JPH09181072A

JPH09181072A - 酸化膜形成方法および酸化膜形成装置

Info

Publication number: JPH09181072A
Application number: JP35049795A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Miura; 博三浦; Takeshi Hino; 威日野
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1995-12-22
Filing date: 1995-12-22
Publication date: 1997-07-11

Abstract

(57)【要約】【課題】酸化膜の膜厚が増加する場合にも、シリコン
表面の平坦化処理の効果を持続できる。【解決手段】半導体基板３１０の表面を平坦化処理す
る工程と、平坦化処理した基板表面４を酸化して酸化膜
５を形成する工程と、該酸化膜５上に半導体薄膜６を成
膜する工程と、成膜した半導体薄膜６を酸化する工程と
を有している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置のゲー
ト絶縁膜やキャパシタ絶縁膜などに用いられる酸化膜の
形成方法および酸化膜形成装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置を構成するゲート酸化膜に
は、一般に、シリコン基板を熱酸化して形成するシリコ
ン酸化膜ＳｉＯ₂が使用されており、ＭＯＳ構造素子の
微細化，高集積化に伴なって、このシリコン酸化膜の薄
膜化が進行している。例えば、０．３５μｍプロセス技
術の６４ＭＤＲＡＭでは、１００Åの膜厚の酸化膜が使
用され、また、０．２５μｍプロセス技術の２５６ＭＤ
ＲＡＭでは、８０Åの膜厚の酸化膜が使用される。ま
た、高性能化を目指すＣＭＯＳロジックでは、ＤＲＡＭ
よりも１世代早い薄膜化が要求され、０．２５μｍプロ
セス技術では、６０Åの膜厚の酸化膜が使用されるな
ど、１００Å以下の膜厚の酸化膜が採用されつつある。

【０００３】ところで、従来一般的に行なわれているシ
リコン酸化膜形成方法では、酸化前に各種薬品で基板表
面を前処理し、しかる後に酸化膜を形成するものである
が、上記前処理においては、処理後もシリコン表面に原
子オーダの凹凸(数原子層から１０原子層程度に及ぶ凹
凸)が残留する。この結果、酸化膜の膜厚が１００Å以
下の非常に薄い場合には、基板表面の凹凸が酸化膜シリ
コン基板界面に反映されてしまう。具体的に、界面の凹
凸は、数Å〜１０Åの酸化膜圧の変動に相当する。

【０００４】従って、酸化膜の膜厚が１００Å以下にな
ると、凹凸の影響が顕在化し、例えば、酸化膜厚の薄膜
化に伴なって耐圧の低下やウェハー内でのバラツキが著
しくなるなどの問題が生じる。また、原子オーダーの微
小な凹凸が存在する部分では、シリコン酸化膜の架橋酸
素原子の化学結合が切断され、シリコンダングリングボ
ンドや、Ｓｉ−Ｓｉ、Ｓｉ−Ｏ−Ｈ結合等の不完全な結
合が形成されてしまう。なお、このような不完全な結合
は、ＭＯＳ構造素子を形成した後、これに高電界ストレ
スを印加した場合には、分断され、ダングリングボンド
となる。このようにして形成されたダングリングボンド
は、電子のトラップサイトとなり、素子特性の経時変化
を引き起こす。

【０００５】このような問題を解決するために、いくつ
かの方法(前処理方法)が提案されている。例えば、特開
平２−２４８０４４号には、酸化前のシリコン基板を１
０^-10Ｔｏｒｒ以下の真空中において、９００℃の温度
で約２０分間加熱し、その後、１０００℃の温度で酸化
を行なって５０Åの膜厚のＳｉＯ₂酸化膜を形成する技
術が示されており、この方法によって、５０ÅのＳｉＯ
₂酸化膜の膜厚が、シリコン結晶の１原子層程度のバラ
ツキに収まっている旨の結果が示唆されている。

【０００６】また、特開平５−３０８０７０号には、酸
化前のシリコン基板を超高真空中で１１００〜１３００
℃の温度で熱処理し、シリコン基板の表面数原子層にわ
たってシリコン原子を再配列させ、この再配列によって
表面の過剰な原子を除去し最終的にはダイマー(二量体)
構造を形成して、この状態の表面を酸化して非常に平坦
な酸化膜シリコン界面を形成する技術が示されている。

【０００７】また、特開平６−６９１９５号には、シリ
コン基板上にシリコン薄膜をエピタキシャル成長し、エ
ピタキシャル成長したシリコン薄膜は、その表面が原子
層オーダーで平滑な面であるとともに、不純物分布が極
めて急俊になっていることから、この状態の基板表面を
酸化することで、界面が平滑で結合状態が安定なシリコ
ン酸化膜を形成する方法が示されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】このように、高品質な
極薄酸化膜を得るには、酸化膜が形成される基板表面を
原子レベルで平坦化する前処理工程が必要となり、この
ために、前述のようないくつかの方法が提案されてい
る。すなわち、これら前処理方法は、シリコン表面の数
原子層を再配列させることで、原子レベルで平坦な表面
を形成するものであり、これらの方法で形成した表面を
酸化すると、非常に平坦な界面ができる。

