JPS5910060B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置の製造方法

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JPS5910060B2
JPS5910060B2 JP2113776A JP2113776A JPS5910060B2 JP S5910060 B2 JPS5910060 B2 JP S5910060B2 JP 2113776 A JP2113776 A JP 2113776A JP 2113776 A JP2113776 A JP 2113776A JP S5910060 B2 JPS5910060 B2 JP S5910060B2
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JP
Japan
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oxidation
gas
wafer
oxide film
film thickness
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良昭 神垣
容吉 伊藤
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は半導体装置に用いられている熱酸化膜の形成法
に関し、均一な膜厚さらには均一な膜質の熱酸化膜を提
供する半導体装置の製造方法に関する。
従来半導体ウェハを熱酸化するときあるいは多数の半導
体ウェハを同時に熱酸化するとき、半導体ウェハ内ある
いは半導体ウェハ間において熱酸化膜に膜厚のバラツキ
がみられ、ときにこの膜厚のバラツキは相対誤差にして
10%にも及ぶことが起つている。
このような膜厚のバラツキ・不均一性はとくに熱酸化膜
か半導体装置のゲート酸化膜等に用いられているときは
その半導体装置の電気的特性にまで影響し特性バラツキ
を誘発し好ましくない効果を及ぼす。またこのような特
性バラツキは単に熱酸化膜厚によるのみならず、熱酸化
膜の膜質からも影響を受ける。したがつて本発明の目的
は、熱酸化膜の膜厚さらには膜質についてそれらのバラ
ツキが小さい熱酸化膜の製造法を提供するところにあり
、さらには均一な特性を持つ半導体装置を提供するとこ
ろにある。
熱酸化膜の膜厚のバラツキは、おもにその酸化行程にお
ける熱的な不均一性に起因している。
そしてウェハ内の膜厚バラツキの要因として酸化治具と
ウェハの比熱の違いが上げられる。一般にウェハが酸化
炉内に挿入された酸化初期には、酸化治具と接触してい
る部分は他の部分と比較して温度の上昇が遅〈そのため
にウェハ温度に不均一なムラが生ずる。そのために酸化
初期はウェハ内で酸化速度に違いが出るため酸化膜厚も
不均一になつてしまう。その後ウェハ全面が酸化温度に
対して熱的に平衡に達しても酸化初期の膜厚の不均一さ
がその後の酸化速度に影響するため、膜厚のバラツキは
最後まで残る。またウェハ間の膜厚バラツキの要因とし
て酸化炉内位置による放射熱伝導の違いが上げられる。
とくに多数の半導体ウェハを同時に熱酸化するとき、こ
の放射熱伝導は、酸化炉の管壁に面している箇所から熱
が伝わりはじめしだいに中心部へと伝わつていく様相を
呈する。そのためある間隔をへだてて立てならべられて
いるウェハの表面に形成された熱酸化膜のバラツキにつ
いてみると、管藍に面しているウェハほど膜厚が大きい
傾向にある。これら2つの膜厚バラツキの要因はいずれ
も酸化初期におけるウェハ温度の不均一性に起因するも
のである。従来これらのウェハ温度の不均一性を低減す
るために、酸化治具の材質・形状あるいはウェハの立て
ならべ方法等が工夫されてきているが改善効果はバラツ
キの大きさを半減した程度である。
最近半導体ウエハの径が大型化するにつれますますこれ
らの膜厚パラツキを低減する方法が要求されてきている
。そこで本発明は次の方法をとり膜厚バラツキを低減化
する。
すなわち、ウエハを酸化炉内に挿入した後ウエハが酸化
温度に対して熱平衡に達してから酸化を開始する方法を
とる。ウエハが熱平衡に達するまでは酸化炉内雰囲気に
は不活性ガスたとえばアルゴンガスあるいは窒素ガス等
を用い、酸化開始時に酸化種ガスを酸化炉内に導入する
