JPH11307526A - 酸化膜の作製方法 - Google Patents

酸化膜の作製方法

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pressure
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 減圧酸化で、極薄膜の酸化膜を、膜厚を制御
性良く作製する方法を提供する。 【解決手段】 Ｓｉ基板上にＯ2 を導入してＳｉ基板上
にＳｉＯ2 膜を形成する方法において、Ｓｉ基板を加熱
炉に入炉する工程と、Ｎ2 を加熱炉に導入する工程と、
Ｏ2 を加熱炉に導入して、一定の酸化圧力に保つ工程
と、酸化圧力が一定に保たれている間に、一定の酸化温
度に昇温する工程と、酸化圧力が一定に保たれている間
に、前記一定の酸化温度を一定の酸化時間保持する工程
と、前記一定時間経過後、降温を開始すると同時に、Ｎ
2 を加熱炉に導入し、加熱炉内をＮ2で置換し、前記酸
化圧力よりも高い一定の圧力に、炉内の温度がほぼ室温
に低下するまで保持する工程とを含んでいる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、酸化膜の作製方
法、特にＭＯＳトランジスタのゲート酸化膜の作製方法
に関する。
【０００２】
【従来の技術】ＭＯＳトランジスタでは、素子の電気的
な性能を高めるために、きわめて薄いゲート酸化膜が用
いられている。現在、０．２５μｍルールでは、６０〜
７０Å厚さのゲート酸化膜が、０．１８μｍルールで
は、３０〜４０Å厚さのゲート酸化膜が用いられてい
る。さらに、集積密度が高まるに従い、例えば０．１３
μｍルールでは２０〜３０Å厚さのゲート酸化膜が要求
されている。
【０００３】ゲート酸化膜はデバイスの信頼度と特性を
左右するため、初期耐圧が高い、経時劣化が少ない、界
面に欠陥がない等の特性が要求される。このような特性
は、ドライ酸化を用いた熱酸化膜の特性が一番優れてい
る。この熱酸化法によれば、ＳｉをＯ2 雰囲気中で加熱
すると、絶縁性に優れたＳｉＯ2 膜が容易に作製でき
る。ＳｉＯ2 の膜厚を薄くするためには、酸化温度を下
げる、酸化時間を短くする、および、酸化圧力を下げる
３通りの方法が考えられる。
【０００４】一方、ゲート酸化膜は、前述したように初
期耐圧不良がない、経時劣化が生じない等の信頼度を満
足させる必要がある。膜厚を制御するために酸化温度を
下げると、初期耐圧が下がる、経時劣化が増大するとい
う問題がある。
【０００５】これに対し酸化時間を変える場合は、図１
に示すように（図１は、Ｓｉ基板をＯ2 雰囲気中におき
ＳｉＯ2 膜を作製する場合に、温度を１０００℃とした
ときの酸化時間と膜厚との関係を示すグラフである。酸
化圧力が７６０，１００，５０，２０，１０Ｔｏｒｒの
場合について、それぞれ示している。）、膜厚は酸化時
間にほぼ比例し、同じ酸化時間であれば、酸化圧力が低
い程、薄い膜厚のＳｉＯ2 を形成できることがわかる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】酸化時間を変えて膜厚
を制御する方式による場合、図１から明らかなように膜
厚が３０Å以下となると、減圧状態で酸化しなければな
らない。例えば、０．１３μｍルールで要求される２０
Å厚さのゲート酸化膜を作製しようとすると、図１のグ
ラフから明らかなように、例えば、酸化圧力を約５０Ｔ
ｏｒｒといったように減圧し、１０００℃で約２０秒間
加熱酸化することになる。さらに減圧すると、酸化時間
は長くなる。
【０００７】要求されるＭＯＳトランジスタのゲート酸
化膜の膜厚の要求公差は、膜厚が小さくなるに従って厳
しくなる。具体的には、膜厚が６０Åのとき±３Åであ
り、膜厚が４０Åのとき±２Åであり、膜厚が２０Åの
場合、±１Åである。なお、要求公差とは、Ｓｉ基板の
面内および基板間の公差である。
【０００８】しかし、酸化圧力が低くなるに従って、作
製される酸化膜の膜厚のバラツキが大きくなる。これを
避けるためにできるだけ高い圧力の下で酸化させようと
した場合、図１のカーブから明らかなように、酸化時間