【０００９】しかしながら、上述したような前処理方法
では、平坦な界面が維持できる酸化膜の膜厚には限界が
ある。特に、酸化膜厚が６０〜８０Å以上になると、界
面状態は、従来一般的になされている前処理方法による
場合と同程度になるとの報告もある(Jpn.JAppl.Phys.33
(1994)388)。すなわち、酸化の初期では反応律速で酸化
が起こり、酸化が進行して所定の膜厚に達すると酸素の
拡散が全体の反応を律速する。酸化が反応律速で起こる
ときには(酸化膜の膜厚が非常に薄い段階では)、酸化前
の基板表面の状態が界面に反映され、従って、平坦化の
前処理がなされている場合には平坦な界面を形成するこ
とができ、平坦化の前処理がなされていない場合には、
荒れた界面になる。これに対し、酸化が進行し、酸化膜
の膜厚が増加して酸素の拡散が反応に寄与しだすと、表
面処理がなされているか否かにかかわらず同様の界面状
態(平坦ではない界面状態)になってしまう。これは、酸
化剤の拡散速度が基板中の欠陥や不純物が存在する領域
と単結晶領域とで異なるためと考えられる。

【００１０】従って、上述したような従来提案されてい
るいくつかの平坦化方法は、５０Å以下の酸化膜を形成
する際には有効であるが、実用上重要な酸化膜の膜厚は
５０〜１００Å程度の範囲にあり、５０〜１００Åの範
囲において、膜厚が厚くなるに従って、前処理の効果
(シリコン表面を平坦化した効果)が失なわれてしまい、
シリコン表面が荒れ、界面状態が劣化してしまうという
欠点があった。

【００１１】本発明は、幅広い膜厚範囲にわたって高品
質の酸化膜を形成することの可能な酸化膜形成方法およ
び酸化膜形成装置を提供することを目的としている。

【００１２】換言すれば、本発明は、酸化膜の膜厚が増
加する場合にも、シリコン表面の平坦化処理の効果を持
続することの可能な酸化膜形成方法および酸化膜形成装
置を提供することを目的としている。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１記載の発明は、平坦化処理後の半導体基板
の表面に平坦性を崩さない程度の膜厚の酸化膜を形成
し、該酸化膜上に半導体薄膜を形成して、界面状態に影
響を及ぼさないように、該半導体薄膜を酸化すること
で、半導体基板上に所定の膜厚の酸化膜を形成すること
を特徴としている。

【００１４】また、請求項２記載の発明は、半導体基板
の表面を平坦化処理する工程と、平坦化処理した基板表
面を酸化して酸化膜を形成する工程と、該酸化膜上に半
導体薄膜を成膜する工程と、成膜した半導体薄膜を酸化
する工程とを有することを特徴としている。

【００１５】また、請求項３記載の発明は、半導体基板
の表面を平坦化処理する工程と、平坦化処理した基板表
面を酸化して酸化膜を形成する工程と、形成した酸化膜
の一部分を選択的に除去する工程と、酸化膜の一部分を
除去した基板表面に半導体薄膜を成膜する工程と、成膜
した半導体薄膜を酸化する工程とを有することを特徴と
している。

【００１６】また、請求項４記載の発明は、基板加熱装
置と超高真空排気が可能な排気装置と半導体薄膜の成膜
装置とを具備した真空容器と、基板加熱装置と排気装置
とガス供給装置とを具備した真空容器とが仕切り弁で仕
切られて、各真空容器間で半導体基板を大気に曝すこと
なく搬送が可能であることを特徴としている。

【００１７】請求項１乃至請求項４記載の発明では、平
坦化処理後の半導体基板の表面に平坦性を崩さない程度
の膜厚の酸化膜を形成し、該酸化膜上に半導体薄膜を形
成して、界面状態に影響を及ぼさないように、該半導体
薄膜を酸化することで、半導体基板上に所定の膜厚の酸
化膜を形成するので、幅広い膜厚範囲にわたって高品質
の酸化膜を形成することができる。すなわち、酸化膜の
膜厚が増加する場合にも、半導体基板表面の平坦化処理
の効果を持続することができる。

【００１８】特に、請求項２記載の発明では、酸化膜上
の半導体薄膜を酸化し所定の膜厚の酸化膜を形成するも
のであり、この方法では、半導体薄膜が選択的に酸化さ
れるために、初期酸化で形成した界面状態を維持するこ
とができる。

