JPH11283975A - 薄くて均一な酸化物を低い温度で形成する方法 - Google Patents
薄くて均一な酸化物を低い温度で形成する方法Info
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Classifications
-
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/40—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/43—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
- H01L29/49—Metal-insulator-semiconductor electrodes, e.g. gates of MOSFET
- H01L29/51—Insulating materials associated therewith
-
- H—ELECTRICITY
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- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
- H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
- H01L21/28—Manufacture of electrodes on semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/268
- H01L21/28008—Making conductor-insulator-semiconductor electrodes
- H01L21/28017—Making conductor-insulator-semiconductor electrodes the insulator being formed after the semiconductor body, the semiconductor being silicon
- H01L21/28158—Making the insulator
- H01L21/28167—Making the insulator on single crystalline silicon, e.g. using a liquid, i.e. chemical oxidation
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 厚さが均一で薄い酸化膜を低い温度で高い信
頼性をもって作成する方法を提供する。 【解決手段】 シリコン表面１２の上に薄くて均一な酸
化物１６を低い温度で作成する方法が開示される。この
方法は、清浄でかつ水素で終端されたまたは原子的に平
坦なシリコン表面１２を有する半導体基板１０の上に製
造途中の集積回路を備える段階と、基板を第１温度に安
定して保持する段階とを有する。この方法はさらに、基
板１０を第１温度に保持したままオゾンを含有する雰囲
気１４にシリコン表面をさらす段階を有する。この方法
において、前記さらす段階により均一な厚さの酸化物膜
１６が生成する。この方法は、処理工程を室温で行うこ
とに対しても適切である。
頼性をもって作成する方法を提供する。 【解決手段】 シリコン表面１２の上に薄くて均一な酸
化物１６を低い温度で作成する方法が開示される。この
方法は、清浄でかつ水素で終端されたまたは原子的に平
坦なシリコン表面１２を有する半導体基板１０の上に製
造途中の集積回路を備える段階と、基板を第１温度に安
定して保持する段階とを有する。この方法はさらに、基
板１０を第１温度に保持したままオゾンを含有する雰囲
気１４にシリコン表面をさらす段階を有する。この方法
において、前記さらす段階により均一な厚さの酸化物膜
１６が生成する。この方法は、処理工程を室温で行うこ
とに対しても適切である。
Description
【０００１】本出願は下記の出願中米国特許から優先権
が認められている。受付日 出願番号 名称 7/31/97 08/904,009 単結晶半導体基板の上に薄膜を沈着する方法
が認められている。受付日 出願番号 名称 7/31/97 08/904,009 単結晶半導体基板の上に薄膜を沈着する方法
【０００２】
【発明の属する技術分野】本発明は、全体的にいえば、
薄い酸化物を低い温度で形成することに関する。さらに
詳細にいえば、本発明は、厚さが高度に均一な薄い酸化
物を形成することに関する。
薄い酸化物を低い温度で形成することに関する。さらに
詳細にいえば、本発明は、厚さが高度に均一な薄い酸化
物を形成することに関する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】半導体は、コンピュー
タやテレビジョンのような電子デバイスのための集積回
路に広く用いられている。典型的な場合には、これらの
集積回路は多数個のトランジスタを単結晶シリコン・チ
ップの上に組み合わせて用いており、それにより複雑な
機能を実行することができ、そしてデータを記憶するこ
とができる。半導体および電子装置の製造業者、および
最終のユーザは、さらに小型のパーケージで短い時間の
間にさらに多くの機能を実行することができ、一方にお
いて消費電力がさらに少ない、集積回路を要望してい
る。これらの目標に適合する通常の方法は、さらに小型
化することである。
タやテレビジョンのような電子デバイスのための集積回
路に広く用いられている。典型的な場合には、これらの
集積回路は多数個のトランジスタを単結晶シリコン・チ
ップの上に組み合わせて用いており、それにより複雑な
機能を実行することができ、そしてデータを記憶するこ
とができる。半導体および電子装置の製造業者、および
最終のユーザは、さらに小型のパーケージで短い時間の
間にさらに多くの機能を実行することができ、一方にお
いて消費電力がさらに少ない、集積回路を要望してい
る。これらの目標に適合する通常の方法は、さらに小型
化することである。
【０００４】小型化が進につれて、従来のＣＭＯＳ回路
に用いられるゲート誘電体の厚さに対して関心が持たれ
るようになった。ＣＭＯＳトランジスタにおける電流の
