in the typical RCA cleaning.

【0076】ここで、酸化物層の厚さを1nm以上にす
ることが重要である。このように充分な厚さの酸化物層
を形成することによって、基板表面が雰囲気中の有機汚
染物などの影響を受けることがなくなる。
Here, it is important that the thickness of the oxide layer is 1 nm or more. By forming an oxide layer having a sufficient thickness in this manner, the surface of the substrate is not affected by organic contaminants in the atmosphere.

【0077】本実施形態では、DIW中に10ppmの
オゾンを添加したオゾン添加水を用いることによって、
シリコン基板上の全面に厚さ約1.2nmの酸化物層を
形成する。
In the present embodiment, by using ozone-added water obtained by adding 10 ppm of ozone to DIW,
An oxide layer having a thickness of about 1.2 nm is formed on the entire surface of the silicon substrate.

【0078】自然酸化膜とは、一般には、シリコン基板
を大気中に放置したり、酸化剤(H22 など)を含む
薬液中で処理した場合に基板表面に形成されるSiOx
(1〜2)膜の総称であるが、詳細な性質はその形成方
法によって変化する。
The natural oxide film generally means SiO x formed on the surface of a substrate when the silicon substrate is left in the atmosphere or treated in a chemical solution containing an oxidizing agent (H 2 O 2 etc.).
It is a general term for the (1-2) films, but the detailed properties vary depending on the method of forming the film.

【0079】特に、大気中放置によるものと薬液処理に
よるものとでは、形成方法において大きな違いがあるた
め、今後は前者を単に自然酸化膜、後者はケミカル・オ
キサイド層と呼んで区別することにする。したがって、
上記酸化物層はケミカル・オキサイド層となる。自然酸
化膜やケミカル・オキサイド層などのようなごく薄い酸
化物層の厚さは、X線光電子分光法(XPS)を用いて
測定することが可能である。
In particular, since there is a big difference in the forming method between the one left in the air and the one treated with the chemical solution, the former will be simply called a natural oxide film and the latter will be called a chemical oxide layer to distinguish them. . Therefore,
The oxide layer becomes a chemical oxide layer. The thickness of very thin oxide layers, such as native oxide films and chemical oxide layers, can be measured using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS).

【0080】オゾン添加水によって形成したケミカル・
オキサイド層は、熱酸化膜に比べて密度が小さく、特性
的にも劣っており、次にこれを特性の優れた熱酸化膜並
の状態に変化させる必要がある。
Chemical formed by ozone-added water
The oxide layer has a density lower than that of the thermal oxide film and is inferior in characteristics. Next, it is necessary to change this into a state similar to that of a thermal oxide film having excellent characteristics.

【0081】これを行うために、本実施形態では、雰囲
気を酸化性に保った状態で基板温度を上昇させる。具体
的には、オゾン水処理後の基板をO2 :N2 =1:9の
雰囲気中で室温付近から600℃まで昇温して30分間
保持する。この工程で、ケミカル・オキサイド層は、熱
的に変質して密度および応力の両方が高くなり、通常の
熱酸化膜並の性質を示すようになる。
In order to do this, in this embodiment, the substrate temperature is raised while the atmosphere is kept oxidative. Specifically, the substrate after the ozone water treatment is heated from near room temperature to 600 ° C. in an atmosphere of O 2 : N 2 = 1: 9 and held for 30 minutes. In this step, the chemical oxide layer is thermally deteriorated to have both high density and high stress, and exhibits properties similar to those of a normal thermal oxide film.

【0082】このような性質の変化は、それぞれの物理
量を測定することによって直接確かめることができる。
まず、密度については、例えば、“(Ohkubo e
t al.,1995Symposium on VL
SI Technology,p111”に開示される
通り、微小角入射X線反射法(GIXR)を用いて測定
することが可能で、これによれば、ケミカル・オキサイ
ドの密度は熱酸化膜の値2.3に対して5%ほど小さく
なっている。
Such changes in properties can be directly confirmed by measuring the respective physical quantities.
First, regarding the density, for example, “(Ohkubo e
t al. , 1995 Symposium on VL
As disclosed in SI Technology, p111 ", it can be measured using the grazing incidence X-ray reflection method (GIXR), which shows that the density of the chemical oxide is 2.3 in the thermal oxide film. It is about 5% smaller than.

【0083】一方、応力については、通常の基板の反り
変形を観察する方法によって1×108 N/m2 程度以
上の応力が測定可能である。通常の熱酸化膜の場合には
この応力は常に2×108 N/m2 以上の値をとるの
で、各々の場合を区別することは充分に可能である。
On the other hand, with respect to the stress, a stress of about 1 × 10 8 N / m 2 or more can be measured by a method of observing the warp deformation of a usual substrate. In the case of an ordinary thermal oxide film, this stress always takes a value of 2 × 10 8 N / m 2 or more, so that it is possible to distinguish between the cases.