【００１９】また、請求項３記載の発明では、欠陥及び
粒界が存在する半導体薄膜を酸化するものであり、この
方法では、欠陥及び粒界が存在するシリコン薄膜を酸化
するので、酸化が横方向(界面に対して平行方向)に進行
し易くなる。その結果、界面状態を劣化させることなく
酸化膜を形成することができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。本発明では、基本的には、平坦化処
理後の半導体基板(例えばシリコン基板)の表面に平坦性
を崩さない程度の膜厚の酸化膜を形成し、該酸化膜上に
半導体薄膜(例えばシリコン薄膜)を形成して、界面状態
に影響を及ぼさないように、該半導体薄膜(例えばシリ
コン薄膜)を酸化するようにしている。

【００２１】図１は本発明に係る酸化膜形成方法の一例
を示す図である。図１の方法では、半導体基板の表面を
平坦化処理する工程と、平坦化処理した基板表面を酸化
して酸化膜を形成する工程と、該酸化膜上に半導体薄膜
を成膜する工程と、成膜した半導体薄膜を酸化する工程
とを有している。

【００２２】すなわち、図１の酸化膜形成方法では、ま
ず最初に、図１(ａ)のように表面に凹凸２のある半導体
基板(シリコン基板)３１０を、背圧が例えば５×１０^-8
Ｔｏｒｒ以下の真空中で加熱して、基板３１０の表面を
平坦化処理して、図１(ｂ)のような状態にする。なお、
図１(ａ)において、２は基板表面の凹凸であり、３は自
然酸化膜である。また、図１(ｂ)において、４は平坦化
処理を行なった結果得られる再配列表面である。

【００２３】基板３１０の表面を図１(ｂ)のように平坦
化した後に、数Å〜３０Å程度の厚さで酸化膜(例えば
シリコン酸化膜)５を形成する(図１(ｃ))。なお、酸化
膜の膜厚が数Å〜３０Å程度では、界面の平坦度は低下
しない。

【００２４】この工程に引き続き、シリコン薄膜６を形
成する(図１(ｄ))。シリコン薄膜６の膜厚は、必要とす
る酸化膜の膜厚に応じて異なるが、本発明の効果を十分
に引きだすには、２０〜５０Å程度の範囲であることが
好ましい。また、このシリコン薄膜６は、アモルファス
構造として形成されても良いし、多結晶構造として形成
されても良い。

【００２５】次に、酸化性雰囲気を形成し、シリコン薄
膜６を酸化する(図１(ｅ))。この場合、シリコン基板３
１０の酸化と酸化膜５上のシリコン薄膜６の酸化とが同
時に進行する。シリコン基板３１０の酸化は、その上に
酸化膜５およびシリコン薄膜６が存在することから、反
応に対する拡散律速の寄与が強くなる。一方、酸化膜５
上のシリコン薄膜６の酸化は、反応律速になる。従っ
て、基板３１０の酸化速度よりもシリコン薄膜６の酸化
速度の方が大きく、従って、界面状態に大きな影響を与
えずに、所望の酸化膜７が形成できる。すなわち、界面
が非常に平滑でかつ実用に適した膜厚のシリコン酸化膜
７を形成することができる。

【００２６】図２は本発明に係る酸化膜形成方法の他の
例を示す図である。図２の方法では、半導体基板の表面
を平坦化処理する工程と、平坦化処理した基板表面を酸
化して酸化膜を形成する工程と、形成した酸化膜の一部
分を選択的に除去する工程と、酸化膜の一部分を除去し
た基板表面に半導体薄膜を成膜する工程と、成膜した半
導体薄膜を酸化する工程とを有している。

【００２７】すなわち、図２の酸化膜形成方法において
も、先ず、図１(ａ)，(ｂ)，(ｃ)に示した工程と同様に
して、半導体基板(シリコン基板)３１０を、背圧が例え
ば５×１０^-8Ｔｏｒｒ以下の真空中で加熱して、基板３
１０の表面を平坦化処理し、平坦化処理を行なった後、
数Å〜３０Åの膜厚で酸化膜(シリコン酸化膜)５を形成
するが(図２(ａ)，(ｂ)，(ｃ))、図２の方法では、図２
(ｃ)のように形成したシリコン酸化膜５を一部を残して
除去し(図２(ｄ)）、この状態の基板３１０上(一部に酸
化膜５が存在するシリコン基板３１０上)にシリコン薄
膜６を形成する(図２(e))。