駆動は、ゲートの静電容量に正比例する。静電容量はゲ
ート誘電体の厚さに反比例するから、電流の駆動を大き
くするためには、従来の誘電体に対して厚さをさらに小
さくすることが要求される。現在の技術は、厚さが約５
ｎｍの二酸化シリコン（ＳｉＯ2 ）に基づく膜を用いて
いる。けれども予測では、将来の小さな寸法のデバイス
に対し厚さが２ｎｍ（２０オングストローム）の膜が必
要であるとされている。
に用いられるゲート誘電体の厚さに対して関心が持たれ
るようになった。ＣＭＯＳトランジスタにおける電流の
駆動は、ゲートの静電容量に正比例する。静電容量はゲ
ート誘電体の厚さに反比例するから、電流の駆動を大き
くするためには、従来の誘電体に対して厚さをさらに小
さくすることが要求される。現在の技術は、厚さが約５
ｎｍの二酸化シリコン（ＳｉＯ2 ）に基づく膜を用いて
いる。けれども予測では、将来の小さな寸法のデバイス
に対し厚さが２ｎｍ（２０オングストローム）の膜が必
要であるとされている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】このような厚さのＳｉＯ
2 ゲート誘電体は、製造の観点からは相当に困難で挑戦
的であるように見える。２ｎｍの膜の成長の工程を制御
するには、新規な厚さ制御が必要である。このような厚
さでは、ＳｉＯ2 を通しての直接のトンネル作用が起こ
ることがあるであろう。ただし、デバイスの特性に及ぼ
すこのトンネル電流の効果は、その動作を妨げる程では
ないかも知れない。トンネル電流は誘電体の厚さによっ
て指数関数的に変化するから、工程制御がわずかに変化
してもトンネル電流に大きな変化を生ずることがあり、
信頼性に関して多分問題点を生ずることになるであろ
う。
2 ゲート誘電体は、製造の観点からは相当に困難で挑戦
的であるように見える。２ｎｍの膜の成長の工程を制御
するには、新規な厚さ制御が必要である。このような厚
さでは、ＳｉＯ2 を通しての直接のトンネル作用が起こ
ることがあるであろう。ただし、デバイスの特性に及ぼ
すこのトンネル電流の効果は、その動作を妨げる程では
ないかも知れない。トンネル電流は誘電体の厚さによっ
て指数関数的に変化するから、工程制御がわずかに変化
してもトンネル電流に大きな変化を生ずることがあり、
信頼性に関して多分問題点を生ずることになるであろ
う。
【０００６】また別の問題点は、ゲート酸化物と基板の
チャンネル領域との間の界面に関する問題点である。チ
ャンネル領域の中における電子の界面散乱が限定的であ
るためには、この二酸化シリコン／シリコンの界面は非
常に平坦でかつ均一でなければならない。
チャンネル領域との間の界面に関する問題点である。チ
ャンネル領域の中における電子の界面散乱が限定的であ
るためには、この二酸化シリコン／シリコンの界面は非
常に平坦でかつ均一でなければならない。
【０００７】高速熱酸化および炉内焼き鈍しは、このゲ
ート酸化物を作成する２つの最新の方法である。けれど
もこれらの最新の方法では、厚さが約１．５ｎｍ、２ｎ
ｍ、または２．５ｎｍのゲート酸化物を有するデバイス
を実際的なデバイスにするためには、厚さの均一度と界
面の滑らかさとが高度であることが必要である。このよ
うな高度に均一な厚さと高度に滑らかな界面とを有する
ゲート酸化物を、信頼性をもって製造することはできな
い。
ート酸化物を作成する２つの最新の方法である。けれど
もこれらの最新の方法では、厚さが約１．５ｎｍ、２ｎ
ｍ、または２．５ｎｍのゲート酸化物を有するデバイス
を実際的なデバイスにするためには、厚さの均一度と界
面の滑らかさとが高度であることが必要である。このよ
うな高度に均一な厚さと高度に滑らかな界面とを有する
ゲート酸化物を、信頼性をもって製造することはできな
い。
【０００８】シリコン表面の上に薄いゲート酸化物を低
い温度で作成する方法が開示される。この方法は、清浄
なシリコン表面を有する半導体基板の上に製造途中の集
積回路を備える段階と、この基板を第１温度に安定して
保持する段階とを有する。この方法はさらに、この基板
を第１温度に保持したままこのシリコン表面をオゾンを
含有する雰囲気にさらす段階を有する。この方法では、
前記のさらす段階により厚さの均一な第１ゲート酸化物
膜が生成される。
い温度で作成する方法が開示される。この方法は、清浄
なシリコン表面を有する半導体基板の上に製造途中の集
積回路を備える段階と、この基板を第１温度に安定して
保持する段階とを有する。この方法はさらに、この基板
を第１温度に保持したままこのシリコン表面をオゾンを
含有する雰囲気にさらす段階を有する。この方法では、
前記のさらす段階により厚さの均一な第１ゲート酸化物
膜が生成される。
【０００９】オゾンを含有する雰囲気にシリコン表面を
さらす段階は、酸素分子を含む雰囲気にシリコン表面を
さらす段階と、一方において酸素の一部分をオゾンに転
換する紫外線でこの雰囲気の少なくとも一部分を照射す
る段階とを有することが好ましい。いくつかの実施例で
は、この雰囲気はさらにアルゴンのような不活性ガスを
含有する。シリコン表面のオゾンは、プラズマのような
励起されたエネルギ状態にはないことが好ましい。けれ
どもウエハから離れた位置にプラズマがあることは、さ
らに良好で受入れ可能である。
さらす段階は、酸素分子を含む雰囲気にシリコン表面を
さらす段階と、一方において酸素の一部分をオゾンに転
換する紫外線でこの雰囲気の少なくとも一部分を照射す
る段階とを有することが好ましい。いくつかの実施例で
は、この雰囲気はさらにアルゴンのような不活性ガスを
含有する。シリコン表面のオゾンは、プラズマのような
励起されたエネルギ状態にはないことが好ましい。けれ
どもウエハから離れた位置にプラズマがあることは、さ
らに良好で受入れ可能である。
【００１０】いくつかの実施例では、清浄なシリコン表
面は原子的に平坦である。典型的な場合の半導体基板
は、フィールド酸化物のようないくつかの構造体を既に
備えてた複数個の領域を有している。いくつかの実施例
では、基板は清浄で原子的に平坦である複数個のシリコ
ン表面を有している。このことは、シリコン表面の上に
ある層の中のエッチング用の「窓」により露出された表
面に、ゲート酸化物が作成される時に生ずることが可能
であり、またはマスクが除去された「島状領域」を除い
たシリコン表面に上側層が付加される時に生ずることが