【0084】以上のような工程を経ることによって、基
板表面に1nm程度以上の厚さの熱酸化膜と同等な性質
を有した酸化膜が迅速に形成される。従来方法の場合に
熱酸化時に酸化膜/基板の界面に凹凸を生じるのは、こ
のように酸化膜の厚さが薄い段階で、酸化膜が108
/cm2 の程度の比較的大きい応力を有するために、基
板表面付近の基板原子のマイグレーションを誘起するた
めである。
Through the steps described above, an oxide film having the same properties as the thermal oxide film with a thickness of about 1 nm or more is rapidly formed on the surface of the substrate. The resulting irregularities in the interface of the oxide film / substrate during thermal oxidation in the case of the conventional methods, a thin phase thickness of the oxidized film, an oxide film 10 8 N
This is because it has a relatively large stress on the order of / cm 2 and thus induces migration of substrate atoms near the substrate surface.

【0085】一方、本実施形態の方法では、上記酸化膜
形成の初期段階で、応力が小さいうちに比較的厚く変形
しにくいケミカル・オキサイド層を短時間で形成してし
まうために、基板原子のマイグレーションが殆ど起こら
ず、結果として酸化膜/基板の界面の凹凸の発生が抑制
される。
On the other hand, in the method of the present embodiment, at the initial stage of the formation of the oxide film, a chemical oxide layer that is relatively thick and difficult to deform is formed in a short time while the stress is small. Almost no migration occurs, and as a result, the generation of irregularities at the oxide film / substrate interface is suppressed.

【0086】この後、シリコン基板を所定の酸化温度ま
で昇温し、所定膜厚の酸化膜を形成する。ここでは、上
記と同じ酸化雰囲気中で900℃で酸化を行い、厚さ約
7nmの酸化膜を形成した。
After that, the silicon substrate is heated to a predetermined oxidation temperature to form an oxide film having a predetermined thickness. Here, oxidation was performed at 900 ° C. in the same oxidizing atmosphere as described above to form an oxide film having a thickness of about 7 nm.

【0087】以上述べたように本実施形態によれば、直
接、酸化膜を形成するのではなく、低応力で厚いケミカ
ル・オキサイド層を形成した後、酸化膜を形成すること
により、真性特性の劣化原因となる基板表面の汚染や、
酸化膜/基板の界面の凹凸発生を防止できるで、高品質
の酸化膜を形成できるようになる。 (第2の実施形態)本実施形態が第1の実施形態と異な
る点は、オゾンまたは酸素ラジカルを含んだ気相中で、
初期酸化物層の形成を形成することにある。
As described above, according to the present embodiment, the oxide film is not directly formed, but a thick chemical oxide layer with low stress is formed, and then the oxide film is formed. Contamination of the substrate surface that causes deterioration,
Since it is possible to prevent the occurrence of irregularities at the oxide film / substrate interface, it becomes possible to form a high-quality oxide film. (Second Embodiment) The difference between this embodiment and the first embodiment is that in the gas phase containing ozone or oxygen radicals,
Forming the formation of the initial oxide layer.

【0088】具体的には、5〜10Torrの圧力の酸
素中で100W程度の電力による放電で酸素ラジカルを
発生させ、これを基板表面に照射することによって、厚
さ1.1〜1.2nm程度の初期酸化物層の形成する。
このような方法により、熱酸化膜に比べて密度および応
力が小さい初期酸化物層を形成できる。初期酸化物層を
形成した後の工程は第1の実施形態のそれと同じであ
る。 (第3の実施形態)本実施形態は、第1または第2の実
施形態の酸化膜のプロセスを連続、つまり、酸化膜のプ
ロセス中に半導体基板が外気に触れない条件で行うもの
である。
Specifically, oxygen radicals are generated by discharge with an electric power of about 100 W in oxygen at a pressure of 5 to 10 Torr and the substrate surface is irradiated with the oxygen radicals, so that the thickness is about 1.1 to 1.2 nm. Forming an initial oxide layer.
By such a method, it is possible to form an initial oxide layer having a density and a stress smaller than those of the thermal oxide film. The steps after forming the initial oxide layer are the same as those in the first embodiment. (Third Embodiment) In this embodiment, the oxide film process of the first or second embodiment is continuously performed, that is, the semiconductor substrate is not exposed to the outside air during the oxide film process.

【0089】このような連続プロセスを行なうためにハ
ードウェアーとしては、単一処理室で複数の工程を行う
型の装置、あるい複数の処理室をロード・ロック式に接
続した型の装置が使用可能であるが、本実施形態では前
者の装置を用いた場合について説明する。
As hardware for carrying out such a continuous process, an apparatus of a type for performing a plurality of steps in a single processing chamber, or an apparatus of a type in which a plurality of processing chambers are connected in a load-lock system is used. Although possible, this embodiment will explain a case where the former device is used.

【0090】まず、シリコン基板を処理室に導入し、次
いでこのシリコン基板の温度をほぼ室温に保ったまま無
水弗化水素(AHF)ガスを導入して、基板表面上の自
然酸化膜を除去する。
First, a silicon substrate is introduced into a processing chamber, and then anhydrous hydrogen fluoride (AHF) gas is introduced while keeping the temperature of the silicon substrate at about room temperature to remove the natural oxide film on the surface of the substrate. .