【００２８】このように、シリコン基板３１０の表面に
離散的に酸化膜５を形成した後、シリコン薄膜６を形成
する場合には、シリコン薄膜６の成長状態を制御するこ
とができる。すなわち、図２(e)に示すように、シリコ
ン薄膜６は、シリコン基板が露出した部分６ａでは、エ
ピタキシャル成長し、酸化膜５上の部分６ｂでは、多結
晶もしくは欠陥(双晶等の欠陥や粒界など)を含むエピタ
キシャル成長となる。このように、局所的に薄膜６の構
造が変化する場合、薄膜６の成長過程でエピタキシャル
成長部分６ａに応力が加わり、この部分６ａには双晶等
の欠陥や粒界などが導入される。

【００２９】次に、この状態のシリコン薄膜６(６ａ，
６ｂ)を酸化するが(図２(ｆ))、シリコン薄膜６にシリ
コン結晶粒界や欠陥が存在する場合には、初期酸化の反
応律速段階で粒界及び欠陥部分の酸化速度が大きくな
る。また、酸化速度は結晶方位に強く依存し、特に１１
１面が速くなる。従って、シリコン薄膜６中に双晶等の
欠陥や粒界などが存在する場合には、横方向の酸化が進
行しやすくなる。この結果、あらかじめ平坦化した基板
３１０表面の状態を著しく劣化することなく、実用に適
した膜厚のシリコン酸化膜７を形成できる。

【００３０】すなわち、単結晶シリコン基板を酸化した
場合、初期の段階で体積膨張に伴う応力が酸化膜及び基
板に発生する。このような応力により酸化膜を構成する
正四面体配位が破壊され、ダングリングボンド等の不完
全な結合が生成され、キャリアのトラップサイトにな
る。その結果、特性の経時変化が発生する。信頼性に優
れた酸化膜を形成するには、上記不完全な結合状態の改
善も必要である。図２(ａ)乃至(ｆ)による製造方法で
は、酸化するシリコン薄膜中には粒界や双晶等の欠陥が
存在しており、酸化時に発生する応力は、この欠陥、粒
界部分である程度緩和できる。従って、図２(ａ)乃至
(ｆ)の製造方法による場合には、不完全な結合状態が少
ない酸化膜を形成できるという効果も有している。

【００３１】なお、上述した図１(ａ)乃至(ｅ)，図２
(ａ)乃至(ｆ)の各工程は、例えばゲートバルブのような
仕切り弁で仕切られた真空容器間で基板を搬送し大気に
曝すことなく連続して行なうのが好ましい。これは、工
程間で大気に曝すことによる表面への不純物吸着を避け
るためである。

【００３２】図３は本発明に係る酸化膜形成装置の構成
例を示す図である。この酸化膜形成装置は、試料導入室
３０１と、試料表面の平坦化処理室３０２と、酸化室３
０３との３つの室で構成され、各室３０１，３０２，３
０３は、ゲートバルブ３０４，３０５で仕切られてい
る。

【００３３】また、各室３０１，３０２，３０３は、個
別の真空排気が可能である。すなわち、酸化室３０３は
一般的なＲＴＰ装置として構成されており、酸化室３０
３では大気圧から１０^-7Ｔｏｒｒの減圧状態での酸化が
可能である。また、平坦化処理室３０２は、排気系３０
６によって１０^-8Ｔｏｒｒ以下の超高真空排気が可能に
構成されている。

【００３４】このように、各室３０１，３０２，３０３
は、個別の真空排気が可能であり、また、各室３０１，
３０２，３０３は、ゲートバルブ３０４，３０５で仕切
られているので、基板搬送機構(図示せず)により基板３
１０を大気に曝すことなく各室３０１，３０２，３０３
間で搬送経路ＴＲに沿って移動させることができ、図１
(ａ)乃至(ｅ)，図２(ａ)乃至(ｆ)の各工程は、例えばゲ
ートバルブのような仕切り弁で仕切られた真空容器間で
基板を搬送し大気に曝すことなく連続して行なうことが
できる。

【００３５】また、平坦化処理室３０２内には、基板加
熱系３０７と、Ｓｉ成膜装置３０９とが設けられてい
る。ここで、基板加熱系３０７には、Ｔａ等のヒーター
からの輻射熱による加熱方式、もしくは赤外線ランプか
らの輻射熱による加熱方式、基板へ交流もしくは直流電
流を通電する抵抗加熱による方式を用いることができ
る。また、Ｓｉ成膜装置３０９には、Ｓｉ固体原料を用
いた蒸着法、もしくはＳｉＨ₄，Ｓｉ₂Ｈ₆，ＳｉＨ₂Ｃｌ
₂等のガスを原料にした化学気相成長法(ＣＶＤ法)等を
用いることができる。成膜装置３０９が固体原料を用い
た蒸着方法の場合には、電子ビーム蒸着法やクヌーセン
セルによる抵抗加熱法が採用できる。なお、平坦化処理
室３０２における代表的な平坦化処理条件としては、処
理過程の真空度が１０^-8Ｔｏｒｒ以下に維持され、この
時の基板温度が９００℃〜１３００℃の範囲にあるのが
好ましい。

