JPH09172011A

JPH09172011A - 酸化膜形成方法

Info

Publication number: JPH09172011A
Application number: JP33018795A
Authority: JP
Inventors: Yoshikazu Tanabe; 義和田辺; Satoru Sakai; 哲酒井; Nobuyoshi Kashu; 信義夏秋
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1995-12-19
Filing date: 1995-12-19
Publication date: 1997-06-30

Abstract

(57)【要約】【課題】良好な膜厚再現性を有し、且つＨやＯＨの取
り込みが抑制された酸化膜形成方法を提供する。【解決手段】処理チャンバ１内の半導体ウェハを酸化
雰囲気中で加熱して酸化膜を形成する酸化膜形成方法で
あり、触媒作用で水素を化学的に活性化し得る反応器２
６内に導入するとともにこの反応器２６を水素の発火点
以下の温度に加熱して水素ラジカルを生成し、この水素
ラジカルを処理チャンバ１内に導入される酸素と反応さ
せて水を生成しつつ半導体ウェハ上に酸化膜を形成して
行く酸化膜形成方法である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体ウェハ上への
酸化膜形成方法に関し、特に、極薄且つ良好な電気的特
性を要求される酸化膜の形成に適用して有効な技術に関
する。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイスに用いられる酸化膜は、
半導体ウェハを酸化雰囲気中で酸化して得られる熱酸化
膜と、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition ）法により
得られるＣＶＤ酸化膜とに大別される。前者の酸化膜は
パッド酸化膜、フィールド酸化膜、ゲート酸化膜および
キャパシタ酸化膜などに、また、後者の酸化膜は配線下
や配線上の層間絶縁膜に用いられている。これらの酸化
膜にはそれぞれに要求特性が異なっているが、最も厳し
い特性が要求されるものはゲート酸化膜である。そし
て、ゲート酸化膜はデバイスのスケーリング則に従って
微細化されるＭＯＳＦＥＴの性能を維持するために、更
なる薄膜化が要求されている。

【０００３】なお、薄膜形成技術を詳しく記載している
例としては、たとえば、株式会社工業調査会発行、「19
91年版超ＬＳＩ製造・試験装置ガイドブック」（平成
2年11月20日発行）、 P21〜 P27がある。

【０００４】熱酸化膜は、半導体ウェハを加熱下にお
き、これに酸化剤として酸素と水素との混合気体を導入
して形成されるが、水素ガスがたとえば1000℃といった
高温の処理チャンバ内や大気圧に近い排気ダクトで着火
するおそれを未然に排除するために、予め酸素中で燃焼
させて水分を発生させる方法が採られている。ここで
は、火炎が消えることなく安定して燃焼させるために水
素はある程度の流量で供給されており、また、燃焼反応
で水素ガスが残らないように、酸素は水素の1/2 倍以上
の流量で供給されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このような条件下での
酸化膜形成では、酸素と結びつく水素の量が多くなるた
めに必然的に過剰の水が生成されることになる。

【０００６】生成された水が反応管経路に付着すると、
水分の供給量が各半導体ウェハ毎に区々となり、膜厚再
現性が悪くなって安定した膜厚制御ができなくなる。そ
して、半導体ウェハの大口径化に伴って処理条件を均一
化し得る枚葉処理が推進されている今日、前記したＭＯ
ＳＦＥＴにおける薄膜化の要求からうかがわれるよう
に、かかる膜厚制御の困難性は素子微細化の観点から大
きな問題となっていくことが予想される。

【０００７】また、水分濃度が高いと、膜中にＨやＯＨ
が取り込まれて薄膜中や界面にＳｉ−Ｈ結合やＳｉ−Ｏ
−Ｈ結合の構造欠陥が発生し、これがホットキャリア注
入などの電圧ストレスの印加で容易に切断されて電荷ト
ラップとなり、素子特性（たとえばＭＯＳＦＥＴのゲー
ト酸化膜における高電界ストレス耐性）の劣化を助長し
て信頼性の低下を招来することになる。

