JPH1098038A

JPH1098038A - 半導体装置におけるシリコン酸化膜の形成方法

Info

Publication number: JPH1098038A
Application number: JP26925496A
Authority: JP
Inventors: Toyotaka Kataoka; 豊▲隆▼ 片岡
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1996-09-19
Filing date: 1996-09-19
Publication date: 1998-04-14

Abstract

(57)【要約】【課題】薄いシリコン酸化膜を安定して加湿酸化法にて
形成し得る、半導体装置におけるシリコン酸化膜の形成
方法を提供する。【解決手段】水蒸気を含む気体雰囲気中でシリコン半導
体基板等の基体を酸化することによってシリコン酸化膜
を形成する方法は、少なくとも水素及び酸素を含む気体
に電磁波を照射することによって水蒸気を生成させる。
電磁波は、例えば周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波で
あることが好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置におけ
るシリコン酸化膜の形成方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＭＯＳ半導体装置の製造においては、シ
リコン酸化膜から成るゲート酸化膜をシリコン半導体基
板上に形成する必要がある。そして、半導体装置の高集
積化に伴い、ＭＯＳ型半導体装置のゲート酸化膜も薄膜
化されつつあり、ゲート長０．１μｍ世代の半導体装置
におけるゲート酸化膜の厚さは３ｎｍ程度になると予想
されている。シリコン酸化膜の形成方法は、大きくは、
乾燥酸素を用いる乾燥酸化法と、水蒸気を含んだ酸素を
用いる加湿酸化法の２つに分類される。乾燥酸化法は、
加熱されたシリコン半導体基板に十分乾燥した酸素を供
給することによってシリコン半導体基板の表面にシリコ
ン酸化膜を形成する方法である。また、加湿酸化法は、
水蒸気を含む高温のキャリアガスをシリコン半導体基板
に供給することによってシリコン半導体基板の表面にシ
リコン酸化膜を形成する方法である。一般には、加湿酸
化法によって形成されたシリコン酸化膜の方が、乾燥酸
化法によって形成されたシリコン酸化膜よりも、信頼性
に優れている。

【０００３】加湿酸化法の一種にパイロジェニック酸化
法がある。この方法は、加湿酸化法の再現性を高め且つ
水量の管理を不要とするために、純粋な水素を燃焼させ
て水蒸気を作る方法である。このパイロジェニック法
は、最も安定して水蒸気を生成することができるので、
均一なシリコン酸化膜を形成することができる。また、
水蒸気を生成させるための原料として気体を用いるの
で、不純物の制御も行い易いといった利点がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、薄いシリコ
ン酸化膜を形成しようとした場合、乾燥酸化法と比較す
ると、加湿酸化法では酸化速度が早いため、例えば、酸
化温度を低温とし、しかも酸化時間を短くしなければな
らない。しかしながら、酸化温度の低温化は、シリコン
酸化膜の密度を低下させるという問題がある。また、酸
化時間の短縮化は、シリコン酸化膜の膜厚の均一化を妨
げるという問題がある。従って、加湿酸化法を採用して
薄いシリコン酸化膜を形成する場合、別の方法で酸化速
度の抑制を図らなければならない。

【０００５】酸化速度の抑制方法として、減圧下で水蒸
気を生成させ、減圧下でシリコン酸化膜を形成する方法
がある。このように、減圧下でシリコン酸化膜を形成す
れば、酸化種の供給量が少ないので、酸化速度を抑制す
ることができる。しかしながら、かかる減圧下で水蒸気
を生成させる方法では、水蒸気を生成させるための水素
の燃焼装置の動作が安定しない。即ち、減圧下、安定し
て水素を燃焼させることが困難であり、その結果、減圧
化、安定して薄いシリコン酸化膜を形成することが難し
いという問題がある。

【０００６】従って、本発明の目的は、薄いシリコン酸
化膜を安定して加湿酸化法にて形成し得る、半導体装置
におけるシリコン酸化膜の形成方法を提供することにあ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明の半導体装置におけるシリコン酸化膜の形成
方法は、水蒸気を含む気体雰囲気中で基体を酸化するこ
とによってシリコン酸化膜を形成する方法であって、少
なくとも水素及び酸素を含む気体に電磁波を照射するこ
とによって水蒸気を生成させることを特徴とする。本発
明のシリコン酸化膜の形成方法においては、電磁波は、
例えば周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波であることが
好ましい。気体中に含み得る他の元素としては、窒素、
アルゴン、ヘリウム、ネオン、クリプトン、キセノンと
いった不活性ガスを構成する元素を例示することができ
る。