【００３６】また、酸化室３０３内には、基板加熱系３
１７が設けられている。ここで、基板加熱系３１７に
は、平坦化処理室３０２の基板加熱系３０７と同様に、
Ｔａ等のヒーターからの輻射熱による加熱方式、もしく
は赤外線ランプからの輻射熱による加熱方式、基板へ交
流もしくは直流電流を通電する抵抗加熱による方式を用
いることができる。なお、酸化室３０３における酸化条
件として、酸化性ガスには、酸素Ｏ₂、水蒸気Ｈ₂Ｏ、オ
ゾンＯ₃等のガスが使用できる。これら酸化性ガスは単
独で使用しても良いし、アルゴンＡｒ、窒素Ｎ₂、ヘリ
ウムＨｅ、ネオンＮｅ等の不活性ガスで希釈して使用し
ても良い。また、酸化時の酸化性ガス分圧は、７６０Ｔ
ｏｒｒ(大気圧)〜１０^-7Ｔｏｒｒの範囲で調整するのが
好ましい。また酸化温度は５００〜１２００℃の範囲と
するのが好ましい。

【００３７】また、図３の酸化膜形成装置には、不活性
ガス供給源３１１と、酸化性ガス供給源３１２とが設け
られており、不活性ガス供給源３１１からの不活性ガス
は、バルブ３１３，３１４により、平坦化処理室３０
２，酸化室３０３への供給がそれぞれ制御されるように
なっている。また、酸化性ガス供給源３１２からの酸化
性ガスは、バルブ３１５，３１６により、平坦化処理室
３０２，酸化室３０３への供給がそれぞれ制御されるよ
うになっている。

【００３８】また、基板３１０の加熱制御および不活性
ガス，酸化性ガス，Ｓｉ原料の供給タイミング制御は、
例えばプロセッサなどを用いたタイミング制御装置(図
示せず)により一括して行なうことができる(各条件のプ
ログラム制御が可能である)。

【００３９】このように、図３の酸化膜形成装置は、基
板加熱装置３０７と超高真空排気が可能な排気装置３０
６とＳｉ薄膜の成膜装置３０９を具備した真空容器３０
２と、基板加熱装置３１７と排気装置(図示せず)とガス
供給装置３１２を具備した真空容器３０３が仕切り弁３
０５で仕切られて、各真空容器３０２，３０３間での基
板搬送が可能に構成されている。

【００４０】このような酸化膜形成装置により、前述し
たような仕方で、幅広い膜厚範囲にわたって高品質の酸
化膜を形成することができる。

【００４１】

【実施例】以下、図３のシリコン酸化膜形成装置を用い
たシリコン酸化膜形成方法の実施例を詳述する。

【００４２】（実施例１）実施例１では、図３のシリコ
ン酸化膜形成装置により図１(ａ)乃至(ｅ)に示した方法
で酸化膜７を形成した。すなわち、先ず、化学薬品及び
純水で十分に洗浄したＳｉ基板３１０を、図３に示す試
料導入室３０１に挿入し、各室３０１，３０２，３０３
を真空排気した。真空排気により各室３０１，３０２，
３０３の背圧が十分に低下したことを確認した後、平坦
化処理室３０２に基板３１０を搬送した。

【００４３】平坦化処理室３０２に基板３１０をセット
後、まず最初に、背圧１０^-9Ｔｏｒｒ以下、基板温度１
０００℃の条件で、基板３１０を１０分間熱処理した。
この熱処理により、サーマルエッチングでＳｉ基板表面
の自然酸化膜３が除去され、シリコン原子の再配列が起
こり、基板３１０の表面が平坦化される。これによっ
て、平坦化処理後のシリコン基板３１０の表面は、表面
が１００面である場合、２×１再配列構造になる。この
表面の構造変化を、Ｓｉ成膜装置３０９に付属したＲＨ
ＥＥＤ装置で観察した。この結果、シリコン基板３１０
の平坦化のなされたことは、図４に示すように、２×１
のＲＨＥＥＤ像として確認された。

【００４４】その後、基板温度を５００℃に設定した後
に、平坦化処理室３０２内にＡｒガスを導入し、平坦化
処理室３０２内の真空度を１Ｔｏｒｒに調整した。ま
た、酸化室３０３にもＡｒガスを導入し、酸化室３０３
についても平坦化処理室３０２と同じ真空度に調整し
た。この状態で、シリコン基板３１０を平坦化処理室３
０２から酸化室３０３に搬送した。