【0091】ここで、自然酸化膜の除去に用いるガスと
しては、AHFガスの他、例えば、AHFと水蒸気との
混合ガスを用いることができる。次に処理室内を窒素等
の不活性ガスで一旦置換した後、酸素を含む酸化性雰囲
気に置換して、シリコン基板を200℃程度まで徐々に
昇温し、基板表面に残る弗素を除去する。
As the gas used for removing the natural oxide film, a mixed gas of AHF and water vapor can be used in addition to the AHF gas. Next, the inside of the processing chamber is once replaced with an inert gas such as nitrogen, then replaced with an oxidizing atmosphere containing oxygen, and the silicon substrate is gradually heated to about 200 ° C. to remove the fluorine remaining on the substrate surface.

【0092】次に処理室内に酸素ラジカルを導入し、半
導体基板を更に900℃程度まで昇温して、半導体基板
上に厚さ1〜1.2nm程度の初期酸化物層を形成す
る。次にシリコン基板の温度を上記温度に保ったまま、
処理室内を酸素を含む通常の酸化性雰囲気に置換して、
基板表面に所定膜厚の酸化膜を形成する。
Next, oxygen radicals are introduced into the processing chamber, the temperature of the semiconductor substrate is further raised to about 900 ° C., and an initial oxide layer having a thickness of about 1 to 1.2 nm is formed on the semiconductor substrate. Next, while keeping the temperature of the silicon substrate at the above temperature,
By replacing the inside of the processing chamber with a normal oxidizing atmosphere containing oxygen,
An oxide film having a predetermined thickness is formed on the surface of the substrate.

【0093】このように初期の酸化物層である初期酸化
物層の形成を気相中で行うことによって、シリコン基板
を外気から遮断した条件で、酸化膜の成膜プロセスを連
続的に行なえるようになる。
By thus forming the initial oxide layer, which is the initial oxide layer, in the vapor phase, the oxide film forming process can be continuously performed under the condition that the silicon substrate is shielded from the outside air. Like

【0094】これによって、基板表面のクリーニングか
ら酸化膜の形成に至る工程中に亘って基板が外気に曝さ
れることがなくなため、外気に含まれる有機汚染物など
の汚染の影響を受けない清浄な酸化膜プロセスが可能と
なる。したがって、界面凹凸の抑制に加えて汚染の影響
が取り除かれる結果、酸化膜の信頼性はさらに向上す
る。
As a result, the substrate is not exposed to the outside air during the steps from the cleaning of the surface of the substrate to the formation of the oxide film, so that it is not affected by contamination such as organic contaminants contained in the outside air. A clean oxide film process is possible. Therefore, the effect of contamination is removed in addition to the suppression of interface irregularities, and as a result, the reliability of the oxide film is further improved.

【0095】上記第1〜第3の実施形態の方法に従って
形成した酸化膜の真性寿命は、酸化膜形成前に形成され
る初期酸化物層の膜厚と共に増加する。すなわち、図3
に示すように、厚さ7nm程度の薄い酸化膜の真性寿命
は、初期酸化物層の膜厚が1nm付近まで同膜厚と共に
増加し、それ以上でほぼ飽和する特性を示す。
The intrinsic life of the oxide film formed according to the methods of the first to third embodiments increases with the film thickness of the initial oxide layer formed before the oxide film is formed. That is, FIG.
As shown in, the intrinsic life of a thin oxide film having a thickness of about 7 nm increases with the thickness of the initial oxide layer up to about 1 nm, and it is almost saturated beyond that.

【0096】したがって、酸化膜形成前に形成される初
期酸化物層の膜厚を1nm程度以上にすることによっ
て、酸化膜の真性寿命を最大限に向上させることが可能
になる。このことは、上記各実施形態の方法で酸化膜を
形成することによって、酸化膜と半導体基板との界面の
凹凸がほぼ完全に取り除かれたことに対応している。図
4は、本発明の方法と従来の方法それぞれで形成した酸
化膜の真性寿命の膜厚による変化を示している。
Therefore, by setting the film thickness of the initial oxide layer formed before forming the oxide film to about 1 nm or more, the intrinsic life of the oxide film can be maximized. This corresponds to the fact that the unevenness at the interface between the oxide film and the semiconductor substrate was almost completely removed by forming the oxide film by the method of each of the above embodiments. FIG. 4 shows changes in the intrinsic life of an oxide film formed by the method of the present invention and the conventional method depending on the film thickness.

【0097】この図から、本発明の方法は10nm未満
の薄い膜厚領域で有効なことが分かる。酸化膜の膜厚が
厚くなると従来の方法と差がなくなるのは、酸化が進む
につれて酸化初期の酸化膜/基板界面の凹凸の影響が失
われるためである。
From this figure, it can be seen that the method of the present invention is effective in a thin film thickness region of less than 10 nm. The reason why the difference from the conventional method disappears when the thickness of the oxide film becomes thick is that the influence of the unevenness of the oxide film / substrate interface at the initial stage of oxidation disappears as the oxidation progresses.