可能である。
面は原子的に平坦である。典型的な場合の半導体基板
は、フィールド酸化物のようないくつかの構造体を既に
備えてた複数個の領域を有している。いくつかの実施例
では、基板は清浄で原子的に平坦である複数個のシリコ
ン表面を有している。このことは、シリコン表面の上に
ある層の中のエッチング用の「窓」により露出された表
面に、ゲート酸化物が作成される時に生ずることが可能
であり、またはマスクが除去された「島状領域」を除い
たシリコン表面に上側層が付加される時に生ずることが
可能である。
【００１１】いくつかの実施例では、第１温度は約２５
℃であり、そして酸化物膜の厚さは約１０オングストロ
ームである。また他の実施例では、第１温度は約２００
℃以上であることができる、または６００℃以上でさえ
あることができる。これらの温度は、図３に示されてい
るように、（３５オングストローム以上の）さらに厚い
酸化物を成長させるであろう。
℃であり、そして酸化物膜の厚さは約１０オングストロ
ームである。また他の実施例では、第１温度は約２００
℃以上であることができる、または６００℃以上でさえ
あることができる。これらの温度は、図３に示されてい
るように、（３５オングストローム以上の）さらに厚い
酸化物を成長させるであろう。
【００１２】この方法のまた別の特徴に従い、一時的シ
リコン層を作成するために、この方法はさらに第１酸化
物膜の上にシリコンの均一な厚い層を沈着する段階を有
する。この段階により一時的なシリコン層が作成される
が、この一時的なシリコン層の厚さは、酸化可能なシリ
コンの潜在的な厚さよりは大きくない厚さを有する。こ
の潜在的な厚さは、第２酸化物膜の作成のために計画さ
れた基板温度が決定されると定まる。この計画された温
度は、約２００℃よりは高くない。この計画された温度
は、酸化可能なシリコンの潜在的な厚さを実質的に決定
する。シリコンが沈着された後、この方法はさらに、基
板を計画された温度に保ったまま、この一時的シリコン
層をオゾンを含有する第２雰囲気にさらす段階を有す
る。このさらす段階により一時的シリコン層が酸化され
て、第１酸化物膜にまで広がる均一な厚さの第２酸化物
膜が作成され、それにより単一の（結合された）均一な
厚さの酸化物膜が生成する。
リコン層を作成するために、この方法はさらに第１酸化
物膜の上にシリコンの均一な厚い層を沈着する段階を有
する。この段階により一時的なシリコン層が作成される
が、この一時的なシリコン層の厚さは、酸化可能なシリ
コンの潜在的な厚さよりは大きくない厚さを有する。こ
の潜在的な厚さは、第２酸化物膜の作成のために計画さ
れた基板温度が決定されると定まる。この計画された温
度は、約２００℃よりは高くない。この計画された温度
は、酸化可能なシリコンの潜在的な厚さを実質的に決定
する。シリコンが沈着された後、この方法はさらに、基
板を計画された温度に保ったまま、この一時的シリコン
層をオゾンを含有する第２雰囲気にさらす段階を有す
る。このさらす段階により一時的シリコン層が酸化され
て、第１酸化物膜にまで広がる均一な厚さの第２酸化物
膜が作成され、それにより単一の（結合された）均一な
厚さの酸化物膜が生成する。
【００１３】いくつかの実施例では、この方法はさら
に、前記さらす段階の前に、基板を計画された基板温度
に安定して保持する段階を有する。
に、前記さらす段階の前に、基板を計画された基板温度
に安定して保持する段階を有する。
【００１４】
【発明の実施の形態】図１は本発明を用いる方法を説明
した概要図である。この方法によりシリコン基板の上に
均一でかつ非常に薄いＳｉＯ2 ゲート誘電体を作成する
ことができる。最初に、清浄な表面１２を有するＳｉ基
板１０が用意される。典型的な場合には、基板１０は製
造途中の集積回路を有し、その表面１２の一部分は裸の
シリコンまたは水素で不動態化されたシリコンであるで
あろう。この表面１２は、フィールド酸化物領域のよう
な構造体を既に有することができる、またはその上に既
に作成されている、またはその下の基板の中に作成され
た拡散領域のような他の構造体を既に有することができ
る。
した概要図である。この方法によりシリコン基板の上に
均一でかつ非常に薄いＳｉＯ2 ゲート誘電体を作成する
ことができる。最初に、清浄な表面１２を有するＳｉ基
板１０が用意される。典型的な場合には、基板１０は製
造途中の集積回路を有し、その表面１２の一部分は裸の
シリコンまたは水素で不動態化されたシリコンであるで
あろう。この表面１２は、フィールド酸化物領域のよう
な構造体を既に有することができる、またはその上に既
に作成されている、またはその下の基板の中に作成され
た拡散領域のような他の構造体を既に有することができ
る。
【００１５】滑らかで平坦なシリコン表面には、この方
法に従い（特に非常に薄い酸化物の場合）非常に均一な
酸化物が成長する傾向のあることが分かっている。した
がって、シリコン表面を終端している水素は通常は受入
れ可能な結果を生ずるけれども、非常に薄くかつ高度に
均一な多くの二酸化シリコンゲート誘電体に対し、下側
層が原子的に平坦である表面であることまたは表面の段
差が原子のレベルの程度であることが好ましい。現在の
目的に対しては、段差が原子のレベルの程度である表面
は、大部分の領域においてその表面の粗さの２乗平均は
非常に小さく、そして原子のレベルの程度で平坦である
表面と同程度であるであろう。段差が原子のレベルの程
度である表面を有するウエハは、一連の平坦な表面（テ
ラス）を隣接して有するであろう。典型的な場合には、
これらのテラスは基板ウエハの表面の全体に広がっては
いないであろうし、そしてこれらのテラスはウエハの上
の１個のデバイスにわたって広がっていることも要求さ
れないであろう。非常に薄いゲート誘電体の場合、隣接
しているテラスの段差が１原子または２原子の高さであ
ることが好ましいことが多い。
法に従い（特に非常に薄い酸化物の場合）非常に均一な
酸化物が成長する傾向のあることが分かっている。した
がって、シリコン表面を終端している水素は通常は受入
れ可能な結果を生ずるけれども、非常に薄くかつ高度に
均一な多くの二酸化シリコンゲート誘電体に対し、下側
層が原子的に平坦である表面であることまたは表面の段
差が原子のレベルの程度であることが好ましい。現在の
目的に対しては、段差が原子のレベルの程度である表面