が２０秒以下（１０秒以下でのグラフの変化は未知であ
るが）となる。
【０００９】このような短時間の酸化時間では、従来の
抵抗加熱の加熱炉を用いた場合、Ｓｉ基板の炉への出し
入れする時間中での酸化膜の成長があり、膜厚の制御性
が困難であるために膜厚が５０Å以下になると要求公差
を満足させることが困難になる。また、短時間で昇温・
降温する急速加熱炉（ランプ加熱炉）を使った場合で
も、炉内が減圧下であるために熱の伝導性が悪く、膜厚
が３０Å以下になるとＳｉ基板の面内バラツキが悪いと
いう問題点がある。
【００１０】したがって本発明の目的は、極薄膜の酸化
膜を、膜厚制御性良く作製する方法を提供することにあ
る。
【００１１】本発明の他の目的は、Ｓｉ基板の面内バラ
ツキの小さい酸化膜を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】従来技術による酸化時間
を変えて膜厚を制御する方法では、３０Å以下の膜厚を
制御性良く作製することは難しい。そこで本発明では、
酸化時間は一定にしておいて酸化圧力を変えて膜厚を制
御することを意図した。この場合、膜の制御性をできる
だけ高めるために、減圧された酸化圧力の中でも、でき
るだけ高い酸化圧力を利用すること、酸化時間は２０秒
以下とならないこと、自然酸化膜の生成をできるだけ抑
制すること、酸化反応は一定時間の酸化時間後、急速に
停止させることに留意して、本発明を完成した。また、
減圧酸化での制御に限らず、酸素分圧を制御することに
よっても、極薄の膜厚を制御性良く作製できることを見
い出した。
【００１３】本発明の一態様によれば、Ｓｉ基板上にＯ
2 を導入してＳｉ基板上にＳｉＯ2膜を形成する方法に
おいて、酸化温度を９００〜１２００℃の範囲内の一定
値とし、酸化時間を一定にして、減圧された酸化圧力
で、２０〜３０Åの厚さのＳｉＯ2 膜を形成する。
【００１４】また本発明の他の態様によれば、Ｓｉ基板
上にＯ2 とキャリヤガスとを導入してＳｉ基板上にＳｉ
Ｏ2 膜を形成する方法において、酸化温度を９００〜１
２００℃の範囲内の一定値とし、酸化時間を一定にし
て、減圧された酸素分圧で、２０〜３０Åの厚さのＳｉ
Ｏ2 膜を形成する。
【００１５】
【発明の実施の形態】本発明の一実施の態様をＭＯＳト
ランジスタのゲート酸化膜（ＳｉＯ2 ）を作製する場合
について説明する。酸化は、図２に示すハロゲンランプ
を用いた急速加熱炉１０を用いて行うものとする。この
加熱炉は、ハロゲンランプ１２を備えており、石英窓１
４を介して、基板支持棒１６に支持されたシリコン基板
１８を加熱する構造となっている。加熱炉１０には、ガ
ス導入口２０，２２、およびガス排出口２４が設けられ
ている。ガス排出口は、真空ポンプに接続されている。
【００１６】加熱炉１０に、Ｓｉ基板１８を入炉した
後、ガス流量，圧力，温度を変化させる。図３には加熱
炉内に導入するＯ2 ，Ｎ2 のガス流量（リットル／分）
の変化を、図４には加熱炉内の圧力（Ｔｏｒｒ）の変化
を、図５には加熱炉内の温度（℃）の変化を示す。これ
ら各図に示す横軸は時間（秒）を表している。
【００１７】Ｓｉ基板を入炉後、図３に示すように直ち
にＮ2 を導入し、図４に示すように時刻ｔ１（約５０秒
後）に圧力を１０Ｔｏｒｒにする。Ｎ2 を導入する理由
は、Ｓｉ基板の表面に自然酸化膜が形成されることを防
止するためである。自然酸化膜が形成されると、最終的
な膜厚がバラツキ、膜厚制御が難しくなるからである。
なお、基板表面の荒れを防止するためには、微量の例え
ば最低量１００ｐｐｍのＯ2 を導入してもよい。
【００１８】時刻ｔ１で、図３に示すようにＮ2 の導入
を停止し、Ｏ2 の導入を開始する。Ｏ2 の導入は、最初
の約１５秒は、流量を約１５リットル／分とし、その後
は約９リットル／分に低下させる。最初の流量を高めた
理由は、Ｎ2 を早くＯ2 と置換して、図４に示すように
圧力を一定の酸化圧力（５０Ｔｏｒｒ）に高めるためで
ある。
【００１９】そして、図５に示すように、時刻ｔ２（約
７５秒後）で昇温を開始し、時刻ｔ３（約９０秒後）で
一定の酸化温度（１０００℃）にまで高める。この酸化
温度を、図５に示すように、時刻ｔ４（約１２０秒後）
