(57)【要約】【課題】成膜後の熱処理を不要とした化学気相成長酸化膜を提供する。【解決手段】シリコン基板１に対し、熱酸化法による薄い酸化膜を生成し、その上に化学気相成長法による酸化膜を生成する。その場合に、熱酸化では、例えば、外気を化学気相成長装置内に供給すればよい。圧力は、１気圧すなわち７６０Ｔｏｒｒに維持される。温度は、例えば、化学気相成長の温度７００〜８００℃でよい。その場合に、処理時間として３０分程度ただ放置するだけでウエーハの全面にくまなく薄い熱酸化膜ができることが知られている。その膜厚は、１０Å程度となっている。熱酸化を化学気相成長装置内で行うのでなく、その前の工程の拡散装置内で行う方法も考えられる。この方法により、化学気相成長による酸化膜の下部に薄い酸化膜が生成される。その結果、シリコンと酸化膜との界面での格子欠陥を少なくできる。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学気相成長法により絶縁膜としての酸化膜を生成する工程を含む半導体素子の製造方法において、
不純物を導入してトランジスタのパターンを形成したシリコン基板を化学気相成長装置に搬入し、
当該化学気相成長装置内にクリーンルーム内の浄化大気を供給するとともに、当該化学気相成長装置内の温度を大気雰囲気内での熱酸化による酸化膜を安定して生成し得る最低限の温度以上で、かつシリコン基板に形成されたトランジスタの特性を劣化させない温度以下の温度の範囲に調整し、
当該温度および装置内気圧を大気雰囲気内での熱酸化による酸化膜の生成の制御が可能な最小限の時間にわたって維持し、これによって前記シリコン基板上に最小限の膜厚の熱酸化膜を生成し、その後、
前記化学気相成長装置内に所定の成膜材料ガスを供給し、当該熱酸化膜に連続させて化学気相成長による酸化膜の生成を開始させることを特徴とする半導体素子の製造方法。
【請求項２】
化学気相成長法により絶縁膜としての酸化膜を生成する工程を含む半導体素子の製造方法において、
不純物を導入してトランジスタのパターンを形成したシリコン基板を化学気相成長装置に搬入し、
当該化学気相成長装置内に常圧状態で純粋な酸素ガスを供給するとともに、当該化学気相成長装置内の温度を純粋な酸素雰囲気内での熱酸化による酸化膜を安定して生成し得る最低限の温度以上で、かつシリコン基板に形成されたトランジスタの特性を劣化させない温度以下の温度の範囲に調整し、
当該温度および装置内気圧を常圧状態の純粋な酸素ガス雰囲気内での熱酸化による酸化膜の生成の制御が可能な最小限の時間にわたって維持し、これによって前記シリコン基板上に最小限の膜厚の熱酸化膜を生成し、その後、
前記化学気相成長装置内に所定の成膜材料ガスを供給し、当該熱酸化膜に連続させて化学気相成長による酸化膜の生成を開始させることを特徴とする半導体素子の製造方法。
【請求項３】
化学気相成長法により絶縁膜としての酸化膜を生成する工程を含む半導体素子の製造方法において、
不純物を導入してトランジスタのパターンを形成したシリコン基板を化学気相成長装置に搬入し、
当該化学気相成長装置内に減圧状態で純粋な酸素ガスを供給するとともに、当該化学気相成長装置内の温度を純粋な酸素雰囲気内での熱酸化による酸化膜を安定して生成し得る最低限の温度以上で、かつシリコン基板に形成されたトランジスタの特性を劣化させない温度以下の温度の範囲に調整し、
当該温度および装置内気圧を減圧状態の純粋な酸素ガス雰囲気内での熱酸化による酸化膜の生成の制御が可能な最小限の時間にわたって維持し、これによって前記シリコン基板上に最小限の膜厚の熱酸化膜を生成し、その後、
前記化学気相成長装置内に所定の成膜材料ガスを供給し、当該熱酸化膜に連続させて化学気相成長による酸化膜の生成を開始させることを特徴とする半導体素子の製造方法。
【請求項４】
化学気相成長法により絶縁膜としての酸化膜を生成する工程を含む半導体素子の製造方法において、
拡散装置内でシリコン基板に対して熱拡散によって不純物を導入してトランジスタのパターンを形成した後、その拡散装置内に所定の圧力状態で所定の酸素含有ガスを供給するとともに、当該拡散装置内の温度を当該所定の酸素含有ガス雰囲気内での熱酸化による酸化膜を安定して生成し得る最低限の温度以上で、かつシリコン基板に形成されたトランジスタの特性を劣化させない温度以下の温度の範囲に調整し、
当該温度および装置内気圧を当該所定の酸素含有ガス雰囲気内での熱酸化による酸化膜の生成の制御が可能な最小限の時間にわたって維持し、これによって前記シリコン基板上に最小限の膜厚の熱酸化膜を生成し、その後、