【0098】以上のような酸化膜/基板の界面の凹凸の
解消によって直接に得られる重要な結果として、酸化膜
をトンネル絶縁膜として用いた不揮発性メモリのデータ
書き込み特性のバラツキの改善効果があげられる。
An important result directly obtained by eliminating the unevenness of the oxide film / substrate interface as described above is the effect of improving the variation in the data writing characteristics of the nonvolatile memory using the oxide film as the tunnel insulating film. To be

【0099】不揮発性メモリのセルトランジスタは例え
ば図5に示すゲート構造を有しており、制御ゲート電極
27に正の高電界を印加することによって、トンネル酸
化膜24上の浮遊ゲート電極25内に電子を蓄積し、そ
れによってしきい値電圧(Vth)を制御しようとするも
のである。
The cell transistor of the non-volatile memory has, for example, the gate structure shown in FIG. 5, and by applying a high positive electric field to the control gate electrode 27, the cell transistor is formed in the floating gate electrode 25 on the tunnel oxide film 24. It aims to control the threshold voltage (V th ) by accumulating electrons.

【0100】なお、図5において、21はp型シリコン
基板、22はn型ソース拡散層、23はn型ドレイン拡
散層、26はゲート電極間絶縁膜を示している。したが
って、電子蓄積時のしきい値電圧Vthは、トンネル酸化
膜24中の電流の流れ易さによって影響を受け、トンネ
ル酸化膜24の特性がメモリ・セル毎に異なっていれ
ば、しきい値電圧Vthも対応した分布の広がりを示すこ
とになる。
In FIG. 5, 21 is a p-type silicon substrate, 22 is an n-type source diffusion layer, 23 is an n-type drain diffusion layer, and 26 is a gate electrode insulating film. Therefore, the threshold voltage V th at the time of electron accumulation is affected by the ease of current flow in the tunnel oxide film 24. If the characteristics of the tunnel oxide film 24 are different for each memory cell, the threshold voltage V th The voltage V th also shows the corresponding spread of distribution.

【0101】図6に上記セルトランジスタのしきい値電
圧のVth分布を調べた結果を示す。図6から、本発明の
方法によって形成した酸化膜をゲート酸化膜24用いた
場合のデータ書き込み時のしきい値Vthの分布は、従来
の方法で形成したゲート酸化膜を用いた場合に比べてバ
ラツキが小さく、全体としてデータ書き込み特性がよく
揃っていることが分かる。このことは、酸化膜自体の特
性分布が揃っていることを表している。
FIG. 6 shows the result of examining the V th distribution of the threshold voltage of the cell transistor. From FIG. 6, the distribution of the threshold value V th in writing data when the oxide film formed by the method of the present invention is used as the gate oxide film 24 is larger than that when the gate oxide film formed by the conventional method is used. It can be seen that the variation is small and the data writing characteristics are well aligned as a whole. This means that the characteristic distribution of the oxide film itself is uniform.

【0102】なお、第1〜第3の実施形態において、F
e、Cr、Cuなどの偶発不良の原因となる金属を除去
する工程を追加することにより、より品質の高い酸化膜
を形成できるようになる。
In the first to third embodiments, F
By adding a step of removing a metal such as e, Cr, or Cu that causes a random failure, a higher quality oxide film can be formed.

【0103】この場合、上記工程は、最終的な酸化膜と
して残る構造が形成される前、すなわち、少なくとも1
nm程度以上の初期酸化物層を形成する工程より以前に
行うことにより、偶発不良の低減効果を損なうことな
く、真性特性、特に真性寿命を著しく向上させることが
可能となる。 (第4の実施形態)図7は、本実施形態の方法で酸化膜
を形成するために用いる酸化膜形成装置の概略構成を示
す模式図である。
In this case, the above-mentioned process is performed before the structure which remains as the final oxide film is formed, that is, at least 1.
By performing before the step of forming the initial oxide layer having a thickness of about nm or more, it becomes possible to remarkably improve the intrinsic characteristics, particularly the intrinsic life, without impairing the effect of reducing accidental defects. (Fourth Embodiment) FIG. 7 is a schematic diagram showing a schematic structure of an oxide film forming apparatus used for forming an oxide film by the method of the present embodiment.

【0104】この酸化膜形成装置は、ホットウォール方
式の縦型熱処理装置であり、基板加熱用ヒータ34によ
りシリコン基板31の温度を50〜100℃/分程度の
速度で昇降温できるようになっている。また、石英管か
らなる処理室33内の圧力は、図示しない排気系により
酸化膜プロセスを通じて約1気圧に保持できるようにな
っている。
This oxide film forming apparatus is a vertical heat treatment apparatus of the hot wall type, and the heater 34 for heating the substrate can raise and lower the temperature of the silicon substrate 31 at a rate of about 50 to 100 ° C./minute. There is. The pressure inside the processing chamber 33 made of a quartz tube can be maintained at about 1 atm through an oxide film process by an exhaust system (not shown).