【００４５】基板３１０を酸化室３０３にセットした後
に、Ａｒガスの供給を停止して、酸素ガスを酸化室３０
３に導入し、酸素雰囲気中で基板温度を５００℃から９
００℃に昇温した。なお、この時の昇温速度は５０℃／
分とした。基板温度を９００℃に設定した後に、この状
態を１分間保持し、シリコン基板３１０上に約２０Åの
酸化膜５を形成した。しかる後、酸素ガスの供給を停止
して、Ａｒガスを導入し、１ＴｏｒｒのＡｒ雰囲気を形
成した。この状態で基板温度を５００℃まで降温した。

【００４６】このようにしてシリコン基板３１０上に約
２０Åの酸化膜５を形成した後、基板温度が５００℃の
状態で、基板３１０を平坦化処理室３０２に搬送した。
平坦化処理室３０２に基板３１０をセット後に、Ａｒガ
スの供給を停止し、平坦化処理室３０２の背圧を１０^-9
Ｔｏｒｒ以下にした。この状態で、シリコン薄膜６を酸
化膜５上に成膜した。なお、シリコン薄膜６は、Ｓｉ成
膜装置３０９により電子ビーム蒸着法で成膜した。具体
的に、基板温度を６５０℃とし、Ｓｉ成膜装置(電子ビ
ーム蒸着装置)３０９に設けられているシャッター(図示
せず)の開閉により成膜時間を制御し、約２０Åの膜厚
でシリコン薄膜６を形成した。この成膜条件では、多結
晶シリコン薄膜が形成できる。

【００４７】このようにしてシリコン薄膜６を成膜後
に、再び基板温度を５００℃に設定し、１ＴｏｒｒのＡ
ｒ雰囲気の状態で、酸化室３０３に基板３１０を搬送し
た。酸化室３０３に基板３１０を搬送後、先の酸化プロ
セスと同様の条件で多結晶シリコン薄膜６を酸化した。
以上のプロセスにより、シリコン基板３１０上に、７０
Åの膜厚の酸化膜７を形成できた。

【００４８】（実施例２）実施例２では、図３のシリコ
ン酸化膜形成装置により図２(ａ)乃至(ｆ)に示した方法
で酸化膜７を形成した。すなわち、先ず、化学薬品及び
純水で十分に洗浄したＳｉ基板３１０を、図３に示す試
料導入室３０１に挿入し、各室３０１，３０２，３０３
を真空排気した。真空排気により各室の背圧が十分に低
下したことを確認した後、平坦化処理室３０２に基板３
１０を搬送した。

【００４９】平坦化処理室３０２に基板３１０をセット
後、まず最初に、背圧１０^-9Ｔｏｒｒ以下、基板温度１
０００℃の条件で、基板３１０を１０分間熱処理した。
この熱処理により、サーマルエッチングでＳｉ基板表面
の自然酸化膜３が除去され、シリコン原子の再配列が起
こり、基板３１０の表面が平坦化される。これによっ
て、平坦化処理後のシリコン基板３１０の表面は、表面
が１００面である場合、２×１再配列構造になる。シリ
コン基板３１０の平坦化のなされたことは、実施例１と
同様に、ＲＨＥＥＤ装置で表面再配列パターンを観察し
て確認された。

【００５０】その後、基板温度を５００℃に設定した後
に、平坦化処理室３０２内にＡｒガスを導入し、平坦化
処理室３０２内の真空度を１Ｔｏｒｒに調整した。ま
た、酸化室３０３にもＡｒガスを導入し、酸化室３０３
についても平坦化処理室３０２と同じ真空度に調整し
た。この状態で、シリコン基板３１０を平坦化処理室３
０２から酸化室３０３に搬送し、シリコン基板３１０の
表面に約１０Åの酸化膜５を形成した。しかる後、シリ
コン基板３１０表面に形成された酸化膜５をエッチング
によって部分的に除去した。

【００５１】図５はシリコンの表面状態と雰囲気の関係
を表したものであり、図の横軸は酸化温度を示し、縦軸
は雰囲気中の酸化性ガス分圧を示している。また、図
中、斜線部分５０２はシリコン基板表面の酸化膜５のエ
ッチングが起こる領域であり、その他の部分５０１はシ
リコン表面が酸化する領域である。すなわち、酸化条件
の酸化温度が一定の場合は、酸化性ガス分圧を調整する
ことで、矢印Ａで示すように、エッチングと酸化とを制
御することができる。