まで継続し、この間にＳｉ基板上に酸化膜ＳｉＯ2 を形
成する。形成されたＳｉＯ2 膜の膜厚は約２０Åであっ
た。
【００２０】図５に示すように、時刻ｔ４以後、降温過
程に入る。約３００秒後に、元の温度、例えば室温に戻
される。図３に示すように、時刻ｔ４で、Ｏ2 の導入を
停止し、続いてＮ2 を導入する。Ｎ2 の最初の流量は、
Ｏ2 の流量すなわち約９リットル／分とするが、時刻ｔ
５（約１３０秒後）で、約２０リットル／分に増大させ
る。その結果、圧力は１００Ｔｏｒｒと大きくなる。ま
た、この状態では、石英管内のガスは、Ｎ2 のみ、すな
わちＮ2 が１００％の状態となっている。したがって、
ＳｉＯ2 膜の形成は行われない。また、Ｎ2 を導入する
他の理由は、減圧下では基板温度が下がりにくいため、
比熱の大きいガスを導入して、基板温度を早く低下させ
るためである。したがって、Ｎ2 以外にも、基本的には
酸化に寄与しないガスであればよく、Ｈｅ，Ａｒ，Ｈ2
などを用いることができる。この場合、ガスの比熱が大
きいほど、基板の温度均一性が上がり、膜厚の面内分布
が改善される。ただ、水素を用いる場合は、いったん酸
素を他の（水素と反応しない）ガスで置換してから流す
必要がある。
【００２１】このＮ2 １００％の状態は、時刻ｔ６（約
２３０秒後）まで継続される。その後、時刻ｔ６，ｔ７
でＮ2 の流量を約１０リットル／分，約５リットル／分
というように段階的に低下させて、時刻ｔ８（約２４５
秒後）に、Ｎ2 の導入を停止する。圧力は、Ｎ2 の導入
状態に応じて、図４で示すように、徐々に低下する。
【００２２】本実施例によれば、ＳｉＯ2 膜を２０±１
Åの範囲で形成することができた。
【００２３】図６は、Ｏ2 を酸化温度１０００℃，酸化
時間３０秒で、酸化圧力を変えて、ＳｉＯ2 を形成した
ときの、膜厚と酸化圧力との関係を示すグラフである。
約５０Ｔｏｒｒの酸化圧力で約２０ÅのＳｉＯ2 膜を形
成できることがわかる。
【００２４】以上は、膜厚を減圧制御する場合について
説明したが、酸素分圧で制御することもできる。たとえ
ば、キャリヤガスＮ2 を７．５リットル／分、Ｏ2 を１
００ｃｃ／分の流量で流し、炉内を常圧に設定すれば、
Ｏ2 の分圧は１０Ｔｏｒｒとなる。Ｏ2 の分圧を１００
Ｔｏｒｒにする場合には、Ｎ2 の流量を６．６リットル
／分、Ｏ2 の流量を１リットル／分とすればよい。
【００２５】この場合、キャリヤガスとしては、Ｎ2 以
外に、Ｈｅ，Ａｒを用いることができる。
【００２６】Ｏ2 分圧で膜厚を制御した方が、酸化膜の
雰囲気の熱伝導率が良くなるため、酸化膜の均一性が高
くなる。
【００２７】
【発明の効果】本発明によれば、極薄の酸化膜を膜厚制
御性よく作製することが可能となった。特に、ＭＯＳト
ランジスタのゲート酸化膜において、０．１３μｍルー
ルにおける膜厚２０Åを±１Åの公差内で作製すること
ができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ｓｉ基板をＯ2 雰囲気中におきＳｉＯ2 膜を作
製する場合に、温度を１０００℃としたときの酸化時間
と膜厚との関係を示すグラフである。
【図２】急速加熱炉の構造を示す図である。
【図３】加熱炉内に導入するＯ2 ，Ｎ2 のガス流量（リ
ットル／分）の変化を示すグラフである。
【図４】加熱炉内の厚力（Ｔｏｒｒ）の変化を示すグラ
フである。
【図５】加熱炉内の温度（℃）の変化を示すグラフであ
る。
【図６】Ｏ2 を酸化温度１０００℃，酸化時間３０秒
で、酸化圧力を変えて、ＳｉＯ2を形成したときの、膜
厚と酸化圧力との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１０ 加熱炉 １２ ハロゲンランプ １４ 石英窓 １６ 基板支持棒 １８ シリコン基板 ２４ ガス排出口

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】基板上にＯ2 を導入して、基板上に酸化膜
    を形成する方法において、 酸化温度，酸化時間を一定にして、酸化圧力のみを変化
    させて酸化膜の膜厚制御を行うことを特徴とする酸化膜
    の作製方法。
