(57)【要約】【課題】特性や信頼性に優れたＭＩＳ構造を得ることが可能な成膜方法及び成膜装置を提供する。【解決手段】チャンバ１内に少なくとも主表面に半導体領域を有する半導体ウエハ３をセットする工程と、チャンバ１内にセットされた半導体ウエハ３の主表面にオゾン発生装置４からオゾン５を供給して半導体領域の表面を酸化する工程と、チャンバ１内にセットされた半導体ウエハ３の主表面に窒素プラズマ発生装置８から窒素ラジカル９を供給して半導体領域の表面を窒化する工程とを備えている。【選択図】    図１
2004247332.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器内に少なくとも主表面に半導体領域を有する基板をセットする工程と、
前記真空容器内にセットされた基板の主表面にオゾンを供給して前記半導体領域の表面を酸化する工程と、
前記真空容器内にセットされた基板の主表面に窒素ラジカルを供給して前記半導体領域の表面を窒化する工程と、
を備えたことを特徴とする成膜方法。
【請求項２】
前記酸化する工程と前記窒化する工程とを交互に繰り返し行う
ことを特徴とする請求項１に記載の成膜方法。
【請求項３】
前記酸化する工程と前記窒化する工程とを並行して行う
ことを特徴とする請求項１に記載の成膜方法。
【請求項４】
前記酸化する工程を最初に行い、その次に前記窒化する工程を行う
ことを特徴とする請求項１に記載の成膜方法。
【請求項５】
前記半導体領域は化合物半導体で形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の成膜方法。
【請求項６】
真空容器と、
前記真空容器内に設けられた支持手段と、
前記支持手段によって支持された基板の主表面にオゾンを供給するオゾン供給手段と、
前記支持手段によって支持された基板の主表面に窒素ラジカルを供給する窒素ラジカル供給手段と、
を備えたことを特徴とする成膜装置。
【請求項７】
前記オゾン供給手段による前記基板の主表面へのオゾンの供給を制御するオゾン供給制御手段をさらに備えた
ことを特徴とする請求項６に記載の成膜装置。
【請求項８】
前記窒素ラジカル供給手段による前記基板の主表面への窒素ラジカルの供給を制御する窒素ラジカル供給制御手段をさらに備えた
ことを特徴とする請求項６に記載の成膜装置。
【請求項９】
前記オゾン供給手段による前記基板の主表面へのオゾンの供給と前記窒素ラジカル供給手段による前記基板の主表面への窒素ラジカルの供給のシーケンスを制御するシーケンス制御手段をさらに備えた
ことを特徴とする請求項６に記載の成膜装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、成膜方法及び成膜装置、特に半導体の酸窒化技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体としてシリコンを用いた場合には、シリコンの熱酸化によって良質の酸化膜を形成することができることから、特性に優れたＭＩＳ型半導体素子を作製することが可能である。しかしながら、半導体としてＧａＡｓやＩｎＡｌＡｓといった化合物半導体を用いた場合、酸化或いは窒化によって酸化膜或いは窒化膜（絶縁膜）を形成すると、半導体と絶縁膜との界面近傍に高密度の欠陥が生じるため、特性に優れたＭＩＳ型半導体素子を作製することが困難である。そのため、半導体として化合物半導体を用いたＭＩＳ型半導体素子は未だ製品化されていない。
【０００３】
本願発明者等は、紫外線とオゾンによる酸化及び窒素プラズマによる窒化について、化合物半導体に与える影響について実験的に調べてきた。その結果、
（ａ）  酸化だけでは良好な界面が得られない
（ｂ）  窒化だけでは良好な界面が得られない
（ｃ）  酸化の後に窒化を行った場合にはある程度良好な界面が得られる
ことがわかった（非特許文献１及び非特許文献２参照）。
【０００４】
また、上述した実験事実と、既知の事項（化合物半導体表面に形成したシリコン酸化膜やシリコン窒化膜が化合物半導体に及ぼす歪み応力や、結晶が引っ張り応力に弱く且つ圧縮応力に比較的強いこと等）を考慮すると、
（ｄ）  酸化は界面近傍に中程度の圧縮歪みを与える
（ｅ）  窒化は界面近傍に非常に大きな引っ張り歪みを与える