【００５２】ここで、シリコン表面の酸化膜５のエッチ
ングは、酸素とＳｉが反応し生成されたシリコンモノオ
キサイドＳｉ−Ｏが気相中に昇華することで起きる。こ
のプロセスは、シリコン基板表面の平坦化処理に用いた
ものと同様である。Ｓｉと酸素の反応によるＳｉ−Ｏの
生成は、まず最初に酸化膜中の結合が不完全な部分で起
こり、その後拡がっていく。従って、適当に処理条件
(処理時間)を制御することによって、シリコン表面の酸
化膜５を部分的に除去できる。

【００５３】具体的な条件等を説明する。基板を酸化室
３０３にセットした後に、Ａｒガスの供給を停止し酸素
ガスを導入する。酸素雰囲気中で基板温度を５００℃か
ら９００℃に昇温する。この時の昇温速度は５０℃／分
とする。９００℃に設定した後に３０秒間保持する。こ
のプロセスでまず最初に、図２(ｃ)のように、例えば１
０Åの酸化膜５を形成する。その後、酸素ガスの供給を
停止し、酸素分圧を１０^-7Ｔｏｒｒ以下にする。これは
図５の矢印Ａの操作に対応する。この状態を５分間保持
して、酸化膜５を、図２(ｄ)に示すように、部分的にエ
ッチングする。その後、Ａｒガスを導入し、１Ｔｏｒｒ
のＡｒ雰囲気を形成する。また、これと同時に基板温度
を５００℃に降温する。この操作で酸化膜５のエッチン
グが停止する。

【００５４】このようにして、酸化膜５を部分的にエッ
チングし、基板温度を５００℃に設定した後に、基板３
１０を平坦化処理室３０２に搬送した。そして、平坦化
処理室３０２において、実施例１と同様の方法で、図２
(ｅ)に示すように、シリコン薄膜６ａ，６ｂを、シリコ
ン基板３１０上，酸化膜５上にそれぞれ形成した。な
お、このとき、シリコン薄膜６ａ，６ｂの膜厚が３０Å
になるように条件を調整した。このようにして、酸化膜
５上に形成されたシリコン薄膜６ｂは、多結晶膜にな
り、また、シリコン基板３１０上に形成されたシリコン
薄膜６ａは、エピタキシャル成長膜になった。また、面
内で構造が異なる領域が存在することから、成長過程で
エピタキシャル成長部分に応力が加わり、シリコン基板
３１０上に形成されたエピタキシャル成長膜であるシリ
コン薄膜６ａには、双晶等の欠陥や粒界が導入された。

【００５５】その後、基板３１０を酸化室３０３に再び
搬送し、上記シリコン薄膜６ａ，６ｂを酸化した。すな
わち、酸化室３０３に基板３１０をセット後、酸素雰囲
気中で基板温度を５００℃から９００℃に昇温した。こ
の時の昇温速度は５０℃／分とした。基板温度を９００
℃に設定した後に１分間保持し、シリコン薄膜６ａ，６
ｂを酸化した。その後、酸素ガスの供給を停止し、Ａｒ
ガスを導入して１ＴｏｒｒのＡｒ雰囲気を形成した。こ
の状態で基板温度を室温まで降温した。

【００５６】上記のようにしてシリコン薄膜６ａ，６ｂ
を酸化することで、シリコン基板３１０上に７０Åの酸
化膜７を形成した。前述したように、酸化されるシリコ
ン薄膜には多結晶部分６ｂと双晶を含むエピタキシャル
成長部分が存在する。酸化過程において、多結晶部分６
ｂでは実施例１と同様の効果により界面の平坦性が保た
れるが、エピタキシャル成長部分６ａでは、まず最初に
双晶面１１１面が酸化され、その後の酸化は１１１方向
が１００方向よりも速く進行する。つまり、酸化は界面
に対して平行方向に進行し、基板界面付近の形状への影
響を抑えることができる。この結果、あらかじめ平坦化
した基板３１０表面の状態を著しく劣化することなく、
実用に適した膜厚のシリコン酸化膜７を形成できた。

【００５７】実施例１，実施例２による酸化膜７の特性
を初期耐圧により評価した。すなわち、実施例１および
実施例２の方法で７０Åの膜厚の酸化膜７を形成した。
なお、この酸化膜７の特性を従来方法によるものと比較
するために、シリコン基板表面の平坦化処理を実施例
１，実施例２と同様の方法で行ない、しかる後、膜厚７
０Åの酸化膜をシリコン基板に直接形成した試料をも作
成し、これを同様に評価した。図６には、これらの評価
結果が示されている。図６において、縦軸は耐圧８ＭＶ
／ｃｍ以上ので良品率を表している。図６から明らかな
ように、実施例１，実施例２の方法の耐圧良品率は、平
坦化処理後に直接酸化した従来方法の場合よりも高く、
本発明による酸化膜形成方法により、酸化膜の耐圧特性
が向上していることがわかる。