  2. 【請求項２】Ｓｉ基板上にＯ2 を導入してＳｉ基板上に
    ＳｉＯ2 膜を形成する方法において、 酸化温度を９００〜１２００℃の範囲内の一定値とし、
    酸化時間を一定にして、減圧された酸化圧力で、２０〜
    ３０Åの厚さのＳｉＯ2 膜を形成することを特徴とする
    酸化膜の作製方法。
  3. 【請求項３】Ｓｉ基板上にＯ2 とキャリヤガスとを導入
    してＳｉ基板上にＳｉＯ2 膜を形成する方法において、 酸化温度を９００〜１２００℃の範囲内の一定値とし、
    酸化時間を一定にして、減圧された酸素分圧で、２０〜
    ３０Åの厚さのＳｉＯ2 膜を形成することを特徴とする
    酸化膜の作製方法。
  4. 【請求項４】Ｓｉ基板上にＯ2 を導入してＳｉ基板上に
    ＳｉＯ2 膜を形成する方法において、 Ｓｉ基板を加熱炉に入炉する工程と、 酸化に寄与しないガスを加熱炉に導入する工程と、 Ｏ2 を加熱炉に導入して、一定の酸化圧力に保つ工程
    と、 酸化圧力が一定に保たれている間に、一定の酸化温度に
    昇温する工程と、 酸化圧力が一定に保たれている間に、前記一定の酸化温
    度を一定の酸化時間保持する工程と、 前記一定時間経過後、降温を開始すると同時に、酸化に
    寄与しないガスを加熱炉に導入し、加熱炉内を酸化に寄
    与しないガスで置換し、前記酸化圧力よりも高い一定の
    圧力に、炉内の温度がほぼ室温に低下するまで保持する
    工程と、を含むことを特徴とする酸化膜の作製方法。
  5. 【請求項５】前記一定の酸化圧力は、１０〜７００Ｔｏ
    ｒｒの範囲内にある値であり、前記一定の温度は、９０
    ０〜１２００℃の範囲内にある値であることを特徴とす
    る請求項４記載の酸化膜の作製方法。
  6. 【請求項６】前記一定の酸化圧力は約５０Ｔｏｒｒであ
    り、前記一定の温度は約１０００℃であり、前記一定の
    酸化時間は約３０秒であり、前記酸化圧力よりも高い一
    定の圧力を約１００Ｔｏｒｒとすることを特徴とする請
    求項５記載の酸化膜の作製方法。
  7. 【請求項７】前記酸化に寄与しないガスは、Ｎ2 ，Ｈ
    ｅ，Ａｒ，Ｈ2 よりなる群から選択されることを特徴と
    する請求項４〜６のいずれかに記載の酸化膜の作製方
    法。
  8. 【請求項８】ＭＯＳトランジスタのゲート酸化膜を形成
    する方法において、 Ｓｉ基板を加熱炉に入炉する工程と、 酸化に寄与しないガスを加熱炉に導入する工程と、 Ｏ 2 を加熱炉に導入して、一定の酸化圧力に保つ工程
    と、 酸化圧力が一定に保たれている間に、一定の酸化温度に
    昇温する工程と、 酸化圧力が一定に保たれている間に、前記一定の酸化温
    度を一定の酸化時間保持し、ＳｉＯ2 基板上ＳｉＯ2 よ
    りなるゲート酸化膜を作製する工程と、 前記一定時間経過後、降温を開始すると同時に、酸化に
    寄与しないガスを加熱炉に導入し、加熱炉内を酸化に寄
    与しないガスで置換し、前記酸化圧力よりも高い一定の
    圧力に、炉内の温度がほぼ室温に低下するまで保持する
    工程と、を含むことを特徴とするゲート酸化膜の作製方
    法。
  9. 【請求項９】前記一定の酸化圧力は、１０〜７００Ｔｏ
    ｒｒの範囲内にある値であり、前記一定の温度は、約９
    ００〜１２００℃であることを特徴とする請求項８記載
    のゲート酸化膜の作製方法。
  10. 【請求項１０】前記一定の酸化圧力は、約５０Ｔｏｒｒ
    であり、前記一定の温度は約１０００℃であり、前記一
    定の酸化時間は約３０秒であり、前記酸化圧力よりも高
    い一定の圧力を約１００Ｔｏｒｒとすることを特徴とす
    る請求項９記載のゲート酸化膜の作製方法。
  11. 【請求項１１】前記酸化に寄与しないガスは、Ｎ2 ，Ｈ
    ｅ，Ａｒ，Ｈ2 よりなる群から選択されることを特徴と
    する請求項８〜１０のいずれかに記載のゲート酸化膜の
    作製方法。
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