【０００８】そこで、本発明の目的は、良好な膜厚再現
性のもとで熱酸化による薄膜を形成することのできる技
術を提供することにある。

【０００９】本発明の他の目的は、ＨやＯＨの取り込み
が抑制された熱酸化による薄膜を形成することのできる
技術を提供することにある。

【００１０】本発明の前記ならびにその他の目的と新規
な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかに
なるであろう。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、
次のとおりである。

【００１２】すなわち、本発明による酸化膜形成方法
は、処理チャンバ内の半導体ウェハを酸化雰囲気中で加
熱して酸化膜を形成する熱酸化での酸化膜形成方法であ
り、触媒作用で水素を化学的に活性化し得る反応器内に
導入するとともに反応器を水素の発火点以下の温度に加
熱して水素ラジカルを生成する第１の工程と、この水素
ラジカルを処理チャンバ内に導入される酸素と反応させ
て水を生成しつつ半導体ウェハ上に酸化膜を形成して行
く第２の工程とを有することを特徴とするものである。

【００１３】この酸化膜形成方法で、第１の工程の前お
よび第２の工程の後において処理チャンバ内に不活性ガ
スのみを導入し、半導体ウェハの成膜時間をこの不活性
ガスの導入タイミングにより調整するようにしてもよ
い。また、ＭＯＳＦＥＴにおけるゲート酸化膜をこの形
成方法で形成してもよい。

【００１４】上記した手段によれば、水素の流量を所望
のレベルに設定することができ、超低水分化された熱処
理雰囲気中で半導体ウェハ上に酸化膜を形成することが
可能になる。

【００１５】これにより、反応管経路への水の付着が低
減できて熱酸化処理の条件が均一化され、良好な膜厚再
現性のもとで酸化膜を形成することが可能になる。ま
た、膜中へのＨやＯＨの取り込みを大幅に抑制すること
ができ、構造欠陥が防止されて安定した素子特性による
高信頼性を有するデバイスを得ることが可能になる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明す
るための全図において、同一の機能を有する部材には同
一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

【００１７】（実施の形態１）図１は本発明の一実施の
形態である酸化膜形成方法に用いられる成膜装置の処理
チャンバを示す概略図、図２は図１のII−II線に沿う断
面図、図３は図１の処理チャンバに接続されるガス導入
部を示す説明図、図４は本実施の形態の酸化膜形成方法
により得られた酸化膜の電界ストレスと電荷トラップ数
との関係を示す図である。

【００１８】図１および図２に示す成膜装置の処理チャ
ンバ１は、たとえば多重壁石英管で構成されて酸化膜形
成のための半導体ウェハＷが収容されるチャンバ本体２
を有しており、このチャンバ本体２には、後述するＨ₂
ガス（水素）やＯ₂ガス（酸素）といった原料ガスＧが
導入されるガス導入口２ａが形成されている。ガス導入
口２ａの反対側は開口されており、導入された原料ガス
Ｇを外部に排出するための排気口３ａが形成されたスリ
ーブ３が該開口部の周縁を取り囲むようにしてシール材
４を介して取り付けられている。そして、スリーブ３に
は前記したチャンバ本体２の開口部を閉塞するエンドプ
レート５ａが取り付けられている。

【００１９】図２に示すように、チャンバ本体２の上下
には、半導体ウェハＷを加熱するためのヒータ６ａ，６
ｂが設けられている。このヒータ６ａ，６ｂはガス導入
口２ａ側に取り付けられたエンドプレート５ｂとスリー
ブ３とに挟まれるようにして設置されており、半導体ウ
ェハＷをたとえば1000℃程度に加熱するようになってい
る。なお、加熱温度を測定するため、温度センサである
熱電対７がチャンバ本体２内に突出して設置されてい
る。

【００２０】チャンバ本体２内には半導体ウェハＷを保
持するサセプタ８が、たとえば石英またはＳｉＣ（シリ
コンカーバイド）からなり半導体ウェハＷの熱分布を均
一化する均熱リング９上に設置されている。そして、均
熱リング９はエンドプレート５ａの内側から延びた支持
アーム１０に支持されて室内中央に位置しており、した
がって、サセプタ８上の半導体ウェハＷは室内の中央部
に固定される。