【０００８】基体とは、シリコン単結晶ウエハといった
半導体基板等だけでなく、半導体基板上にエピタキシャ
ルシリコン層、多結晶シリコン層、あるいは非晶質シリ
コン層、更には、半導体基板やこれらの層に半導体素子
が形成されたもの等、シリコン酸化膜を形成すべき下地
を意味する。基体にシリコン酸化膜を形成するとは、半
導体基板等の上若しくは上方に形成されたシリコン膜か
らシリコン酸化膜を形成する場合だけでなく、半導体基
板の表面にシリコン酸化膜を形成する場合を含む。尚、
シリコン半導体基板の作製方法は、ＣＺ法、ＭＣＺ法、
ＤＬＣＺ法、ＦＺ法等、如何なる方法であってもよい
し、また、予め水素アニールが加えられたものでもよ
い。

【０００９】本発明のシリコン酸化膜の形成方法は、例
えばＭＯＳ型トランジスタのゲート酸化膜、層間絶縁膜
や素子分離領域の形成、トップゲート型若しくはボトム
ゲート型薄膜トランジスタのゲート酸化膜の形成、フラ
ッシュメモリのトンネル酸化膜の形成等、各種半導体装
置におけるシリコン酸化膜の形成に適用することができ
る。

【００１０】マイクロ波放電によって生成した酸素プラ
ズマにおいては、基底状態Ｏ₂（Ｘ³Σｇ^-）は電子の衝
突によって励起状態Ｏ₂（Ａ³Σｕ⁺）又はＯ₂（Ｂ³Σ
ｕ^-）に励起され、それぞれ、以下の式のように酸素原
子に解離する。

【００１１】

【化１】Ｏ₂（Ｘ³Σｇ^-）＋ｅ → Ｏ₂（Ａ³Σｕ⁺）＋ｅ式（１）Ｏ₂（Ａ³Σｕ⁺）＋ｅ → Ｏ（³Ｐ）＋Ｏ（³Ｐ）＋ｅ式（２）Ｏ₂（Ｘ³Σｇ^-）＋ｅ → Ｏ₂（Ｂ³Σｕ^-）＋ｅ式（３）Ｏ₂（Ｂ³Σｕ^-）＋ｅ → Ｏ（³Ｐ）＋Ｏ（¹Ｄ）＋ｅ式（４）

【００１２】従って、酸素プラズマ中には励起酸素分子
と酸素原子が存在し、これらが反応種となる。ここに水
素Ｈ₂を導入すると、以下のようなプラズマが生成す
る。

【００１３】

【化２】Ｈ₂ ＋ｅ → ２Ｈ式（５）

【００１４】そして、酸素プラズマの内、例えば式
（２）で生成した酸素プラズマと式（５）で生成した水
素プラズマが反応して、水蒸気が生成する。

【００１５】

【化３】２Ｈ＋Ｏ（³Ｐ） → Ｈ₂Ｏ式（６）

【００１６】本発明においては、このような酸素プラズ
マと水素プラズマとの反応に基づき水蒸気を生成させる
ので、減圧下で水蒸気を容易に且つ確実に生成させるこ
とが可能となり、減圧下での加湿酸化法にて薄いシリコ
ン酸化膜を形成することができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明を、図面を参照し
て、発明の実施の形態に基づき説明する。

【００１８】（発明の実施の形態１）発明の実施の形態
１の半導体装置におけるシリコン酸化膜の形成方法の実
施に適した装置の概念図を図１に示す。この装置は、マ
グネトロン１０、導波管１１、石英製の水蒸気生成室２
０、酸化反応室３０から構成されている。マグネトロン
１０においては、周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波が
発生させられる。かかるマイクロ波は、導波管１１を介
して、水蒸気生成室２０に導入される。水蒸気生成室２
０には、配管２１，２２を経由して酸素ガス及び水素ガ
スが導入される。水蒸気生成室２０に導入された酸素及
び水素に対してマイクロ波（電磁波）が照射される。こ
れによって、式（１）〜式（５）に示した反応が進行
し、酸素プラズマ及び水素プラズマが生成され、式
（６）に示した反応の結果、水蒸気が生成する。水蒸気
生成室２０の外周にはヒーター２３が配設され、水蒸気
生成室２０の内部は所望の温度（例えば、２００〜３０
０゜Ｃ）に保持される。水蒸気生成室２０における水蒸
気の生成のための条件を、以下の表１に例示する。

【００１９】

【表１】マイクロ波電力：１０ｋＷ酸素ガス流量：２ＳＬＭ水素ガス流量：２ＳＬＭ水蒸気生成室内の圧力：６．６５×１０³Ｐａ水蒸気生成室内の温度：３００゜Ｃ

【００２０】水蒸気生成室２０にて生成された水蒸気
は、配管２４を介して酸化反応室３０内に導入される。
尚、配管２４の外周には、配管２４内での水蒸気の結露
を防止するためにヒーター２５を配設し、例えば配管２
４内を２００〜３００゜Ｃに保持することが好ましい。