【0105】また、図8は、図7の酸化膜形成装置を用
いて酸化膜形成を行なう際のプロセスの時間とシリコン
基板31の温度との関係を示す図である。図8におい
て、期間Iの工程(基板搬入/パージ)が本発明の第1
の工程に相当し、期間IIの工程(自然酸化膜除去)が本
発明の第2の工程に相当し、期間III の工程(水蒸気処
理/低温処理)が本発明の第3の工程に相当し、そし
て、期間IVの工程(昇温)および期間Vの工程(酸化)
が本発明の第4の工程に相当している。また、期間VIの
工程は降温/パージ、期間VII の工程は基板搬出を示し
ている。
FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the process time and the temperature of the silicon substrate 31 when forming an oxide film using the oxide film forming apparatus of FIG. In FIG. 8, the process of period I (substrate loading / purge) is the first of the present invention.
The process of period II (natural oxide film removal) corresponds to the second process of the present invention, and the process of period III (steam treatment / low temperature treatment) corresponds to the third process of the present invention. , And the process of period IV (heating) and the process of period V (oxidation)
Corresponds to the fourth step of the present invention. Further, the process of period VI indicates temperature lowering / purging, and the process of period VII indicates substrate unloading.

【0106】まず、シリコン基板21の温度を200℃
程度にした状態でシリコン基板21を処理室33内に搬
入し、基板支持用ボード32に支持した後、処理室33
の入り口を閉じてシリコン基板21を実質的に外気と遮
断する(期間I)。
First, the temperature of the silicon substrate 21 is set to 200.degree.
After the silicon substrate 21 is brought into the processing chamber 33 in a state of being adjusted and is supported by the substrate supporting board 32, the processing chamber 33
To close the silicon substrate 21 from the outside air (period I).

【0107】この状態(基板温度200℃)で、一旦、
処理室33内を窒素ガスで置換した後、引き続き、AH
Fガスを処理室33内に導入して基板表面の自然酸化膜
をエッチング除去する(期間II)。なお、AHFガスの
配管には配管加熱用ヒータ35が設けられている。
In this state (substrate temperature 200 ° C.),
After replacing the inside of the processing chamber 33 with nitrogen gas, the AH
F gas is introduced into the processing chamber 33 to remove the natural oxide film on the substrate surface by etching (period II). A pipe heating heater 35 is provided in the AHF gas pipe.

【0108】次にAHFガスの導入を停止した後、処理
室33内に水蒸気(H2 O)と酸素(O2 )ガスを導入
する(期間III )。なお、水蒸気の配管には、AHFガ
スの配管と同様に、配管加熱用ヒータ35が設けられて
いる。
Then, after the introduction of the AHF gas is stopped, steam (H 2 O) and oxygen (O 2 ) gases are introduced into the processing chamber 33 (period III). A pipe heating heater 35 is provided in the steam pipe, as in the case of the AHF gas pipe.

【0109】このとき、一旦、窒素パージによって処理
室33内のAHFガスの濃度をある程度下げてから水蒸
気の供給を行なう。この間に、半導体基板21の温度は
300℃に昇温している。
At this time, the water vapor is supplied after the concentration of the AHF gas in the processing chamber 33 is once lowered to some extent by nitrogen purging. During this time, the temperature of the semiconductor substrate 21 has risen to 300 ° C.

【0110】処理室33は有限の容積を有しているの
で、窒素パージや水蒸気の供給によっても処理室33内
のAHFガスは直ちに無くなるわけではなく、数分程度
の時間をかけて減少する。この間に、既に水蒸気の導入
が開始されるので、処理室33内の雰囲気は、AHFガ
スの割合が減少すると同時に水蒸気の割合が増加するこ
とになる。
Since the processing chamber 33 has a finite volume, the AHF gas in the processing chamber 33 does not disappear immediately even by nitrogen purging or supply of water vapor, but it decreases over a period of about several minutes. During this period, the introduction of water vapor is already started, so that in the atmosphere in the processing chamber 33, the proportion of AHF gas decreases and the proportion of water vapor increases at the same time.

【0111】水蒸気と共に酸素ガスを流しているのは、
全体のガス流量を増やしてガス置換が迅速に行われるよ
うにするためである。この混合ガスはある時点まで酸化
膜をエッチングする条件になっているが、AHFガスと
水蒸気の比率が逆転するにつれて速やかにシリコン基板
31を酸化する条件に移行し、処理室33内の雰囲気は
酸化性雰囲気となる。
The reason why the oxygen gas is flowing together with the water vapor is
This is for increasing the total gas flow rate so that gas replacement can be performed quickly. This mixed gas is under the condition of etching the oxide film up to a certain point, but as the ratio of the AHF gas and the water vapor is reversed, the condition is rapidly changed to oxidize the silicon substrate 31, and the atmosphere in the processing chamber 33 is oxidized. It becomes a sexual atmosphere.

【0112】さらに、上記水蒸気を含む雰囲気は、同時
に、弗素で終端されていたシリコン基板31の表面のシ
リコンを水素または水酸基で終端された状態に変化させ
る。この結果、自然酸化膜が除去された基板表面からは
弗素が効率的に除去されると共に、同表面では再び酸化
が進行し始めることになる。
Further, the atmosphere containing water vapor simultaneously changes the silicon on the surface of the silicon substrate 31 which has been terminated by fluorine into a state terminated by hydrogen or a hydroxyl group. As a result, fluorine is efficiently removed from the surface of the substrate from which the natural oxide film has been removed, and the oxidation starts to progress again on the surface.