（ｆ）  酸化後に窒化を行うと、処理時間等の条件が適当であれば、界面近傍の歪みが解消され得る
といったことが考えられる。
【０００５】
また、例えばＧａＡｓ表面を紫外線とオゾンにより８時間程度酸化し、その後に窒素プラズマ処理を４時間程度行うと、ある程度良好な界面特性が得られることが実験的に確認されている（非特許文献１及び非特許文献２参照）。しかしながら、酸化によって過度の圧縮応力を与えて半導体の界面近傍に欠陥を生じさせた後、窒化によって引っ張り応力を与えても、すでに生じた欠陥を十分に回復させることはできない。
【０００６】
図５は、紫外線とオゾンを用いた従来の酸化装置の構成を模式的に示した図である。
【０００７】
チャンバ１内には、紫外線ランプ６と温度制御機構付きステージ２が配置されており、ステージ２上に半導体ウエハ３がセットされる。オゾン発生装置４からは、５０００ｐｐｍ以上のオゾン５を含む酸素が、管５ａを通してチャンバ１内に供給される。半導体ウエハ３表面の酸化は、ほとんどがこのオゾンの作用によって行われる。紫外線はオゾンの再生に利用されると言われているが、本願発明者等の実験によれば、紫外線ランプ６からの紫外線は、半導体ウエハ３の酸化に対してほとんど影響を与えない。また、ステージ２の温度も、半導体ウエハ３の酸化に対して大きな影響を与えない。チャンバ１内は排気処理装置７によって排気され、チャンバ１内の圧力はほぼ１気圧に保たれる。
【０００８】
本装置によってＧａＡｓやＩｎＡｌＡｓの表面を酸化すると、ほぼ処理時間の平方根に比例した厚さの、ｎｍオーダーの極薄の酸化膜が得られる。このようにして得られた酸化膜の半導体／酸化膜界面近傍の半導体に及ぼす影響について、酸化膜を除去した後の半導体表面にショットキー接合を形成して調べた。その結果、酸化処理を行っていない場合と比較して、漏れ電流が２桁程度増加していることがわかった。これは、酸化処理によって界面近傍の半導体中に欠陥が生じたためであると考えられる。
【０００９】
図６は、窒素プラズマを用いた従来の窒化装置の構成を模式的に示した図である。
【００１０】
本装置では、チャンバ１内は真空排気ポンプ１０によって減圧状態になっている。窒素ガス或いは窒素ガスとアルゴンガスの混合ガスを窒素プラズマ発生装置８に供給し、プラズマによって発生した窒素ラジカル９がステージ２上の半導体ウエハ３に供給される。窒素ラジカルは反応性が高く極めて寿命が短いため、窒素プラズマから直接半導体ウエハ３に飛来する窒素ラジカルだけが窒化に寄与する。
【００１１】
このような装置を用いて窒化を行った場合、半導体の表面近傍に極めて高密度の欠陥が生じることが、透過電子顕微鏡による結晶の構造解析結果からわかっている。ただし、図５に示したような酸化装置によってＧａＡｓ表面に酸化膜を形成した後、図６に示した窒化装置で窒化処理を行うと、窒化処理時間が長すぎなければ、酸化によって生じたダメージを回復する方向の変化を示す。しかしながら、窒化処理時間が長くなり、窒素が酸化膜を通過して半導体内に侵入すると、界面の特性は劣化し始める。したがって、酸化装置内で酸化処理を行った後、半導体ウエハを窒化装置に移して窒化処理を行った場合、特性に優れたＭＩＳ構造を得ることはある程度可能であるが、再現性良く最良のＭＩＳ構造を実現することは困難である。
【００１２】
【非特許文献１】
Ｎ．Ｃ．Ｐａｕｌ，  Ｔ．Ｉｎｏｋｕｍａ，  Ｋ．Ｉｉｙａｍａ，  Ｓ．Ｔａｋａｍｉｙａ，  Ｈ．Ｈｉｇａｓｈｉｍｉｎｅ，  Ｎ．Ｏｈｔｓｕｋａ，  Ｙ．Ｙｏｎｅｚａｗａ，  ”Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ  ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｏｘｉｄａｔｅｄ，  ｎｉｔｒｉｄａｔｅｄ，  ａｎｄ  ｏｘｉ−ｎｉｔｒｉｄａｔｅｄ  （１００）  ＧａＡｓ  ｓｕｒｆａｃｅｓ”，  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｒｅｐｏｒｔ  ｏｆ  ＩＥＩＣＥ，  ２００２年８月，  ＥＤ２００２−１８６，  ｐ．５−１０
【００１３】
【非特許文献２】