当該熱酸化膜を形成したシリコン基板を化学気相成長装置に搬入し、
当該化学気相成長装置内に所定の成膜材料ガスを供給し、当該熱酸化膜に連続させて化学気相成長による酸化膜の生成を開始させることを特徴とする半導体素子の製造方法。
【請求項５】
膜厚が自然酸化膜の膜厚よりも厚く、かつ所定圧力下の所定酸素含有ガス雰囲気内での熱酸化による酸化膜の生成の制御が可能な一定の膜厚である熱酸化膜と、
当該熱酸化膜に連続して生成される化学気相成長による酸化膜とが形成されていることを特徴とする半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、化学気相成長法により生成される酸化膜であり、かつ絶縁特性の良好な酸化膜を有する半導体素子の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＭＯＳ電界効果トランジスタにおいて、ゲート絶縁膜として、一般的に用いられるのは、熱酸化膜であった。これは、熱酸化膜が絶縁耐圧が高く、リーク電流が少ない膜であり、シリコンと酸化膜との界面の電気的・物性的安定性などに優れているためである。ところが、このような熱酸化膜は、その成膜の制御が困難であるために、薄い酸化膜を生成することができなかった。このため、ゲート絶縁膜にトンネル効果を生じさせる必要がある場合のように、薄い酸化膜を生成する場合には、気相成長法が用いられる。ところが、このような気相成長法による酸化膜は、上述した絶縁特性が劣るものであった。このため、ゲート絶縁膜として、気相成長法による酸化膜を用いる場合、その酸化膜の絶縁特性の改善のため、成膜後に、熱処理を行っていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の方法では、以下のような問題があった。半導体集積回路の高集積化に伴い、シリコン基板上に形成されるトランジスタの構造が基板上における微細な構造となっている。それにより、基板の表面から浅い部分にソースとドレインのそれぞれの接合面が存在するようになっている。ところが、成膜後の熱処理のために基板の温度を１０００℃以上の高温度にしなければならなかったため、ソースとドレインの拡散層の抵抗が増加したり、しきい値電圧が変動するなどの問題があった。
一方、気相成長法により形成された酸化膜を、８００℃以下で、後から熱処理する方法では、酸素が不足しすぎて、シリコンとその酸化膜との界面に存在する格子欠陥を完全に修復することができず、酸化膜の特性の改善ができなかった。このため、その格子欠陥の部分で正孔や電子のトラップを抑制することができなかった。そして、これにより、Ｃ−Ｖ特性試験におけるＣ−Ｖ特性が悪くなるとともに、酸化膜の絶縁特性の低下を生じた。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、以上の課題を解決すべく、化学気相成長法による酸化膜の生成の前に、熱酸化法による薄い酸化膜を生成し、その上に化学気相成長法による酸化膜を生成するようにしたものである。その場合に、熱酸化では、例えば、外気を化学気相成長装置内に供給すればよい。外気といってもクリーンルーム内での空気清浄機により浄化された空気であるので、製造品質上の問題はない。また、圧力は、１気圧すなわち７６０Ｔｏｒｒに維持される。そのため、あとは温度と処理時間を調整するだけでよい。温度は、例えば、化学気相成長の温度７００〜８００℃でよい。その場合に、本発明の発明者の製造上の経験と実験の結果によれば、処理時間として３０分程度ただ放置するだけでウエーハの全面にくまなく薄い熱酸化膜ができることが知られている。その膜厚は、１０Å程度となっている。これが最も簡易かつ適切な解決手段であるが、他にもこれと類似した手段が考えられる。
【０００５】
例えば、第２の発明として、大気の代わりに、常圧状態での純粋な酸素雰囲気中で熱処理する方法が考えられる。また、第３の発明として、その純粋な酸素雰囲気を減圧状態とした方法が考えられる。さらに、第４の発明として、熱酸化を化学気相成長装置内で行うのでなく、その前の工程の拡散装置内で行う方法が考えられる。
【０００６】
〈作用〉