は、大部分の領域においてその表面の粗さの２乗平均は
非常に小さく、そして原子のレベルの程度で平坦である
表面と同程度であるであろう。段差が原子のレベルの程
度である表面を有するウエハは、一連の平坦な表面（テ
ラス）を隣接して有するであろう。典型的な場合には、
これらのテラスは基板ウエハの表面の全体に広がっては
いないであろうし、そしてこれらのテラスはウエハの上
の１個のデバイスにわたって広がっていることも要求さ
れないであろう。非常に薄いゲート誘電体の場合、隣接
しているテラスの段差が１原子または２原子の高さであ
ることが好ましいことが多い。
【００１６】表面１２が清浄化された後、しかし酸素源
にさらされる前に、基板１０の温度が酸化温度に安定し
て保持される。図３に示されているように、この酸化温
度は要求されたオゾンに基づく酸化物の厚さに応じて実
質的に変化する。１．０ｎｍの場合、温度はほぼ２５℃
でなければならないことをこの図は示している。酸化物
の厚さが２．０ｎｍの場合には、ほぼ５００℃でなけれ
ばならない。同様に５３０℃では厚さ約２．５ｎｍの酸
化物が形成され、一方５５０℃では厚さ約３．５ｎｍの
高品質の酸化物が形成される。図３は、酸素圧力が４０
０トルである実質的に純粋な酸素の中で、ＵＶ光で発生
されたオゾンの下で得られた。他の方法で発生されたオ
ゾンの場合には、または異なる酸素圧力および／または
異なる酸素濃度で発生されたオゾンの場合には、要求さ
れた正確な厚さの酸化物を得るためには温度を調整する
ことが必要である。
にさらされる前に、基板１０の温度が酸化温度に安定し
て保持される。図３に示されているように、この酸化温
度は要求されたオゾンに基づく酸化物の厚さに応じて実
質的に変化する。１．０ｎｍの場合、温度はほぼ２５℃
でなければならないことをこの図は示している。酸化物
の厚さが２．０ｎｍの場合には、ほぼ５００℃でなけれ
ばならない。同様に５３０℃では厚さ約２．５ｎｍの酸
化物が形成され、一方５５０℃では厚さ約３．５ｎｍの
高品質の酸化物が形成される。図３は、酸素圧力が４０
０トルである実質的に純粋な酸素の中で、ＵＶ光で発生
されたオゾンの下で得られた。他の方法で発生されたオ
ゾンの場合には、または異なる酸素圧力および／または
異なる酸素濃度で発生されたオゾンの場合には、要求さ
れた正確な厚さの酸化物を得るためには温度を調整する
ことが必要である。
【００１７】正確でかつ繰返し可能である有用な厚さの
酸化物を低い温度で成長させることができるこの特徴
は、温度制御の問題点を大幅に緩和する。ウエハの全体
を酸化温度に安定して保持することができるこの特徴に
より、工程制御を精密に行うことが可能であり、したが
って均一で繰り返し可能な酸化物の厚さを得ることがで
きる。制御が簡単である炉の中に配置されたウエハの上
に、有用な熱酸化物を成長させることができる。この方
法により、電気的性質が良好な酸化物を作成できること
がまた分かった。このオゾンに基づく方法により、ブレ
ークダウン電圧が１２ＭＶ／ｃｍないし１３ＭＶ／ｃｍ
といった１０ＭＶ／ｃｍ以上であることを極く普通に達
成することができる。
酸化物を低い温度で成長させることができるこの特徴
は、温度制御の問題点を大幅に緩和する。ウエハの全体
を酸化温度に安定して保持することができるこの特徴に
より、工程制御を精密に行うことが可能であり、したが
って均一で繰り返し可能な酸化物の厚さを得ることがで
きる。制御が簡単である炉の中に配置されたウエハの上
に、有用な熱酸化物を成長させることができる。この方
法により、電気的性質が良好な酸化物を作成できること
がまた分かった。このオゾンに基づく方法により、ブレ
ークダウン電圧が１２ＭＶ／ｃｍないし１３ＭＶ／ｃｍ
といった１０ＭＶ／ｃｍ以上であることを極く普通に達
成することができる。
【００１８】清浄で温度が安定したウエハの表面１２
が、オゾン１４にさらされる。反応容器の中に酸素分子
が導入され、そしてこの酸素が水銀ランプで照射される
と（特に、１８３ｎｍおよび２５３ｎｍの発光線で照射
されると）、十分な量のオゾンが発生することが分かっ
た。水銀ランプを用いてオゾンを発生させる代わりに、
他の紫外線光源または低いエネルギを有する他のオゾン
源を用いることができる。高いエネルギを有するオゾン
源を用いることもできるが、励起されたオゾン分子がウ
エハと接触しないようにすることが好ましい。オゾン・
プラズマがウエハと接触することができる方法では、例
えば大幅に低いブレークダウン電圧を有するというよう
な、電気的性質が良好でない酸化物が形成されることが
分かった。オゾン・プラズマ法ではまた、均一性がそれ
程良好でなく、そして繰返し性に問題点のあることが分
かった。本発明の非プラズマ・オゾン法では、酸素／オ
ゾン１４の圧力を１マイクロトルから数気圧まで変える
ことができる。数百トルと１気圧の間の圧力を用いる場
合には、方法が簡単でありかつ良好な結果が得られる。
もし必要ならば、酸素／オゾン１４にアルゴンのような
不活性ガスを混ぜることができる。
が、オゾン１４にさらされる。反応容器の中に酸素分子
が導入され、そしてこの酸素が水銀ランプで照射される
と（特に、１８３ｎｍおよび２５３ｎｍの発光線で照射
されると）、十分な量のオゾンが発生することが分かっ
た。水銀ランプを用いてオゾンを発生させる代わりに、
他の紫外線光源または低いエネルギを有する他のオゾン
源を用いることができる。高いエネルギを有するオゾン
源を用いることもできるが、励起されたオゾン分子がウ
エハと接触しないようにすることが好ましい。オゾン・
プラズマがウエハと接触することができる方法では、例
えば大幅に低いブレークダウン電圧を有するというよう
な、電気的性質が良好でない酸化物が形成されることが
分かった。オゾン・プラズマ法ではまた、均一性がそれ
程良好でなく、そして繰返し性に問題点のあることが分
かった。本発明の非プラズマ・オゾン法では、酸素／オ
ゾン１４の圧力を１マイクロトルから数気圧まで変える
ことができる。数百トルと１気圧の間の圧力を用いる場
合には、方法が簡単でありかつ良好な結果が得られる。
もし必要ならば、酸素／オゾン１４にアルゴンのような
不活性ガスを混ぜることができる。
【００１９】このオゾンに基づく工程により、露出した
シリコンの表面１２の上に、非常に均一でかつ厚さが大