【0113】ただし、シリコン基板31の温度が300
℃と低温のために酸化膜の成長速度は限られており、1
0分程度の処理時間内に形成される酸化膜厚は3nm以
下である。
However, the temperature of the silicon substrate 31 is 300
The growth rate of the oxide film is limited due to the low temperature of ℃ and 1
The oxide film thickness formed within the processing time of about 0 minutes is 3 nm or less.

【0114】次に水蒸気を窒素ガスを切り替えて、シリ
コン基板31を所定の酸化温度まで昇温する(期間I
V)。すなわち、酸素を窒素で稀釈した雰囲気にして、
所定の酸化温度に達するまでに形成される酸化膜厚を少
なくするようにしている。
Then, the steam is switched to nitrogen gas to raise the temperature of the silicon substrate 31 to a predetermined oxidation temperature (period I
V). That is, in an atmosphere where oxygen is diluted with nitrogen,
The oxide film thickness formed before reaching a predetermined oxidation temperature is reduced.

【0115】シリコン基板31の温度が期間IIおよび期
間III の工程のそれよりも高い所定の温度(ここでは図
8に示すように1000℃)に達したら、所定の酸化雰
囲気で所定膜厚の酸化膜を形成する。本実施形態では、
酸化雰囲気として、酸素ガスと水蒸気との混合ガス雰囲
気での所謂ウェット酸化を更に窒素で稀釈したものとな
っている。
When the temperature of the silicon substrate 31 reaches a predetermined temperature (1000 ° C. as shown in FIG. 8) which is higher than that of the process of the period II and the process of the period III, oxidation of a predetermined film thickness is performed in a predetermined oxidizing atmosphere. Form a film. In this embodiment,
As the oxidizing atmosphere, so-called wet oxidation in a mixed gas atmosphere of oxygen gas and water vapor is further diluted with nitrogen.

【0116】所定膜厚の酸化膜を形成した後、シリコン
基板31の温度を500℃程度まで下げ、次いで処理室
33内の雰囲気を充分にパージした後(期間V)、シリ
コン基板31を処理室33から搬出して(期間VI)、酸
化膜の成膜プロセスは終了する。
After the oxide film having a predetermined thickness is formed, the temperature of the silicon substrate 31 is lowered to about 500 ° C., and then the atmosphere in the processing chamber 33 is sufficiently purged (period V). After being discharged from 33 (period VI), the oxide film forming process is completed.

【0117】本実施形態(本発明)の方法に従って形成
した酸化膜の信頼性を従来の方法で形成した酸化膜のそ
れと比較するために、TDDB寿命を調べた結果が図9
である。全体の50%が破壊した時間を示してある。
In order to compare the reliability of the oxide film formed according to the method of the present embodiment (the present invention) with that of the oxide film formed by the conventional method, the result of examining the TDDB life is shown in FIG.
It is. The time when 50% of the total is destroyed is shown.

【0118】図から明らかな通り、本発明の方法で形成
した酸化膜は、特に膜厚が薄いほど従来の方法で形成し
たものに比べて寿命が長くなっていることが分かる。ま
た、これに対応して、このとき形成された酸化膜と基板
との界面の凹凸を原子間力顕微鏡(AFM)によって観
察した結果、5μm角の視野における最大の段差は、従
来の方法の場合の4.3nmに対して、本発明の方法の
場合には1.1nmと顕著に改善されていることが確か
められた。
As is apparent from the figure, the oxide film formed by the method of the present invention has a longer life than the film formed by the conventional method, especially when the film thickness is thinner. Correspondingly, the unevenness of the interface between the oxide film and the substrate formed at this time was observed by an atomic force microscope (AFM), and as a result, the maximum step difference in a 5 μm square visual field was It was confirmed that in the case of the method of the present invention, it was significantly improved to 1.1 nm, compared with 4.3 nm in FIG.

【0119】以上述べたように本実施形態によれば、自
然酸化膜の除去に弗化水素ガスを用いても、シリコン基
板31上に信頼性の高い高品質な酸化膜を形成すること
ができる。
As described above, according to this embodiment, a highly reliable and high quality oxide film can be formed on the silicon substrate 31 even if hydrogen fluoride gas is used for removing the natural oxide film. .

【0120】したがって、このようにして形成した酸化
膜を通常のMOSトランジスタのゲート酸化膜として用
いることにより、信頼性を向上することができる。ま
た、例えば、本実施形態の酸化膜を高電界がかかるEE
PROMのトンネル酸化膜として用いれば、信頼性の向
上と同時にデータ書き換え回数を増やすことができるな
ど性能の向上も図れるようになる。
Therefore, the reliability can be improved by using the oxide film thus formed as the gate oxide film of a normal MOS transistor. In addition, for example, the oxide film of the present embodiment is provided with EE to which a high electric field is applied.
If it is used as a tunnel oxide film of a PROM, the reliability can be improved and the number of times of data rewriting can be increased, and the performance can be improved.