上述した方法によれば、化学気相成長による酸化膜の下部に薄い酸化膜が生成されるようになり、後から高温度で熱処理を行う必要がないようにできる。その結果、酸化膜の下側に形成されているトランジスタの特性の劣化を生じることのないようにできるものでありながら、界面での格子欠陥をも少なくできるものになっており、そのような格子欠陥による正孔や電子のトラップを軽減でき、Ｃ−Ｖ特性と絶縁特性の改善を図ることができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を種々の実施例をあげて説明する。
〈第１実施例〉
図１は、本発明に係る半導体素子の構造の説明図である。
まず、本発明の方法で製造される半導体素子を図１を参照して説明すると、これは、ＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ　Ｏｘｃｉｄｅ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）構造を利用した電界効果トランジスタである。図１において、シリコン基板１は、多結晶シリコンからなる。これには、ｐ型のものと、ｎ型のものとがあり、周知の通り、ｎチャネルトランジスタでは、これがｐ型であり、ｐチャネルトランジスタでは、これがｎ型である。このシリコン基板１には、熱拡散法などにより、不純物が導入され、ソース２とドレイン３との各領域が形成される。そして、その上に本発明の方法によって、ゲート絶縁膜４が形成される。さらに、その上には、ゲート５が取り付けられる。これによって、１つのトランジスタが構成される。このようなトランジスタは、データの記憶のための電荷の保持のために主に用いられるほか、周知の通り、種々の用途に用いられ、抵抗やコンデンサの代用としても用いられる。
【０００８】
上述したトランジスタにおいて、ゲート絶縁膜４は、熱酸化膜４１と、化学気相成長酸化膜４２とからなる。これらの酸化膜の生成の方法について、以下に説明する。まず、ソース２とドレイン３とを拡散装置内での熱拡散によってシリコン基板１に形成し、そのシリコン基板１を拡散装置から取り出して化学気相成長装置に搬入する。次に、化学気相成長装置内に大気を供給する。大気の中には、当然酸素も含まれていて、これがシリコン基板１の表面のシリコン原子と化学結合することによる酸化反応を生じ、二酸化シリコンからなる熱酸化膜４１が生成される。大気といっても、半導体製造工場内において空気清浄機により浄化されたクリーンルーム内の空気である。熱酸化の際の装置内圧力は、大気圧すなわち約７６０Ｔｏｒｒである。
【０００９】
また、温度は、化学気相成長の温度が最も適切である。その理由は、熱酸化膜４１を生成した後に、温度調整をすることなく、化学気相成長装置から空気を追い出して成膜材料ガスを供給するだけで直ちに化学気相成長を開始することができるからである。その結果、熱酸化膜４１と化学気相成長酸化膜４２との連続性がより確実に確保されると考えられる。この温度は、具体的には、７００〜８００℃である。しかし、熱酸化は、それよりもっと低い温度でも開始することができる。室温でも酸化は生じるが、安定して酸化膜を生成し得る最低限の温度がある。その温度は具体的には、約５５０℃である。また、熱酸化処理の温度は、シリコン基板１に形成されたトランジスタの特性を劣化させるような高温であってはならず、上限値がある。その上限値は、具体的には、８５０℃である。
【００１０】
ところが、このような熱酸化膜４１の膜厚の制御は、相当困難である。シリコン基板１を搭載したウエーハ表面に対して均一に大気中の酸素分子が付着せず、また、高温により酸化が急速化することによりウエーハ表面の酸化が均一になされず、むらを生じやすいからである。そのために、温度は化学気相成長温度に近くするとしても、なるべく低い方がよく、加熱の時間はウエーハ表面がまんべんなく、一通り酸化し得る最低限の時間にとどめなければならない。具体的には、温度を７００〜８００℃とし、３０分加熱するのが経験上好ましいと考えられる。その場合に、シリコン基板１の表面に形成される熱酸化膜４１の膜厚は、１０Å程度となる。その後、化学気相成長装置内に、シランやシリコン有機化合物などからなる成膜材料ガスを供給し、熱酸化膜４１に連続させて化学気相成長酸化膜４２を生成する。
【００１１】
次に、上述のようにして製造される半導体素子について、本発明の発明者は、その特性について試験を行っているので、その結果を示す。