中村一樹、ナラヤン・チャンドラ・ポール、武部正英、飯山宏一、高宮三郎、”ＭＩＳ／Ｓｃｈｏｔｔｋｙ  ダイオードによる酸化、窒化、酸窒化  （１００）  ＧａＡｓ  表面の電気特性評価”、信学技報、２００２年８月，  ＥＤ２００２−１８７，  ｐ．１１−１６
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、化合物半導体に対して各々独立した酸化装置と窒化装置を用いて酸化処理及び窒化処理を行った場合、酸化による欠陥をある程度回復させることは可能であるが、すでに生じた欠陥を十分に回復させることは極めて困難である。そのため、従来は特性や信頼性に優れた化合物半導体のＭＩＳ構造を得ることが困難であった。
【００１５】
本発明は上記従来の課題に対してなされたものであり、特性や信頼性に優れたＭＩＳ構造を得ることが可能な成膜方法及び成膜装置を提供することを目的としている。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る成膜方法は、真空容器内に少なくとも主表面に半導体領域を有する基板をセットする工程と、前記真空容器内にセットされた基板の主表面にオゾンを供給して前記半導体領域の表面を酸化する工程と、前記真空容器内にセットされた基板の主表面に窒素ラジカルを供給して前記半導体領域の表面を窒化する工程と、を備えたことを特徴とする。
【００１７】
前記成膜方法において、前記酸化する工程と前記窒化する工程とを交互に繰り返し行ってもよい。
【００１８】
前記成膜方法において、前記酸化する工程と前記窒化する工程とを並行して行ってもよい。
【００１９】
前記成膜方法において、前記酸化する工程を最初に行い、その次に前記窒化する工程を行うことが好ましい。
【００２０】
前記成膜方法において、前記半導体領域は化合物半導体で形成されていることが好ましい。
【００２１】
本発明に係る成膜装置は、真空容器と、前記真空容器内に設けられた支持手段と、前記支持手段によって支持された基板の主表面にオゾンを供給するオゾン供給手段と、前記支持手段によって支持された基板の主表面に窒素ラジカルを供給する窒素ラジカル供給手段と、を備えたことを特徴とする。
【００２２】
前記成膜装置において、前記オゾン供給手段による前記基板の主表面へのオゾンの供給を制御するオゾン供給制御手段をさらに備えることが好ましい。
【００２３】
前記成膜装置において、前記窒素ラジカル供給手段による前記基板の主表面への窒素ラジカルの供給を制御する窒素ラジカル供給制御手段をさらに備えることが好ましい。
【００２４】
前記成膜装置において、前記オゾン供給手段による前記基板の主表面へのオゾンの供給と前記窒素ラジカル供給手段による前記基板の主表面への窒素ラジカルの供給のシーケンスを制御するシーケンス制御手段をさらに備えることが好ましい。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
【００２６】
図１は、本発明の実施形態に係る成膜装置の一構成例を模式的に示した図である。
【００２７】
チャンバ（真空容器）１内には、温度制御機構付きステージ（支持手段）２が配置されており、ステージ２上に半導体ウエハ（基板）３がセットされる。この半導体ウエハ３は、半導体ウエハそのものであってもよいし、フォトリソグラフィや加工等の所定の処理等が施されたものでもよく、少なくとも半導体ウエハ３の表面に処理対象となる半導体領域が存在するものであればよい。ここでは、処理対象となる半導体領域は、ＧａＡｓやＩｎＡｌＡｓといったＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いている。
【００２８】
オゾン発生装置（オゾン供給手段）４からは、例えば５０００ｐｐｍ以上のオゾン５を含む酸素ガスが、管５ａ及び電磁弁１１を介してチャンバ１内に供給され、このオゾンによって半導体ウエハ３の半導体領域表面が酸化される。電磁弁１１の開閉を制御することで、半導体ウエハ３へのオゾンの供給が制御される。また、チャンバ１には電磁弁１３を介して排気処理装置７が接続されており、この排気処理装置７によってオゾンを含む酸素ガス等が排気される。
【００２９】