【００２１】チャンバ本体２内のガス導入口２ａ側には
室内の幅方向に沿って隔壁１１が設けられている。隔壁
１１には多数の貫通孔１１ａが開設されており、図示す
るように、導入された原料ガスＧは該貫通孔１１ａによ
り室内に均一に行き渡るようになっている。

【００２２】このような構造の処理チャンバ１に接続さ
れるガス導入部２１は、図３に示すように、原料ガスで
あるＨ₂ガスおよびＯ₂ガス、ならびに不活性ガスであ
るＮ₂ガス（窒素）の３種のガスが貯留されたガス貯留
槽２２ａ，２２ｂ，２２ｃから処理チャンバ１に至る管
路を形成している。なお、不活性ガスとしてはＡｒ（ア
ルゴン）など他の種々のものを適用することができる。

【００２３】それぞれのガス貯留槽２２ａ，２２ｂ，２
２ｃから延びる配管上にはマスフローコントローラ２３
ａ，２３ｂ，２３ｃが設置されて処理チャンバ１への供
給量を厳密に制御することができるようになっている。
これに加え、各配管上には逆流を防止してガスを処理チ
ャンバ１への一方向のみに流す逆止弁２４ａ，２４ｂ，
２４ｃ、およびガス貯留槽２２ａ，２２ｂ，２２ｃから
処理チャンバ１へ至るガスの流路を開閉する開閉バルブ
２５ａ，２５ｂ，２５ｃがマスフローコントローラ２３
ａ，２３ｂ，２３ｃから処理チャンバ１に向かう経路上
に設置されている。

【００２４】図示するように、ガス貯留槽２２ａ，２２
ｂ，２２ｃからの配管は開閉バルブ２５ａ，２５ｂ，２
５ｃを過ぎたところで集合しており、この集合配管上に
反応器２６が設置されている。反応器２６は、たとえば
ハステロイ製のケーシング２６ａ内にＮｉ（ニッケル）
製の配管２６ｂが螺旋状に収容されたもので、この中を
Ｈ₂ガスが通ると、Ｎｉの持つ触媒作用により化学的活
性に富み相手方の原料ガスであるＯ₂ガスと化学反応を
起こしやすい水素ラジカルとなる。なお、配管２６ｂは
螺旋状に形成されている必要はない。また、配管２６ｂ
の材料はＮｉに限定されるものではなく、Ｐｄ（パラジ
ウム）、Ｐｔ（白金）などＨ₂ガスをラジカル化し得る
他の種々の材料を用いることができる。

【００２５】反応器２６の近傍にはこれを加熱するため
のヒータ２７が設置されている。そして、このヒータ２
７で加熱される反応器２６でＨ₂ガスのラジカル化が促
進されるとともに、加熱温度をＨ₂ガスの発火点（ 580
〜 600℃）以下の温度である350〜 500℃程度とするこ
とによってＨ₂ガスが着火するおそれを未然に排除して
いる。

【００２６】このような構成の成膜装置では、半導体ウ
ェハＷには次のようにしてその表面に酸化膜が形成され
る。

【００２７】先ず、開閉バルブ２５ｃのみを開き、ガス
貯留槽２２ｃからＮ₂ガスを処理チャンバ１内に供給し
ながら半導体ウェハＷをサセプタ８上に載置する。マス
フローコントローラ２３ｃにより、このときのＮ₂ガス
の流量はたとえば10リットル/minとする。なお、ヒータ
６ａ，６ｂを作動させて半導体ウェハＷを加熱し、ま
た、ヒータ２７を作動させて反応器２６を加熱してお
く。