図２は、本発明に係る半導体素子のＴＤＤＢ（Ｔｉｍｅ　Ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ　Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｂｒｅａｋｄｏｗｎ）特性を従来の半導体素子のＴＤＤＢ特性と比較した図である。これは、いわゆる５０％ＴＤＤＢであり、作成試料の５０％が絶縁破壊する時間を示す。この図２のグラフの横軸の数値は、図３の表に示されており、従来が７．４秒であったのに対し、本発明により１７．５秒に改善されている。
【００１２】
図３は、ＴＤＤＢ特性試験の実験データの説明図である。
この試験は、定電流ストレス試験であり、以下の手順で行った。まず、シリコン酸化膜の測定試料を作成した。この試料は、本発明の方法によるものと、本発明との比較の対象として従来技術である化学気相成長法のみによるものと、さらに、理想的な絶縁膜となる熱酸化膜のみからなるものをそれぞれ作成した。これらの試料は、実用される種々のトランジスタのパターンに対応して５２パターンの拡散領域パターンをシリコンウエーハ上のチップ上に作成した。作成した試料の膜厚は、従来技術のものについては、１６１．４Åであり、均一性すなわち最大膜厚と最小膜厚との差は３．２Åであった。本発明のものについては、１６３．１Åであり、均一性は３．２Åであった。また、熱酸化膜については、１５２．８Åであり、均一性は０．４Åであった。各試料は、面積が０．０２ｍｍ２である。そして、ここに、−４Ｅ×１０−５Ａ（アンペア）の一定電流を流した。その際の限界電圧は、１２Ｖ（ボルト）とした。この一定電流は、小電流であるが、微細な構造を持つ素子にとってみれば、大電流である。よって、この電流に耐えられる時間が絶縁耐力の指標となる。
【００１３】
一定電流を流していくと、試料内に電荷が蓄積していき、バイアス電圧は図２に示すように微増していった。そして、バイアス電圧が限界電圧を越える前に急激に低下し、０となった。この時点で絶縁破壊が生じたことになる。作成した試料の中には、不良も含まれており、絶縁耐力が極端に小さいものもあると考えられる。そこで、５２パターンの試料のうちの５０％が絶縁破壊する時間を表す指標として、全試料の５０％に相当する２６個目の試料が絶縁破壊した時間を記録し、その直前のバイアス電圧を破壊電圧として記録した。５０％破壊時間は、従来技術については、７．４秒、本発明については、１７．５秒、熱酸化膜については、９３．１秒であった。この結果、本発明の方法により、絶縁耐力が従来技術よりも２倍以上改善されていることがわかった。また、破壊電圧は、従来技術については、３．８Ｖ、本発明については、３．８Ｖ、熱酸化膜については、２．１Ｖであった。熱酸化膜の破壊電圧が低かったのは、破壊時間が長かったことと何らかの関係があると考えられる。
【００１４】
図４は、Ｃ−Ｖ特性試験の実験データの説明図である。
この試験も、ストレス試験である。図３に示した実験での絶縁破壊は、基本的に高電界ストレスによって酸化膜中に形成されるトラップと密接な関係があると考えられる。すなわち、高電界によりファウラー・ノルドハイムのトンネル電流が流れ、次第にトラップが増加する。それによって、局所的な電界の高まりと電流密度の増大が生じ、やがて臨界点に達して雪崩あるいは熱により急激に破壊に至る。そこで、従来技術と本発明と熱酸化膜との３者の場合について、それぞれ同一の電界ストレスをかけて、Ｃ−Ｖ特性を調べ、トラップの形成のされ方の違いを３者間で調べることとした。その前に、まず、ストレスをかける前のＣ−Ｖ特性を３者について調べる必要がある。そして、ストレスをかけた後のＣ−Ｖ特性を３者について調べ、それぞれについてストレス前後の変化を調べる。これにより、トラップ数の差が調べられる。Ｃ−Ｖ特性試験は、周知のものであるため、詳しい理論は省略するが、フラットバンド（ＦＢ）電圧の差を調べることにより、その目的を達成できる。
【００１５】
ストレス前のＦＢ電圧は、従来の技術については、−０．９０Ｖ、本発明については、−０．９４Ｖ、熱酸化膜については、−１．０６Ｖであった。ストレスは、以下の条件でかけた。周波数を１ＭＨｚとし、面積０．０２ｍｍ２の試料に対し、−４Ｅ−６Ａの電流を流して、ストレスが１．０　Ｃ／ｃｍ２となるようにした。Ｃ−Ｖ特性曲線を求める際のバイアス電圧の範囲は、−１０〜５Ｖとした。すなわち、ストレス時間は、５０秒となった。つまり、−４Ｅ−６Ａ×５０秒＝−２Ｅ−４Ｃ（クーロン）が０．０２ｍｍ２に対するストレスとなる。これを１ｃｍ２に対するストレスに換算すると、１．０　Ｃ／ｃｍ２となる。図３に示す膜厚の試料について、酸化膜にかかる電圧は、−５Ｖとなった。
【００１６】