幅に大きい二酸化シリコンの層１６が形成される。この
酸化物層１６は、同じ温度でかつ同じ時間の間シリコン
をＯ2 にさらすことにより形成される従来の熱酸化物よ
りも、大幅に大きな厚さを有する。さらに重要なことは
この酸化物１６が、主としてその自己限定性のために、
再現性が非常に良く、そして均一度が非常に良いことで
ある。実質的に平坦であるシリコン表面に適用された場
合、この方法により、１０センチメートル（４インチ）
のテスト・ウエハの全体にわたって、３％よりも良い厚
さの均一度（３．０ｎｍの厚さの酸化物で０．１ｎｍよ
りも良い均一度）を有するＳｉＯ2 層が良好な再現性で
もって得られた。さらに好ましくは加熱を行うことによ
り、厚さの均一度を１％以下にすることも可能である。
実際、この方法による酸化物の厚さの均一度は、酸化法
それ自身により限定されるのではなく、現実的には多分
加熱による均一度によってのみ限定されるであろう。典
型的なトランジスタの配置設計または典型的なコンデン
サの配置設計では、酸化物１６にすぐ隣接してゲート
（またはコンデンサ）電極１６が備えられるであろう。
シリコンの表面１２の上に、非常に均一でかつ厚さが大
幅に大きい二酸化シリコンの層１６が形成される。この
酸化物層１６は、同じ温度でかつ同じ時間の間シリコン
をＯ2 にさらすことにより形成される従来の熱酸化物よ
りも、大幅に大きな厚さを有する。さらに重要なことは
この酸化物１６が、主としてその自己限定性のために、
再現性が非常に良く、そして均一度が非常に良いことで
ある。実質的に平坦であるシリコン表面に適用された場
合、この方法により、１０センチメートル（４インチ）
のテスト・ウエハの全体にわたって、３％よりも良い厚
さの均一度（３．０ｎｍの厚さの酸化物で０．１ｎｍよ
りも良い均一度）を有するＳｉＯ2 層が良好な再現性で
もって得られた。さらに好ましくは加熱を行うことによ
り、厚さの均一度を１％以下にすることも可能である。
実際、この方法による酸化物の厚さの均一度は、酸化法
それ自身により限定されるのではなく、現実的には多分
加熱による均一度によってのみ限定されるであろう。典
型的なトランジスタの配置設計または典型的なコンデン
サの配置設計では、酸化物１６にすぐ隣接してゲート
（またはコンデンサ）電極１６が備えられるであろう。
【００２０】図３には、時間と共に変化する非常に小さ
な成分をこの方法が有していることを示している。けれ
ども、温度／厚さの大抵の組合わせに対して、３０分な
いし６０分後には酸化速度は既に大幅に小さくなる。し
たがってこの工程は、妥当な反応時間を有するほぼ自己
終結型の工程である。このようにこの方法は、酸化時間
が大幅に変化しても、それにはあまり敏感ではない。
な成分をこの方法が有していることを示している。けれ
ども、温度／厚さの大抵の組合わせに対して、３０分な
いし６０分後には酸化速度は既に大幅に小さくなる。し
たがってこの工程は、妥当な反応時間を有するほぼ自己
終結型の工程である。このようにこの方法は、酸化時間
が大幅に変化しても、それにはあまり敏感ではない。
【００２１】図に示されているようにこの方法の場合、
温度が高くなればなる程、厚い酸化物ができるであろ
う。もし熱の供給が許容されるならば、５５０℃におい
て高品質で厚さが３．５ｎｍの熱酸化物を容易に得るこ
とができる。熟練工はさらに低い温度を時として好むこ
とがあるが、しかし図３に示された厚さよりは実質的に
厚い層が成長するであろう。この場合、図２に示された
ような余分の段階が付加されるけれども、しかし高度に
均一な酸化物がなお得られるであろう。
温度が高くなればなる程、厚い酸化物ができるであろ
う。もし熱の供給が許容されるならば、５５０℃におい
て高品質で厚さが３．５ｎｍの熱酸化物を容易に得るこ
とができる。熟練工はさらに低い温度を時として好むこ
とがあるが、しかし図３に示された厚さよりは実質的に
厚い層が成長するであろう。この場合、図２に示された
ような余分の段階が付加されるけれども、しかし高度に
均一な酸化物がなお得られるであろう。
【００２２】この変更実施例は、前記で説明したような
シリコン表面１２の上に高度に均一な二酸化シリコンの
層１６を作成する段階を最初に有する。次に、二酸化シ
リコン層１６の上に均一なシリコン層１８を沈着するこ
とが行われる。最後の酸化物層の厚さと均一度は、シリ
コン層１８の厚さに応じて変わるであろう。したがって
シリコン層１８は、化学蒸着または分子線エピタキシの
ような十分に制御された方法で作成されなければならな
い。次に、この新しいシリコン表面がまた別のオゾン／
酸素の雰囲気１４にさらされて、単一のＳｉＯ2 層２０
が形成される。この段階において、酸化物層２０の全体
の厚さは、シリコン層１８の厚さと下にあるＳｉＯ2 層
１６の厚さとにより決定される。けれども、酸素だけの
雰囲気の場合よりも、オゾンを含む雰囲気では完全な酸
化が行なわれ、シリコン層はさらに厚くなることができ
る。もし必要ならば、さらに厚い層を形成するために、
このシリコンの沈着と酸化とを繰り返すことができる。
シリコン表面１２の上に高度に均一な二酸化シリコンの
層１６を作成する段階を最初に有する。次に、二酸化シ
リコン層１６の上に均一なシリコン層１８を沈着するこ
とが行われる。最後の酸化物層の厚さと均一度は、シリ
コン層１８の厚さに応じて変わるであろう。したがって
シリコン層１８は、化学蒸着または分子線エピタキシの
ような十分に制御された方法で作成されなければならな
い。次に、この新しいシリコン表面がまた別のオゾン／
酸素の雰囲気１４にさらされて、単一のＳｉＯ2 層２０
が形成される。この段階において、酸化物層２０の全体
の厚さは、シリコン層１８の厚さと下にあるＳｉＯ2 層
１６の厚さとにより決定される。けれども、酸素だけの
雰囲気の場合よりも、オゾンを含む雰囲気では完全な酸
化が行なわれ、シリコン層はさらに厚くなることができ
る。もし必要ならば、さらに厚い層を形成するために、
このシリコンの沈着と酸化とを繰り返すことができる。
【００２３】図４は、本発明の金属・酸化物・シリコン
の電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）の実施例の図
である。電界効果トランジスタ２２は４つの主要な部
分、すなわち基板２４と、ソース２６と、ドレイン２８