窒素プラズマ発生装置（窒素ラジカル供給手段）８には電磁弁１２を介して窒素ガス或いは窒素ガスとアルゴンガスの混合ガスが供給されており、プラズマによって発生した窒素ラジカル９がステージ２上の半導体ウエハ３に供給され、この窒素ラジカルによって半導体ウエハ３の半導体領域表面が窒化される。電磁弁１２の開閉を制御することで、半導体ウエハ３への窒素ラジカルの供給が制御される。また、チャンバ１には電磁弁１４を介して真空排気ポンプ１０が接続されており、この真空排気ポンプ１０によって窒素ラジカル等が排気される。
【００３０】
酸化工程では、電磁弁１１及び１３を開状態、電磁弁１２及び１４を閉状態にし、チャンバ１内の圧力をほぼ１気圧にして処理が行われる。また、窒化工程では、電磁弁１１及び１３を閉状態、電磁弁１２及び１４を開状態にし、チャンバ１内を減圧状態にして処理を行う。
【００３１】
図３は、図１に示した装置を用いて半導体ウエハ３の半導体領域表面に酸窒化膜を形成するときの処理シーケンスを模式的に示したものである。処理シーケンスは、図示しないシーケンス制御装置によって電磁弁１１〜１４の開閉状態を制御することで実行される。図３に示すように、酸窒化処理の最初の時点ではオゾンによる酸化処理が行われ、その後で窒素ラジカルによる窒化処理が行われる。以後、酸化処理と窒化処理とを交互に繰り返すことで、半導体ウエハ３の半導体領域表面に酸窒化膜が形成される。なお、これらの一連の酸化処理と窒化処理は、チャンバ１内において大気に晒されることなく行われる。
【００３２】
チャンバ１内の圧力は５分程度で調整可能であるため、酸化処理と窒化処理を例えば１０分程度の短い周期で繰り返し行えば、準同時並行的に酸化処理と窒化処理を行うことが可能である。このような短い周期で準同時並行的に酸化処理と窒化処理を行った場合、各酸化処理で得られる酸化膜及び各窒化処理で得られる窒化膜とも極めて薄いため、酸化処理に起因する圧縮応力と窒化処理に起因する引っ張り応力の一方のみが強く半導体ウエハ表面に加わることがない。すなわち、圧縮応力と引っ張り応力とが互いに打ち消し合うような状態で酸窒化膜が形成される。したがって、半導体／酸窒化膜界面近傍における半導体中の欠陥や結晶の乱れを抑制することができる。
【００３３】
このように、本実施形態によれば、界面近傍の半導体中における欠陥等の発生を防止することができ、良質の酸窒化膜を形成することができるため、特性や信頼性に優れたＭＩＳ構造を得ることができる。したがって、本実施形態の成膜方法及び成膜装置をＭＩＳ構造を有する半導体素子、例えばＭＩＳトランジスタの製造に適用した場合、電気特性のドリフトやヒステリシスがなく、且つゲート漏れ電流の極めて少ない、特性や信頼性に優れた半導体素子を作製することが可能となる。
【００３４】
図２は、本発明の実施形態に係る成膜装置の他の構成例を模式的に示した図である。なお、図１に示した構成要素と対応する構成要素については同一の参照番号を付し、それらの詳細な説明は省略する。
【００３５】
本装置では、チャンバ１内は真空排気ポンプ１０によって減圧状態になっている。窒素ガス或いは窒素ガスとアルゴンガスの混合ガスを窒素プラズマ発生装置８に供給し、プラズマによって発生した窒素ラジカル９がステージ２上の半導体ウエハ３に供給される。窒素プラズマ発生装置８では常時プラズマが発生しているが、窒素プラズマ発生装置８と半導体ウエハ３との間に設けられた開閉可能なシャッタ１６を閉状態にすることで、半導体ウエハ３へ向かう窒素ラジカルを遮断することができる。また、シャッタ１６を開状態にすることで、半導体ウエハ３へ窒素ラジカルを供給することができる。すなわち、シャッタ１６の開閉を制御することで、半導体ウエハ３への窒素ラジカルの供給が制御される。
【００３６】
また、本装置では、酸素の流量を制御するための流量制御装置１５ａを管５ａに設け、オゾン５を含む酸素ガスのチャンバ１内への供給量を調節できるようになっている。すなわち、流量制御装置１５ａによってオゾン等の流量を制御することで、半導体ウエハ３へのオゾンの供給が制御される。なお、管５ａに流量制御装置１５ａを設ける代わりに、管５ｂに流量制御装置１５ｂを設けるようにしてもよい。
【００３７】