【００５８】また、実施例１，実施例２，従来方法の方
法で上記のようにそれぞれ形成された各試料の酸化膜シ
リコン界面の凹凸を断面透過電子顕微鏡による観察(Ｔ
ＥＭ)で調べた。すなわち、１１０方向から格子像を観
察し、界面に沿って１０００Åの領域について凹凸の度
合を比較した。この結果、平坦化処理のみの従来方法に
よる試料では、数原子層に渡る凹凸が存在していること
がわかった。一方、実施例１及び実施例２の試料では、
１原子層の凹凸しか存在していないことがわかった。

【００５９】このように、従来方法では、酸化膜厚の増
加に伴って平坦化処理の効果が失われるため、７０Åの
酸化膜を形成した場合には、十分な耐圧特性を確保する
ことができないが、実施例１，実施例２の方法では、酸
化膜シリコン界面の状態に極力影響を与えずに酸化膜が
形成されるので、従来の方法と比較して酸化膜シリコン
界面が平坦であり、良好な耐圧特性が得られた。

【００６０】

【発明の効果】以上に説明したように、請求項１乃至請
求項４記載の発明によれば、平坦化処理後の半導体基板
の表面に平坦性を崩さない程度の膜厚の酸化膜を形成
し、該酸化膜上に半導体薄膜を形成して、界面状態に影
響を及ぼさないように、該半導体薄膜を酸化すること
で、半導体基板上に所定の膜厚の酸化膜を形成するの
で、幅広い膜厚範囲にわたって高品質の酸化膜を形成す
ることができる。すなわち、酸化膜の膜厚が増加する場
合にも、半導体基板表面の平坦化処理の効果を持続する
ことができる。

【００６１】特に、請求項２記載の発明では、酸化膜上
の半導体薄膜を酸化し所定の膜厚の酸化膜を形成するも
のであり、この方法では、半導体薄膜が選択的に酸化さ
れるために、初期酸化で形成した界面状態を維持するこ
とができる。

【００６２】また、請求項２記載の発明では、欠陥及び
粒界が存在する半導体薄膜を酸化するものであり、この
方法では、欠陥及び粒界が存在するシリコン薄膜を酸化
するので、酸化が横方向(界面に対して平行方向)に進行
し易くなる。その結果、界面状態を劣化させることなく
酸化膜を形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による酸化膜の形成工程の一例を説明す
るための図である。

【図２】本発明による酸化膜の形成工程の一例を説明す
るための図である。

【図３】本発明に係る酸化膜形成装置の構成例を示す図
である。

【図４】平坦化処理後のシリコン基板の表面のＲＨＥＥ
Ｄ像をＲＨＥＥＤ装置によって撮像した写真である。

【図５】シリコンの表面状態と雰囲気中の酸化性ガス分
圧との関係を示す図である。

【図６】実施例１の方法，実施例２の方法，従来方法に
よるシリコン酸化膜の耐圧良品率の比較結果を示す図で
ある。

【符号の説明】

２基板表面の凹凸３自然酸化膜４再配列表面５酸化膜６シリコン薄膜７酸化膜３１０シリコン基板３０１試料導入室３０２初期酸化室３０３酸化室３０４，３０５ゲートバルブ３０６排気系３０７基板加熱系３０９Ｓｉ成膜装置３１１不活性ガス供給源３１２酸化性ガス供給源

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】平坦化処理後の半導体基板の表面に平坦
性を崩さない程度の膜厚の酸化膜を形成し、該酸化膜上
に半導体薄膜を形成して、界面状態に影響を及ぼさない
ように、該半導体薄膜を酸化することで、半導体基板上
に所定の膜厚の酸化膜を形成することを特徴とする酸化
膜形成方法。
【請求項２】半導体基板の表面を平坦化処理する工程
と、平坦化処理した基板表面を酸化して酸化膜を形成す
る工程と、該酸化膜上に半導体薄膜を成膜する工程と、
成膜した半導体薄膜を酸化する工程とを有することを特
徴とする酸化膜形成方法。
【請求項３】半導体基板の表面を平坦化処理する工程
と、平坦化処理した基板表面を酸化して酸化膜を形成す
る工程と、形成した酸化膜の一部分を選択的に除去する
工程と、酸化膜の一部分を除去した基板表面に半導体薄
膜を成膜する工程と、成膜した半導体薄膜を酸化する工
程とを有することを特徴とする酸化膜形成方法。
【請求項４】基板加熱装置と超高真空排気が可能な排
気装置と半導体薄膜の成膜装置とを具備した真空容器
と、基板加熱装置と排気装置とガス供給装置とを具備し
た真空容器とが仕切り弁で仕切られて、各真空容器間で
半導体基板を大気に曝すことなく搬送が可能であること
を特徴とする酸化膜形成装置。