と、ゲートとを有する。ここでゲートは、ゲート電極３
０と、薄い二酸化シリコン・ゲート誘電体３２とを有す
る。ＮＭＯＳトランジスタ２２の場合、Ｐ形基板２４は
Ｎ＋形ソース領域２６と、Ｎ＋形ドレイン領域２８とを
有する。ゲート誘電体３２は非常に薄くかつ非常に均一
な二酸化シリコンの膜であって、清浄化されたシリコン
基板２４をオゾンを用いて酸化することにより形成され
る。ＭＯＳＦＥＴトランジスタ２２はまた、側壁スペー
サ３４と、少量の不純物が添加されたドレイン（ＬＤ
Ｄ、lightlydoped drain)領域３６と、分離領域３８と
を有する。デバイスの具体的な機能および予定されてい
る処理工程に応じて、これらの特徴およびその他の特徴
を利用することができるまたは省略することができるこ
とは、当業者には容易に理解されるであろう。
の電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）の実施例の図
である。電界効果トランジスタ２２は４つの主要な部
分、すなわち基板２４と、ソース２６と、ドレイン２８
と、ゲートとを有する。ここでゲートは、ゲート電極３
０と、薄い二酸化シリコン・ゲート誘電体３２とを有す
る。ＮＭＯＳトランジスタ２２の場合、Ｐ形基板２４は
Ｎ＋形ソース領域２６と、Ｎ＋形ドレイン領域２８とを
有する。ゲート誘電体３２は非常に薄くかつ非常に均一
な二酸化シリコンの膜であって、清浄化されたシリコン
基板２４をオゾンを用いて酸化することにより形成され
る。ＭＯＳＦＥＴトランジスタ２２はまた、側壁スペー
サ３４と、少量の不純物が添加されたドレイン（ＬＤ
Ｄ、lightlydoped drain)領域３６と、分離領域３８と
を有する。デバイスの具体的な機能および予定されてい
る処理工程に応じて、これらの特徴およびその他の特徴
を利用することができるまたは省略することができるこ
とは、当業者には容易に理解されるであろう。
【００２４】これらの実施例は、ＮＭＯＳトランジスタ
について説明された。オゾンに基づく薄いゲート酸化物
の方法は、Ｓｉの添加不純物分布に実質的に依存しない
から、ＰＭＯＳデバイスまたはＣＭＯＳデバイスに対し
て本発明を実施する際には、または電気的漏洩が小さく
かつブレークダウン電圧が高くかつ薄くて非常に均一な
誘電体を必要とする。またはＳｉＯ2 に基づくコンデン
サに対して本発明を実施する際には、特別の変更実施例
を必要とはしないであろう。
について説明された。オゾンに基づく薄いゲート酸化物
の方法は、Ｓｉの添加不純物分布に実質的に依存しない
から、ＰＭＯＳデバイスまたはＣＭＯＳデバイスに対し
て本発明を実施する際には、または電気的漏洩が小さく
かつブレークダウン電圧が高くかつ薄くて非常に均一な
誘電体を必要とする。またはＳｉＯ2 に基づくコンデン
サに対して本発明を実施する際には、特別の変更実施例
を必要とはしないであろう。
【００２５】本発明の方法を用いて薄い酸化物層を作成
すると大きな利益が得られるけれども、フラッシュ・メ
モリ・セルの中の浮動ゲートの付近の誘電体のような厚
くて高品質の酸化物層を作成する場合に対しては、この
典型的な方法にさらに改良を加えた方法をまた提供する
ことができる。もし熱処理工程が許されるならば、この
オゾンに基づく方法を用いて１回の工程で比較的厚いＳ
ｉＯ2 を作成することができる、または前記で説明した
のと同様な積層方式でさらに厚い層を作成することがで
きる。これらの厚い層は６００℃または７００℃の温度
を必要とするであろうが、オゾンに基づく方法をそのよ
うに変更することにより、従来の酸化処理工程よりも低
い温度での処理工程が可能になる。このような低い温度
は熱処理工程を容易にするだけでなく、オゾンに基づく
処理工程の自己限定特性により、酸化物の電気的品質を
損なうことなく、処理工程の再現性および酸化物の厚さ
の均一度を改良することができる。
すると大きな利益が得られるけれども、フラッシュ・メ
モリ・セルの中の浮動ゲートの付近の誘電体のような厚
くて高品質の酸化物層を作成する場合に対しては、この
典型的な方法にさらに改良を加えた方法をまた提供する
ことができる。もし熱処理工程が許されるならば、この
オゾンに基づく方法を用いて１回の工程で比較的厚いＳ
ｉＯ2 を作成することができる、または前記で説明した
のと同様な積層方式でさらに厚い層を作成することがで
きる。これらの厚い層は６００℃または７００℃の温度
を必要とするであろうが、オゾンに基づく方法をそのよ
うに変更することにより、従来の酸化処理工程よりも低
い温度での処理工程が可能になる。このような低い温度
は熱処理工程を容易にするだけでなく、オゾンに基づく
処理工程の自己限定特性により、酸化物の電気的品質を
損なうことなく、処理工程の再現性および酸化物の厚さ
の均一度を改良することができる。
【００２６】いくつかの実施例について本発明を説明し
た。けれども、これらの実施例を種々に変更した実施例
も可能であることは、当業者には容易に分かるであろ
う。このような変更実施例はすべて、本発明の範囲内に
包含されるものと理解されなければならない。
た。けれども、これらの実施例を種々に変更した実施例
も可能であることは、当業者には容易に分かるであろ
う。このような変更実施例はすべて、本発明の範囲内に
包含されるものと理解されなければならない。
【００２７】以上の説明に関して更に以下の項を開示す
る。 （１） 清浄でかつ原子的に平坦なシリコン表面を備え
た半導体基板の上に製造途中の集積回路を備える段階
と、約２００℃よりも高くない第１温度に前記基板を安
定して保持する段階と、均一な厚さの第１ゲート酸化物
膜が形成されるように、オゾンを含有する雰囲気に前記
シリコン表面をさらす段階、および前記基板を第１温度
に保持する段階と、を有する、シリコン表面の上に薄い
ゲート酸化物を低い温度で作成する方法。
る。 （１） 清浄でかつ原子的に平坦なシリコン表面を備え
た半導体基板の上に製造途中の集積回路を備える段階
と、約２００℃よりも高くない第１温度に前記基板を安
定して保持する段階と、均一な厚さの第１ゲート酸化物
膜が形成されるように、オゾンを含有する雰囲気に前記
シリコン表面をさらす段階、および前記基板を第１温度
に保持する段階と、を有する、シリコン表面の上に薄い
ゲート酸化物を低い温度で作成する方法。
【００２８】（２） 第１項記載の方法において、オゾ