。またウエハが酸化温度に対して熱平衡に達するまでの
間、不活性ガスの中に混合比1%以下の酸化種ガスを混
入することは、膜厚の均熱性に関して極めて有効である
。すなわち、酸化種ガス1(fl)以下の雰囲気内では
半導体ウエハの表面に酸化膜は形成されても高々100
λないしはそれ以下であり、酸化膜の成長は七の膜厚で
ほとんど止まつている0しかも膜厚バラツキは小さく高
々2〜3λないしそれ以下である。したがつて酸化開始
のために酸化炉内雰囲気を不活性ガスから酸化種ガスに
切り換えたときウエハは十分に酸化温度に対して熱的に
平衡に達しており、しかもバラツキの小さ麿均一な熱酸
化膜が形成されているため酸化速度もウエハ内あるいは
ウエハ間とも均一である。七のため七の後に形成される
べき熱酸化膜も極めて均一に形成される。第1図は、不
活性ガスとして窒素ガスを用いそれに対して1%の酸化
種ガスすなわち酸素ガスを・−用いたときの酸化速度と
酸化膜厚の関係を各酸化温度について示した図である。
この関係は金属の表面保護酸化膜の成長する関係と類似
の関係にあり酸化種ガスが1%以下になればさらに酸化
膜の成長は遅いものとなる。しかし1%以上では酸化(
速度の比較的はやい酸化機構が関与してしまい酸化膜の
成長は急速に増加していく。そのために酸化工程前のウ
エハが酸化温度に対して熱平衡に達する工程としては1
%以下の酸化種ガスを含む雰囲気を用いなくてはならな
い。また本発明は次の方法をとり膜質バラツキを低減化
する。
すなわち、ウエハは酸化炉内において酸化終了後も引き
続いて熱工程を受ける。このとき酸化炉内雰囲気は酸化
種ガスから不活性ガスに切り換える。このときウエハは
不活性ガス雰囲気内において熱工程を受けることにより
、ウエハ基板と酸化膜界面はアニール効果を受けて整合
が進む。この酸化後の熱工程において不活性ガスの中に
少量の酸化種ガスを混入しておくことは基板・界面特性
が電気的特性の面で改善されることが知られて}り半導
体装置の製造にとつて好ましい。
この点については米国の学術誌ジヤーナル・オブ・エレ
クトロケミカル・ソサエテイ;第122巻の1123頁
乃至1127頁に″EffectOfNitrOgen
andOxygen/NitrOgenMixture
8OnOxideChargesinMOSStruc
tures′5と題して掲載されている。この論文では
窒素ガス雰囲気中2〜50Cf11の酸素がスを用いる
ことが述べられている。しかしながら酸化種ガスの混合
比が1%を越えることは先にも述べたとおり酸化後熱工
程に}いても酸化がさらに進行していることであり所望
の膜厚の熱酸化膜が得たいという場合の膜厚制御の面に
関しては極めて不都合である。すなわち酸化後の熱工程
に}いて不活性ガスの中に混合比が1%以下となるよう
に酸化種ガスを用いることが、クエハ基板・界面の整合
特性および膜厚制御の両面から非常に有効である。
酸化の開始および終了時に1%以下の酸化種ガスを含む
不活性ガスを流すことの有効性については既に述べたが
、酸化種ガスの混合比を0%すなわち不活性がス100
%として流した場合は、半導体クエハ表面にしばしば悪
影響を与えることがわかつた。
すなわち100%の窒素ガスを1000℃以上の高温炉
に流し、シリコンウエハを挿入し,た場合、ウエハ表面
は窒素ガスにより気相エツチングを受け、荒れた面に変
化し、特に1050℃以上では5分程度の間に無数のピ
ツト状の微細な凹凸が観測される様になる。この現象は
高温になる程顕著であり、さらに窒化膜と思われる酸化
を妨げる膜が形成されることもある。従つて熱酸化の開
始時に用いるガスとしては酸化種の量を少くとも0.0
101)以上含む不活性ガスを用いる必要があり、混合
成分比の匍脚し易さから0.05%以上の酸化種を含む
ガスを用いることが望ましい。すなわち現存する酸化炉
は通常1t〜10t/分のガスを流すが、0.01%は
0.1cc〜1cc/分に相当し何とか制御し得る限界
であり、0.05(:f)の0.5〜5cc/分はマス
フロー制御等で正確に制御できる限界として実用性が高
く、且つその間に形成される酸化膜厚は1100℃、1
0分間で20A以下であり、膜厚制御の上からも全く問
題のない厚さであることから、0.05%は実用上適当
な酸化種の割合の下限と考えられる。以上は半導体ウエ
ハの酸化法について述べたが、この方法を適用するため