【００２１】酸化反応室３０内には、基板載置台３１及
び加熱用ランプ３２が備えられている。酸化反応室３０
内を水蒸気で満した後、加熱用ランプ３２によって基体
であるシリコン半導体基板を加熱する。これによって、
シリコン半導体基板の表面にシリコン酸化膜が形成され
る。酸化条件を以下の表２に例示する。尚、酸化反応室
３０内の水蒸気等は排気部３３から系外に排気される。

【００２２】

【表２】水蒸気と酸素ガスの流量合計：３ＳＬＭ基体の加熱温度：８５０゜Ｃ酸化反応室内の圧力：６．６５×１０³Ｐａ

【００２３】こうして、減圧下、基体である例えばシリ
コン半導体基板の表面にシリコン酸化膜を安定して形成
することができる。

【００２４】（発明の実施の形態２）発明の実施の形態
２の半導体装置におけるシリコン酸化膜の形成方法の実
施に適した装置の概念図を図２に示す。この装置が図１
に示した装置と相違する点は、酸化反応室に加熱用ラン
プを配設する代わりに、酸化反応室４０の外周にヒータ
ー４１が配設されている点にある。また、水蒸気生成室
２０には、不活性ガス（例えば、窒素ガス）が配管２６
を介して導入できる構造となっている。その他の構造
は、図１に示した装置と同様であるので、詳細な説明は
省略する。

【００２５】発明の実施の形態２における水蒸気の生成
は、発明の実施の形態１と同様である。酸化反応室４０
内には基体であるシリコン半導体基板が複数収められて
いる。そして、これらのシリコン半導体基板はヒーター
４１によって、例えば８５０゜Ｃに加熱される。水蒸気
が水蒸気生成室２０から配管２４を介して酸化反応室４
０内に導入されると、基体であるシリコン半導体基板の
表面の酸化が開始する。尚、酸化反応室４０内の水蒸気
等は排気部４２から系外に排気される。所定の時間、水
蒸気を酸化反応室４０内に導入した後、水蒸気生成室２
０への水素ガスの供給を中止する。そして、水蒸気生成
室２０内の水素が全て酸素と反応した後、水蒸気生成室
２０への酸素ガスの供給を中止する。その後、配管２６
を介して窒素ガスを水蒸気生成室２０に導入し、水蒸気
生成室２０内をパージする。尚、水蒸気の生成条件、酸
化条件は、基本的には発明の実施の形態１と同様とする
ことができる。

【００２６】以上、本発明を、発明の実施の形態に基づ
き説明したが、本発明はこれらに限定されるものではな
い。発明の実施の形態にて説明した装置は例示であり、
適宜設計変更することができる。発明の実施の形態２に
て説明した窒素ガスの導入による水蒸気生成室２０内の
パージを、発明の実施の形態１にて説明した装置に適用
することができる。また、発明の実施の形態にて説明し
た水蒸気の生成条件や酸化条件も例示であり、必要に応
じて適宜変更し得る。

【００２７】

【発明の効果】本発明の半導体装置におけるシリコン酸
化膜の形成方法においては、酸素プラズマと水素プラズ
マとの反応に基づき水蒸気を生成させるので、減圧下で
水蒸気を容易に且つ確実に生成させることが可能とな
り、減圧下での加湿酸化法にて薄いシリコン酸化膜を形
成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】発明の実施の形態１の半導体装置におけるシリ
コン酸化膜の形成方法の実施に適した装置の概念図であ
る。

【図２】発明の実施の形態２の半導体装置におけるシリ
コン酸化膜の形成方法の実施に適した装置の概念図であ
る。

【符号の説明】

１０・・・マグネトロン、１１・・・導波管、２０・・
・水蒸気生成室、３０，４０・・・酸化反応室、２１，
２２，２４，２６・・・配管、２３，２５，４１・・・
ヒーター、３１・・・基板載置台、３２・・・加熱用ラ
ンプ、３３，４２・・・排気部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水蒸気を含む気体雰囲気中で基体を酸化す
ることによってシリコン酸化膜を形成する方法であっ
て、少なくとも水素及び酸素を含む気体に電磁波を照射する
ことによって水蒸気を生成させることを特徴とする半導
体装置におけるシリコン酸化膜の形成方法。
【請求項２】電磁波はマイクロ波であることを特徴とす
る請求項１に記載の半導体装置におけるシリコン酸化膜
の形成方法。