本例では、流量制御装置１５ａによってオゾンの供給量を少なくすることで、窒素ラジカルによる窒化が進行する。また、オゾンは寿命が長いため、シャッタ１６を閉状態にして窒素ラジカルの供給を遮断することで、オゾンによる酸化が進行する。したがって、流量制御装置１５ａ（或いは流量制御装置１５ｂ）によるオゾンの供給制御と、シャッタ１６による窒素ラジカルの供給制御とを行うことで、先に示した図３のシーケンスと同様のシーケンスにより、準同時並行的に酸化処理と窒化処理を行うことが可能である。その結果、欠陥等の発生が抑制され、特性や信頼性に優れたＭＩＳ構造を得ることができる。なお、処理シーケンスは、図示しないシーケンス制御装置によって、流量制御装置１５ａ（或いは流量制御装置１５ｂ）の流量制御及びシャッタ１６の開閉制御を行うことで実行される。
【００３８】
また、本装置において、シャッタ１６を常時開状態にして常時窒素ラジカルを半導体ウエハ３表面に供給するとともに、流量制御装置１５ａ（或いは流量制御装置１５ｂ）によってオゾンの供給量を適量に制御して酸化と窒化のバランスを最適化すれば、酸化と窒化を完全同時並行的に行うことも可能である。図４は、このようにして半導体ウエハ３の半導体領域表面に酸窒化膜を形成するときの処理シーケンスを模式的に示したものである。このように酸化と窒化を完全同時並行的に行う場合にも、欠陥等の発生が抑制され、特性や信頼性に優れたＭＩＳ構造を得ることができることは言うまでもない。
【００３９】
なお、上述した実施形態（図１〜図４で説明した実施形態）において、酸窒化膜の形成に際しては、ステージ２の温度制御機構によって処理温度を適当な温度に制御するようにしてもよいが、温度制御を行わずに処理を行うようにしてもよい。また、上述した実施形態では、酸化処理において紫外線照射を行わなかったが、例えば従来技術の図５で示したような紫外線ランプ６によって紫外線照射を行うようにしてもよい。さらに、上述した実施形態では、酸化及び窒化処理される半導体領域としてＧａＡｓやＩｎＡｌＡｓといったＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を例に説明したが、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体やシリコン等のＩＶ族半導体に対して本発明の方法及び装置を適用することも可能である。
【００４０】
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施することが可能である。さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示された構成要件を適宜組み合わせることによって種々の発明が抽出され得る。例えば、開示された構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、所定の効果が得られるものであれば発明として抽出され得る。
【００４１】
【発明の効果】
本発明によれば、同一真空容器内において酸化処理と窒化処理を行うことにより、特性や信頼性に優れたＭＩＳ構造を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る成膜装置の一構成例を模式的に示した図である。
【図２】本発明の実施形態に係る成膜装置の他の構成例を模式的に示した図である。
【図３】本発明の実施形態に係る成膜方法の処理シーケンスの一例を模式的に示した図である。
【図４】本発明の実施形態に係る成膜方法の処理シーケンスの他の例を模式的に示した図である。
【図５】紫外線とオゾンを用いた従来の酸化装置の構成を模式的に示した図である。
【図６】窒素プラズマを用いた従来の窒化装置の構成を模式的に示した図である。
【符号の説明】
１…チャンバ、  ２…温度制御機構付きステージ、
３…半導体ウエハ、  ４…オゾン発生装置、
５…オゾン、  ５ａ、５ｂ…管、
６…紫外線ランプ、  ７…排気処理装置、
８…窒素プラズマ発生装置、  ９…窒素ラジカル、
１０…真空排気ポンプ、  １１、１２、１３、１４…電磁弁、
１５ａ、１５ｂ…流量制御装置、  １６…シャッタ
【図１】
2004247332.tif 000003
【図２】
2004247332.tif 000004
【図３】
2004247332.tif 000005
【図４】
2004247332.tif 000006
【図５】
2004247332.tif 000007
【図６】
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