ンを含有する雰囲気に前記シリコン表面をさらす段階が
酸素分子を含有する雰囲気に前記シリコン表面をさらす
段階、および一方において酸素の一部分をオゾンに転換
する作用のある紫外線を前記雰囲気の少なくとも一部分
に照射する段階、を有する、前記方法。 （３） 第１項記載の方法において、前記半導体基板が
清浄でかつ原子的に平坦な複数個のシリコン表面を有す
る、前記方法。 （４） 第１項記載の方法において、前記第１温度が約
２５℃であり、および前記酸化物膜の厚さが約１０オン
グストロームである、前記方法。 （５） 第１項記載の方法において、前記第１温度が０
℃と２００℃の間にあり、および前記酸化物膜の厚さが
５オングストロームと２０オングストロームの間にあ
る、前記方法。 （６） 第１項記載の方法において、前記第１温度が約
２００℃である、前記方法。
ンを含有する雰囲気に前記シリコン表面をさらす段階が
酸素分子を含有する雰囲気に前記シリコン表面をさらす
段階、および一方において酸素の一部分をオゾンに転換
する作用のある紫外線を前記雰囲気の少なくとも一部分
に照射する段階、を有する、前記方法。 （３） 第１項記載の方法において、前記半導体基板が
清浄でかつ原子的に平坦な複数個のシリコン表面を有す
る、前記方法。 （４） 第１項記載の方法において、前記第１温度が約
２５℃であり、および前記酸化物膜の厚さが約１０オン
グストロームである、前記方法。 （５） 第１項記載の方法において、前記第１温度が０
℃と２００℃の間にあり、および前記酸化物膜の厚さが
５オングストロームと２０オングストロームの間にあ
る、前記方法。 （６） 第１項記載の方法において、前記第１温度が約
２００℃である、前記方法。
【００２９】（７） 第１項記載の方法において、第２
酸化物膜の形成のために計画された基板温度を決定する
段階であって、前記計画された温度が約２００℃よりは
高くなく、およびそれにより酸化可能なシリコンの潜在
的な厚さが実質的に決定される、計画された基板温度を
決定する前記段階と、酸化可能なシリコンの潜在的な厚
さよりも大きくない厚さを有する一時的シリコン層を作
成するために、前記第１酸化物の上に均一で厚いシリコ
ンの層を沈着する段階と、前記基板を前記計画された基
板温度に保持したまま、オゾンを含有する第２雰囲気に
前記一時的シリコン層をさらす段階と、をさらに有し、
前記さらす段階が前記一時的シリコン層を酸化し、それ
により生成された酸化物膜が前記第１酸化物膜にまで広
がり、そしてそれにより厚さが均一な結合膜が生成され
る、前記方法。 （８） 第７項記載の方法において、前記さらす段階の
前に前記基板を前記計画された基板温度に安定して保持
する段階、をさらに有する、前記方法。 （９） 第７項記載の方法において、前記結合酸化物膜
の厚さを増大するために、前記決定段階と、前記沈着段
階と、前記計画された温度段階においてさらす段階とを
少なくとも１回繰り返すことをさらに有する、前記方
法。 （１０） 第７項記載の方法において、前記第１温度お
よび前記計画された温度が約２５℃であり、および前記
結合酸化物膜の厚さが約２０オングストロームである、
前記方法。 （１１） 第１項ないし第１０項のいずれかに記載され
た方法において、前記ゲート酸化物膜の上にゲート電極
を作成する段階をさらに有する、前記方法。
酸化物膜の形成のために計画された基板温度を決定する
段階であって、前記計画された温度が約２００℃よりは
高くなく、およびそれにより酸化可能なシリコンの潜在
的な厚さが実質的に決定される、計画された基板温度を
決定する前記段階と、酸化可能なシリコンの潜在的な厚
さよりも大きくない厚さを有する一時的シリコン層を作
成するために、前記第１酸化物の上に均一で厚いシリコ
ンの層を沈着する段階と、前記基板を前記計画された基
板温度に保持したまま、オゾンを含有する第２雰囲気に
前記一時的シリコン層をさらす段階と、をさらに有し、
前記さらす段階が前記一時的シリコン層を酸化し、それ
により生成された酸化物膜が前記第１酸化物膜にまで広
がり、そしてそれにより厚さが均一な結合膜が生成され
る、前記方法。 （８） 第７項記載の方法において、前記さらす段階の
前に前記基板を前記計画された基板温度に安定して保持
する段階、をさらに有する、前記方法。 （９） 第７項記載の方法において、前記結合酸化物膜
の厚さを増大するために、前記決定段階と、前記沈着段
階と、前記計画された温度段階においてさらす段階とを
少なくとも１回繰り返すことをさらに有する、前記方
法。 （１０） 第７項記載の方法において、前記第１温度お
よび前記計画された温度が約２５℃であり、および前記
結合酸化物膜の厚さが約２０オングストロームである、
前記方法。 （１１） 第１項ないし第１０項のいずれかに記載され
た方法において、前記ゲート酸化物膜の上にゲート電極
を作成する段階をさらに有する、前記方法。
【００３０】（１２） 本発明は、全体的にいえば、低
い温度で薄い酸化膜を作成することに関する。さらに詳
細にいえば、本発明は厚さが均一で薄い酸化膜を作成す
ることに関する。シリコン表面１２の上に薄くて均一な
酸化物１６を低い温度で作成する方法が開示される。こ
の方法は、清浄でかつ水素で終端されたまたは原子的に
平坦なシリコン表面１２を有する半導体基板１０の上に
製造途中の集積回路を備える段階と、基板を第１温度に
安定して保持する段階とを有する。この方法はさらに、
基板１０を第１温度に保持したままオゾンを含有する雰
囲気１４にシリコン表面をさらす段階を有する。この方
法において、前記さらす段階により均一な厚さの酸化物
膜１６が生成する。この方法は、処理工程を室温で行う
ことに対しても適切である。
い温度で薄い酸化膜を作成することに関する。さらに詳
細にいえば、本発明は厚さが均一で薄い酸化膜を作成す
ることに関する。シリコン表面１２の上に薄くて均一な
酸化物１６を低い温度で作成する方法が開示される。こ
の方法は、清浄でかつ水素で終端されたまたは原子的に
平坦なシリコン表面１２を有する半導体基板１０の上に
製造途中の集積回路を備える段階と、基板を第１温度に
安定して保持する段階とを有する。この方法はさらに、
基板１０を第１温度に保持したままオゾンを含有する雰
囲気１４にシリコン表面をさらす段階を有する。この方
法において、前記さらす段階により均一な厚さの酸化物