【００２８】次に、開閉バルブ２５ｃを閉じてＮ₂ガス
の供給を停止し、開閉バルブ２５ａ，２５ｂを開いて、
今度はＨ₂ガスおよびＯ₂ガスを処理チャンバ１内に導
入する。このときの各処理ガスの流量は、マスフローコ
ントローラ２３ａ，２３ｂによりたとえば 200cc/min、
たとえば 200cc/minにそれぞれ設定する。ここで、Ｈ₂
ガスはヒータ２７により加熱された反応器２６内のＮｉ
製の配管２６ｂの触媒作用により化学的に活性化され、
水素ラジカルが生成される（Ｈ₂→Ｈ^*）（第１の工
程）。水素ラジカルが生成されると、これが処理チャン
バ１内に導入されるＯ₂ガスと反応して水が生成される
（Ｈ^*＋Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ）。前述のようにＨ₂ガスの流量
が少量であることから水の生成量も少なく、したがっ
て、処理チャンバ１内における処理雰囲気中の水分供給
量は数百cc/minオーダの非常に低いレベルに保持され
る。そして、かかる雰囲気の処理チャンバ１内で半導体
ウェハＷに酸化膜を形成する（第２の工程）。なお、処
理雰囲気中の水分供給量は数百cc/minオーダに固定され
るものではなく、Ｈ₂ガスの流量調整により低水分領域
から数リットル/minオーダまでの広範囲で精密に制御す
ることができる。したがって、作業者は必要な水分量に
対応したＨ₂ガスの流量を選定することができる。

【００２９】このように、Ｈ₂ガスをラジカル化してＯ
₂ガスと結合させて水を生成するようにすれば、Ｈ₂ガ
スの処理チャンバ１内への導入が燃焼に頼ることなく防
止されるので、Ｈ₂ガスの流量を所望のレベルに設定す
ることが可能になる。したがって、前述のように、チャ
ンバ本体２内の水分供給量を数百cc/minオーダにまで下
げることができ、超低水分化された熱処理雰囲気中で半
導体ウェハＷ上に酸化膜を形成することができる。

【００３０】これにより、水は殆ど反応管経路に付着す
ることがなく、熱酸化処理の条件が各半導体ウェハＷ間
で均一化されて安定した膜厚制御が可能になり、得られ
た酸化膜の膜厚再現性は極めて良好になる。

【００３１】また、低水分供給量で酸化膜形成を行うこ
とができるので、膜中へのＨやＯＨの取り込みが抑制さ
れて構造欠陥が防止され、電圧ストレスの印加による電
荷トラップの発生密度が低減される。したがって、安定
した素子特性による高信頼性を有するデバイスを得るこ
とが可能になる。

【００３２】ここで、図４において、該酸化膜における
電界ストレスと電荷トラップ数との関係を模式的に示
す。この図から明らかなように、破線で示す高水分濃度
下で形成された酸化膜では電界ストレスが高くなると電
荷トラップ数が多くなっているのに比べ、実線で示す低
水分濃度下で形成された酸化膜は高い電界ストレスを印
加しても電荷トラップ数は低いレベルにとどまり、安定
したストレス耐性を示していることがわかる。したがっ
て、最も厳しい特性が要求されるＭＯＳＦＥＴのゲート
酸化膜を本技術を適用して形成した場合、良好な電気的
特性を得ることができる。

【００３３】たとえば10分程度原料ガスを供給して薄膜
形成を行った後、開閉バルブ２５ａ，２５ｂを閉じてＨ
₂ガスおよびＯ₂ガスの供給を止め、再び開閉バルブ２
５ｃを開いてＮ₂ガスを処理チャンバ１内に送り込む。
これにより、半導体ウェハＷの表面酸化が停止する。こ
のように、成膜時以外は不活性ガスであるＮ₂ガスを流
すことにより、半導体ウェハＷの成膜時間をＮ₂ガスの
導入タイミングでコントロールすることができ、成膜条
件をより一層均一化することができる。

【００３４】（実施の形態２）図５は本発明の一実施の
形態である酸化膜形成方法に用いられる成膜装置の他の
処理チャンバを示す断面図である。

【００３５】本実施の形態における処理チャンバ１は、
上下から半導体ウェハＷを加熱する手段としてランプ３
６ａ，３６ｂが用いられているものである。このよう
に、加熱源は実施の形態１に示すヒータに限定されるも
のではなく、ランプ３６ａ，３６ｂなど他の種々のもの
を用いることができる。