【0121】なお、本実施形態は、下記の通りに種々変
形可能である。例えば、作用の項で述べた通り、期間II
の工程で処理室33内に水蒸気を供給しても良い。ま
た、期間III の工程では、酸化性ガスとして酸素ラジカ
ルやオゾンを含んだガスを用いることもできる他、基板
表面のSi原子を終端している弗素を除去するという機
能が満足されれば、水蒸気の導入を同段階の前半だけに
限ることも可能である。期間IV以降の工程で、必要に応
じて種々の酸化方法が可能なことも既に述べた通りであ
る。
The present embodiment can be variously modified as follows. For example, as mentioned in the action section, period II
Water vapor may be supplied into the processing chamber 33 in the step of. Further, in the step of the period III, a gas containing oxygen radicals or ozone can be used as the oxidizing gas, and if the function of removing the fluorine terminating the Si atoms on the substrate surface is satisfied, the water vapor It is also possible to limit the introduction of to only the first half of the same stage. As described above, various oxidation methods can be performed as necessary in the steps after the period IV.

【0122】また、使用する装置についても、上に述べ
たバッチ式のホットウォール方式のものの他に枚葉式の
加熱装置を使用することも可能である。工程の性格上、
昇降温速度が大きい方が適しており、RTP(Rapid Th
ermal Processor )のようなコールドウォール方式の装
置の使用も考えられる。
As for the apparatus used, it is also possible to use a single-wafer type heating apparatus in addition to the batch type hot wall type apparatus described above. Due to the nature of the process,
The higher the temperature increase / decrease rate is, the better. RTP (Rapid Th
It is also conceivable to use a cold wall type device such as an ermal processor).

【0123】この場合、処理室の内壁や配管の必要部分
が水蒸気が結露しない温度に保たれていることが必要で
あるが、通常のRTP装置にその様な機能を付加するこ
とは難しくない。勿論、枚葉式でもホットウォール方式
であればそのまま使用可能である。
In this case, it is necessary that the inner wall of the processing chamber and the necessary parts of the piping are kept at a temperature at which water vapor does not condense, but it is not difficult to add such a function to a normal RTP apparatus. Of course, even the single wafer type can be used as it is if it is a hot wall type.

【0124】さらに、本実施形態の方法で酸化膜を形成
した後に、半導体基板21を単に処理室23外に搬出す
るのではなく、同一処理室23内または処理室23とロ
ードロックで接続された処理室内で、上記酸化膜上に引
き続き別の膜、例えばゲート電極用の多結晶半導体膜を
形成する工程等が続いても良い。
Further, after the oxide film is formed by the method of this embodiment, the semiconductor substrate 21 is not simply carried out of the processing chamber 23, but is connected to the same processing chamber 23 or to the processing chamber 23 by a load lock. In the processing chamber, a step of forming another film, for example, a polycrystalline semiconductor film for a gate electrode, on the oxide film may be continued.

【0125】なお、本発明は上述した実施形態に限定さ
れるものではない。例えば、第1〜第3の実施形態の自
然酸化膜の除去工程を第4の実施形態のそれに置き換え
ても良い。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、
種々変形して実施できる。
The present invention is not limited to the above embodiment. For example, the natural oxide film removing step of the first to third embodiments may be replaced with that of the fourth embodiment. In addition, without departing from the gist of the present invention,
Various modifications can be made.

【0126】[0126]

【発明の効果】以上詳述したように本発明(請求項1、
請求項2)によれば、真性特性の改善により、高品質の
酸化膜が得られるようになる。また、本発明(請求項
3、請求項4)によれば、自然酸化膜の除去に弗素を含
む反応性ガスを用いても、界面準位密度の増加等の原因
となる残留弗素の発生を防止できるので、高品質の酸化
膜が得られるようになる。
As described in detail above, the present invention (claim 1,
According to claim 2), the improvement of the intrinsic characteristics makes it possible to obtain a high quality oxide film. Further, according to the present invention (Claims 3 and 4), even if a reactive gas containing fluorine is used for removing the natural oxide film, the generation of residual fluorine that causes an increase in the interface state density is prevented. Since this can be prevented, a high quality oxide film can be obtained.

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

【図1】有機物等の汚染物の付着により基板/酸化膜の
界面に凹凸が発生する様子を示す模式図
FIG. 1 is a schematic diagram showing how unevenness is generated at a substrate / oxide film interface due to attachment of contaminants such as organic substances.

【図2】初期酸化時の応力により基板/酸化膜の界面に
凹凸が発生する様子を示す模式図
FIG. 2 is a schematic diagram showing how unevenness occurs at the substrate / oxide film interface due to stress during initial oxidation.

【図3】真性破壊寿命とケミカル・オキサイド層(初期
酸化物層)との関係を示す特性図
FIG. 3 is a characteristic diagram showing the relationship between the intrinsic fracture life and the chemical oxide layer (initial oxide layer).

【図4】真性破壊寿命と酸化膜との関係を示す特性図FIG. 4 is a characteristic diagram showing the relationship between intrinsic breakdown life and oxide film.

【図5】不揮発性メモリのセルトランジスタの断面図FIG. 5 is a sectional view of a cell transistor of a nonvolatile memory.