ストレス後のＦＢ電圧は、従来の技術については、−２９．３０Ｖ、本発明については、８．４２Ｖ、熱酸化膜については、−５．０４Ｖであった。よって、ＦＢ電圧の差は、従来の技術については、−２８．４０Ｖ、本発明については、−７．４８Ｖ、熱酸化膜については、−３．９８Ｖとなった。この結果、本発明により、ＦＢ電圧差を縮めることができており、酸化膜中のトラップ数を低減できていることがわかった。しかも、今回の実験によると、その値は、熱酸化膜の値にかなり近づいている。ところが、図３の結果では、５０％破壊時間については、本発明の値は熱酸化膜の値と比べると、まだかけはなれている。これは、絶縁破壊がシリコンと酸化膜の界面でのトラップによるストレス以外の要因で生じたことを示しているとも考えられる。
【００１７】
〈第２実施例〉
第２実施例は、第１実施例において、熱酸化の工程で化学気相成長装置に供給していた大気を純粋な常圧酸素ガスに代えたものである。第２実施例によれば、成膜後の膜質改善の熱処理を不要とできるほか、純粋酸素雰囲気による安定した膜厚制御も可能となる。
【００１８】
〈第３実施例〉
第３実施例は、第２実施例において、常圧としていた酸素ガスを減圧としたものである。第３実施例によれば、第２実施例の効果に加えて、減圧により熱酸化がゆっくりと進み、良質な熱酸化膜が得られる。
【００１９】
〈第４実施例〉
第４実施例では、第１〜第３実施例とは異なり、熱酸化を拡散装置内で行う。まず、拡散装置内での熱拡散によってソース２とドレイン３とをシリコン基板１に形成する。次に、拡散装置内に例えば大気を供給する。大気の中には、当然酸素も含まれていて、これがシリコン基板１の表面のシリコン原子と化学結合することによる酸化反応を生じ、二酸化シリコンからなる熱酸化膜４１が生成される。大気といっても、半導体製造工場内において空気清浄機により浄化されたクリーンルーム内の空気である。熱酸化の際の装置内圧力は、大気圧すなわち約７６０Ｔｏｒｒである。
また、温度は、安定して酸化膜を生成し得る最低限の温度、具体的には、約５５０℃から、シリコン基板１に形成されたトランジスタの特性を劣化させない上限値、具体的には、８５０℃の範囲である。
【００２０】
その後、シリコン基板１を拡散装置から取り出して、化学気相成長装置内に搬入し、当該化学気相成長装置内に、シランやシリコン有機化合物などからなる成膜材料ガスを供給し、熱酸化膜４１に連続させて化学気相成長酸化膜４２を生成する。
第４実施例によれば、成膜後の膜質改善の熱処理を必要としない絶縁膜の形成が可能となるほか、拡散装置により、安定した膜厚制御をしながら、良質な熱酸化膜を形成できる。
【００２１】
尚、本発明は、上述した実施例に限らず、本発明の要旨の範囲内で種々の変形ができることはもちろんである。例えば、本発明の方法により生成される酸化膜の用途としてゲート絶縁膜としての用途について述べたが、これに限らず、多層配線の場合の層間絶縁膜としての用途も考えられる。
【００２２】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、大気などの雰囲気中で薄い熱酸化膜を生成し、その上に化学気相成長の酸化膜を生成して絶縁膜としての酸化膜を形成するようにしたので、成膜後の膜質改善の熱処理を必要としない絶縁膜を形成することが可能となる。また、大気を純粋な常圧酸素ガスに代えれば、成膜後の膜質改善の熱処理を不要とできるほか、純粋酸素雰囲気による安定した膜厚制御も可能となる。さらに、常圧とした酸素ガスを減圧とすれば、以上の効果に加えて、減圧により熱酸化をゆっくりと進ませることができ、良質な熱酸化膜を得ることができる。さらにまた、熱酸化を拡散装置内で行うようにすれば、拡散装置により、安定した膜厚制御をしながら、良質な熱酸化膜を形成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る半導体素子の構造の説明図である。
【図２】本発明に係る半導体素子のＴＤＤＢ特性を従来の半導体素子のＴＤＤＢ特性と比較した図である。
【図３】ＴＤＤＢ特性試験の実験データの説明図である。
【図４】Ｃ−Ｖ特性試験の実験データの説明図である。
【符号の説明】
１　シリコン基板
４　ゲート絶縁膜
４１　熱酸化膜
４２　化学気相成長酸化膜
【図１】
2004047661.tif 000003
【図２】
2004047661.tif 000004
【図３】
2004047661.tif 000005
【図４】
2004047661.tif 000006