の装置として下記に説明する酸化炉を含む熱酸化装置が
考えられる。
すなわち通常の高温熱酸化炉において、酸素ガスの供給
配管と窒素ガスの供給配管を備え、炉内の反応管の内圧
を一定値以下に下げることなく、酸素と窒素の混合比を
任意に制御出来る機能を有している。この酸化炉のガス
供給法の特徴は、半導体ウエハを配列した酸化治具を挿
入する前に、ガス制御系を操作して、酸素/窒素比を1
0−2(1%)から0.01%の範囲の任意の値に設定
し、ウエハを配列した治具が所定の温度の場所に入つて
から一定時間後に酸素/窒素比を速かに増大させ、酸素
含有量の高い状態で所望の厚さの酸化膜を形成した後、
再び酸素/窒素比を10−2 (1%)以下に減少させ
て一定時間経過後、治具を一定の冷却率に従つて反応管
よりとり出すことが出来る。稀釈率の制御法としては通
常のフロート型流量計と弁による制御法をはじめとし手
動や自動の種種の方法力暎用できるが、マス・フロー・
コントローラを用いる電子的な制御方法が便利である。
この方法を用いる場合、スイツチを切替えることにより
酸素100%の状態から予め設定された酸素稀釈比に変
化させた後、自動ローダ作動しウエハを配列した酸化治
具が炉内に挿入され、一定時間(例えば5分)経過後、
ガスは酸素100%近い状態に変化する。ウエハをとり
出す時は、酸化終了時点で予めガス混合比を10−2以
下に変化させた後、自動ローダを作動させ治具を引出す
。この自動ローダとガス混合比の切換え操作は連動して
作動するシステムを組上げることが可能であり、生産装
置として高性能且つ便利な装置を実現できる。さて、い
ままで本発明の主旨ならびにその内容について詳しく述
べてきた力く以下に本発明を図面および実施例によつて
詳細に説明するが、これらは例示にすぎず、本発明の精
神を逸脱することなくいろいろな変形があり得ることは
勿論である。
実施例混合比0.1%の酸素/窒素ガス雰囲気の酸化炉
内にP型(100)面、4Ω,Cm半導体ウエハ10枚
を挿入した。
このとき酸化炉内温度は1100℃であり、炉内の総ガ
ス流量は2リツトル/分である。半導体ウエハ挿入10
分後に炉内雰囲気は酸素ガスのみに切り換え29分間の
酸化工程をとつた。この工程後再び酸素ガスから混合比
1%の酸素/窒素ガス雰囲気に酸化炉内を置換しそのま
ま6分間の熱工程を経た後、半導体ウエハを酸化炉内か
ら取り出した。これらの半導体ウエハについて、膜厚を
エリプソメータによつて測定したところ、ウエハ内膜厚
バラツキは750八を中心に±5λであり、ウエハ間膜
厚バラツキも750八を中心に±5八以内に入つていた
。またC−V測定から表面準位電荷量を求めたところ1
x1011,m−2以下でバラツキも小さい良好な膜質
であることが判明した。以上1実施例によつて本発明の
提供する新規な方式の半導体装置の製造方法を提案した
が、このような方法をとることにより膜厚のバラツキが
小さくさらに膜質も均一な熱酸化膜を得ることが可能と
なつた。
【図面の簡単な説明】
第1図は1%の酸化種ガスを用いたときの酸化温度と酸
化膜厚の関係を各酸イ[度について示した図である。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 半導体ウェハを不活性ガス中に0.01%〜1%の
    酸素を含む雰囲気中において加熱した後に酸化性雰囲気
    中で加熱することにより上記半導体ウェハの表面を酸化
    する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法
JP2113776A 1976-03-01 1976-03-01 半導体装置の製造方法 Expired JPS5910060B2 (ja)

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JPS52104870A JPS52104870A (en) 1977-09-02
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JP6791453B1 (ja) * 2020-05-08 2020-11-25 信越半導体株式会社 半導体基板の熱酸化膜形成方法
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