【図6】不揮発性メモリのセルトランジスタのデータ書
き込み時のしきい値電圧の分布を示す図
FIG. 6 is a diagram showing a threshold voltage distribution at the time of writing data in a cell transistor of a nonvolatile memory.

【図7】本発明の第4の実施形態において使用する酸化
膜形成装置の概略構成を示す模式図
FIG. 7 is a schematic diagram showing a schematic configuration of an oxide film forming apparatus used in a fourth embodiment of the present invention.

【図8】基板温度とプロセス時間との関係を示す図FIG. 8 is a diagram showing a relationship between substrate temperature and process time.

【図9】本発明による酸化膜のTDDB寿命が従来のそ
れよりも長くなっていることを示す通過電荷量の酸化膜
依存性を示す図
FIG. 9 is a graph showing the dependence of the amount of passing charges on the oxide film, which shows that the TDDB life of the oxide film according to the present invention is longer than that of the conventional one.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…シリコン基板 2…ケミカル・オキサイド層 3…有機汚染物 4…熱酸化膜 11…シリコン基板 12…酸化初期の熱酸化膜 13…所定膜厚の酸化膜 21…p型シリコン基板 22…n型ソース拡散層 23…n型ドレイン拡散層 24…トンネル酸化膜 25…浮遊ゲート電極 26…ゲート電極間絶縁膜 27…制御ゲート電極 31…シリコン基板 32…基板支持用ボード 33…処理室 34…基板加熱用ヒータ 35…配管加熱用ヒータ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Silicon substrate 2 ... Chemical oxide layer 3 ... Organic contaminants 4 ... Thermal oxide film 11 ... Silicon substrate 12 ... Thermal oxide film in the initial stage of oxidation 13 ... Oxide film of a predetermined thickness 21 ... P-type silicon substrate 22 ... N-type Source diffusion layer 23 ... N-type drain diffusion layer 24 ... Tunnel oxide film 25 ... Floating gate electrode 26 ... Gate electrode insulating film 27 ... Control gate electrode 31 ... Silicon substrate 32 ... Substrate supporting board 33 ... Processing chamber 34 ... Substrate heating Heater 35 ... Pipe heating heater

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】半導体基板の表面の自然酸化膜を除去する
第1の工程と、 前記自然酸化膜を除去した半導体基板の表面に、低密度
かつ応力1×108 N/m2 未満の厚さ1nm以上の酸
化物層を形成する第2の工程と、 酸化性雰囲気中での熱処理により前記酸化物層を高密度
化して、前記自然酸化膜を除去した表面に、前記第2の
工程の酸化物層よりも高密度の酸化膜を形成する工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
1. A first step of removing a natural oxide film on a surface of a semiconductor substrate, and a low density and a stress of less than 1 × 10 8 N / m 2 on the surface of the semiconductor substrate from which the natural oxide film is removed. A second step of forming an oxide layer having a thickness of 1 nm or more; and a step of densifying the oxide layer by heat treatment in an oxidizing atmosphere to remove the native oxide film on the surface of the second step. And a step of forming an oxide film having a density higher than that of the oxide layer.
【請求項2】オゾンを含む水、オゾンを含むガスまたは
酸素ラジカルを含むガスにより前記酸化物層を形成する
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方
法。
2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the oxide layer is formed of water containing ozone, a gas containing ozone, or a gas containing oxygen radicals.
【請求項3】半導体基板を処理室内に導入して、前記半
導体基板を外気と実質的に遮断する第1の工程と、 前記半導体基板の温度を400℃以下に保った状態で、
前記処理室内に弗素を含むガスを導入して、前記半導体
基板の表面の自然酸化膜を除去する第2の工程と、 前記半導体基板の温度を結露が起こらない温度以上40
0℃以下に保った状態で、前記処理室内に水蒸気を含む
酸化性ガスを導入して、前記処理室内を酸化性雰囲気に
する第3の工程と、 前記半導体基板の温度を前記第2および前記第3の工程
時の前記半導体基板の温度よりも高くして、前記半導体
基板の表面に酸化膜を形成する第4の工程とを有するこ
とを特徴とする半導体装置の製造方法。
3. A first step of introducing a semiconductor substrate into a processing chamber to substantially shield the semiconductor substrate from outside air; and a temperature of the semiconductor substrate kept at 400 ° C. or lower,
A second step of introducing a gas containing fluorine into the processing chamber to remove a natural oxide film on the surface of the semiconductor substrate; and a temperature of the semiconductor substrate which is equal to or higher than a temperature at which dew condensation does not occur.
A third step of introducing an oxidizing gas containing water vapor into the processing chamber to maintain an oxidizing atmosphere in the processing chamber while maintaining the temperature at 0 ° C. or lower; And a fourth step of forming an oxide film on the surface of the semiconductor substrate by making the temperature of the semiconductor substrate higher than that in the third step.
【請求項4】前記第1、前記第2、前記第3および前記
第4の全工程を通じて、前記処理室内の圧力を1/10
気圧以上に保持することを特徴とする請求項3に記載の
半導体装置の製造方法。
4. The pressure in the processing chamber is reduced to 1/10 through all of the first, second, third and fourth steps.
4. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 3, wherein the atmospheric pressure is maintained.
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