【００３６】以上、本発明者によってなされた発明をそ
の実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前
記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸
脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもな
い。

【００３７】

【発明の効果】本願において開示される発明のうち、代
表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以
下のとおりである。

【００３８】(1).すなわち、本発明の酸化膜形成技術に
よれば、水素をラジカル化して酸素と反応させて水を生
成しつつ半導体ウェハ上に酸化膜を形成するようにして
いるので、水素の流量を所望のレベルに設定することが
可能になる。これにより、処理チャンバ内の水分供給量
をたとえば数百cc/minあるいはそれ以下の数cc/minから
数リットル/minまでの広範な領域にわたって制御するこ
とが可能になり、超低水分化された熱処理雰囲気中で半
導体ウェハ上に酸化膜を形成することができる。

【００３９】(2).したがって、反応管経路への水の付着
がなくなって熱酸化処理の条件が各半導体ウェハ間で均
一化され、良好な膜厚再現性のもとで酸化膜を形成する
ことが可能になる。

【００４０】(3).また、超低水分濃度で酸化膜形成を行
うことができるので、膜中へのＨやＯＨの取り込みを大
幅に抑制することができる。これにより、構造欠陥が防
止されて、たとえばＭＯＳＦＥＴのゲート酸化膜におい
ては電圧ストレスの印加による電荷トラップの発生密度
が低減される等、安定した素子特性による高信頼性を有
するデバイスを得ることが可能になる。

【００４１】(4).さらに、成膜時以外は処理チャンバ内
に不活性ガスを流すことにより、半導体ウェハの成膜時
間を不活性ガスの導入タイミングでコントロールするこ
とができ、成膜条件をより一層均一化することが可能に
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態による酸化膜形成方法に
用いられる成膜装置の処理チャンバを示す概略図であ
る。

【図２】図１のII−II線に沿う断面図である。

【図３】図１の処理チャンバに接続されるガス導入部を
示す説明図である。

【図４】本発明の一実施の形態である酸化膜形成方法に
より得られた酸化膜の電界ストレスと電荷トラップ数と
の関係を示す図である。

【図５】本発明の一実施の形態である酸化膜形成方法に
用いられる成膜装置の他の処理チャンバを示す断面図で
ある。

【符号の説明】

１処理チャンバ２チャンバ本体２ａガス導入口３スリーブ３ａ排気口４シール材５ａ，５ｂエンドプレート６ａ，６ｂヒータ７熱電対８サセプタ９均熱リング１０支持アーム１１隔壁１１ａ貫通孔２１ガス導入部２２ａ〜２２ｃガス貯留槽２３ａ〜２３ｃマスフローコントローラ２４ａ〜２４ｃ逆止弁２５ａ〜２５ｃ開閉バルブ２６反応器２６ａケーシング２６ｂ配管２７ヒータ３６ａ，３６ｂランプＧ原料ガスＷ半導体ウェハ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】処理チャンバ内の半導体ウェハを酸化雰
囲気中で加熱して酸化膜を形成する酸化膜形成方法であ
って、触媒作用により水素を化学的に活性化し得る反応器内に
この水素を導入するとともに該反応器を水素の発火点以
下の温度に加熱して水素ラジカルを生成する第１の工程
と、この水素ラジカルを前記処理チャンバ内に導入される酸
素と反応させて水を生成しつつ前記半導体ウェハ上に酸
化膜を形成して行く第２の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２】請求項１記載の酸化膜形成方法であっ
て、前記第１の工程の前および前記第２の工程の後にお
いて前記処理チャンバ内に不活性ガスのみを導入し、前
記半導体ウェハの成膜時間をこの不活性ガスの導入タイ
ミングにより調整することを特徴とする酸化膜形成方
法。
【請求項３】請求項１または２記載の酸化膜形成方法
において、前記酸化膜はＭＯＳＦＥＴにおけるゲート酸
化膜であることを特徴とする酸化膜形成方法。