膜１６が生成する。この方法は、処理工程を室温で行う
ことに対しても適切である。
【００３１】関連する出願 同じ譲渡人に譲渡された下記の出願中米国特許の内容
は、本出願の中に取り込まれている。シリアル番号 受付日 名称 08/904,009 7/31/97 単結晶半導体基板の上に薄膜を沈着する方法
は、本出願の中に取り込まれている。シリアル番号 受付日 名称 08/904,009 7/31/97 単結晶半導体基板の上に薄膜を沈着する方法
【図１】非常に薄くて均一な酸化物層を低い温度で作成
する方法を示した図であって、Ａは初期の段階の図、Ｂ
はＡの次の段階の図、ＣはＢの次の段階の図。
する方法を示した図であって、Ａは初期の段階の図、Ｂ
はＡの次の段階の図、ＣはＢの次の段階の図。
【図２】非常に薄くて均一な酸化物層を低い温度で作成
する方法を示した図であって、Ａは初期の段階の図、Ｂ
はＡの次の段階の図、ＣはＢの次の段階の図、ＤはＣの
次の段階の図。
する方法を示した図であって、Ａは初期の段階の図、Ｂ
はＡの次の段階の図、ＣはＢの次の段階の図、ＤはＣの
次の段階の図。
【図３】時間と、酸化物の厚さと、温度との関係を示し
た図。
た図。
【図４】薄くて均一な酸化物層をゲート誘電体として用
いた電界効果トランジスタの図。
いた電界効果トランジスタの図。
１０ 半導体基板 １２ シリコン表面 １４ 雰囲気ガス １６ 酸化物膜 ２１ 電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 バーリンダー ピー．エス．ブラー アメリカ合衆国 テキサス州プラノ，モン トローズ ドライブ 3924
Claims (1)
- 【請求項１】 清浄でかつ原子的に平坦なシリコン表面
を備えた半導体基板の上に製造途中の集積回路を備える
段階と、 約２００℃よりも高くない第１温度に前記基板を安定し
て保持する段階と、 均一な厚さの第１ゲート酸化物膜が形成されるように、
オゾンを含有する雰囲気に前記シリコン表面をさらす段
階、および前記基板を第１温度に保持する段階と、を有
する、シリコン表面の上に薄いゲート酸化物を低い温度
で作成する方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US6301097P | 1997-10-23 | 1997-10-23 | |
| US063010 | 1997-10-23 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11283975A true JPH11283975A (ja) | 1999-10-15 |
Family
ID=22046313
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP30139598A Pending JPH11283975A (ja) | 1997-10-23 | 1998-10-22 | 薄くて均一な酸化物を低い温度で形成する方法 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP0911869A3 (ja) |
| JP (1) | JPH11283975A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6524968B2 (en) | 2001-07-06 | 2003-02-25 | Oki Electric Industry Co., Ltd. | Method for forming insulating film and for manufacturing integrated circuit |
| JP2011192834A (ja) * | 2010-03-15 | 2011-09-29 | Advanced Power Device Research Association | 半導体装置および半導体装置の製造方法 |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE19922167A1 (de) * | 1999-05-12 | 2000-11-16 | Wacker Siltronic Halbleitermat | Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterscheibe |
| US6090707A (en) * | 1999-09-02 | 2000-07-18 | Micron Technology, Inc. | Method of forming a conductive silicide layer on a silicon comprising substrate and method of forming a conductive silicide contact |
-
1998
- 1998-10-22 JP JP30139598A patent/JPH11283975A/ja active Pending
- 1998-10-22 EP EP98308635A patent/EP0911869A3/en not_active Withdrawn
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6524968B2 (en) | 2001-07-06 | 2003-02-25 | Oki Electric Industry Co., Ltd. | Method for forming insulating film and for manufacturing integrated circuit |
| JP2011192834A (ja) * | 2010-03-15 | 2011-09-29 | Advanced Power Device Research Association | 半導体装置および半導体装置の製造方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP0911869A2 (en) | 1999-04-28 |
| EP0911869A3 (en) | 2002-05-08 |
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