(57)【要約】【課題】基板表面に高品質の酸化膜を容易にかつ高いスループットで形成することのできる半導体基板の酸化膜形成装置及び酸化膜形成方法を提供する。【解決手段】半導体基板の表面に酸化膜を形成するための装置であって、少なくとも、前記半導体基板が投入されるチャンバと、該チャンバ内で前記半導体基板を保持する保持手段と、前記チャンバ内に不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段と、前記チャンバ内にＯ−イオンを供給するＯ−イオン供給手段と、前記チャンバ内に半導体基板に形成されている自然酸化膜を除去するための物質を供給する自然酸化膜除去手段とを具備することを特徴とする半導体基板の酸化膜形成装置、及び該酸化膜形成装置を用いて半導体基板の表面に酸化膜を形成する酸化膜形成方法。【選択図】図１
2005064244.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の表面に酸化膜を形成するための装置であって、少なくとも、前記半導体基板が投入されるチャンバと、該チャンバ内で前記半導体基板を保持する保持手段と、前記チャンバ内に不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段と、前記チャンバ内にＯ−イオンを供給するＯ−イオン供給手段と、前記チャンバ内に半導体基板に形成されている自然酸化膜を除去するための物質を供給する自然酸化膜除去手段とを具備することを特徴とする半導体基板の酸化膜形成装置。
【請求項２】
前記Ｏ−イオン供給手段が、前記Ｏ−イオンを１２ＣａＯ・７Ａｌ２Ｏ３から生成して前記チャンバ内に供給するものであることを特徴とする請求項１に記載の半導体基板の酸化膜形成装置。
【請求項３】
前記チャンバの排気を行う排気手段を具備することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体基板の酸化膜形成装置。
【請求項４】
前記自然酸化膜除去手段が、無水ＨＦを供給するものであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の半導体基板の酸化膜形成装置。
【請求項５】
前記不活性ガス供給手段が、アルゴンガス又はヘリウムガスを供給するものであることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の半導体基板の酸化膜形成装置。
【請求項６】
前記酸化膜を形成する半導体基板は、シリコン基板であることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の半導体基板の酸化膜形成装置。
【請求項７】
半導体基板の表面に酸化膜を形成する方法であって、前記半導体基板をチャンバ内に保持した後、該チャンバに不活性ガスを供給しながら、先ずＯ−イオンを導入して前記半導体基板を洗浄し、次に自然酸化膜除去物質を導入して前記半導体基板に形成されている自然酸化膜を除去し、その後再びＯ−イオンを導入して前記半導体基板の表面に酸化膜を形成することを特徴とする半導体基板の酸化膜形成方法。
【請求項８】
前記チャンバ内に導入するＯ−イオンを、１２ＣａＯ・７Ａｌ２Ｏ３から生成することを特徴とする請求項７に記載の半導体基板の酸化膜形成方法。
【請求項９】
前記１２ＣａＯ・７Ａｌ２Ｏ３から生成したＯ−イオンを、不活性ガスをキャリアガスとして前記チャンバ内に導入することを特徴とする請求項８に記載の半導体基板の酸化膜形成方法。
【請求項１０】
前記チャンバに不活性ガスを供給する前に、前記チャンバ内の排気を行うことを特徴とする請求項７ないし請求項９のいずれか一項に記載の半導体基板の酸化膜形成方法。
【請求項１１】
前記自然酸化膜除去物質を無水ＨＦとすることを特徴とする請求項７ないし請求項１０のいずれか一項に記載の半導体基板の酸化膜形成方法。
【請求項１２】
前記不活性ガスをアルゴンガス又はヘリウムガスとすることを特徴とする請求項７ないし請求項１１のいずれか一項に記載の半導体基板の酸化膜形成方法。
【請求項１３】
前記半導体基板をシリコン基板とすることを特徴とする請求項７ないし請求項１２のいずれか一項に記載の半導体基板の酸化膜形成方法。
【請求項１４】
前記シリコン基板の直径を１５０ｍｍ以上とすることを特徴とする請求項１３に記載の半導体基板の酸化膜形成方法。
【請求項１５】
前記半導体基板の表面に酸化膜を形成した後、５００℃以上１１００℃以下の温度で１５秒以下のランプ加熱処理（ＲＴＡ処理）を行うことを特徴とする請求項７ないし請求項１４のいずれか一項に記載の半導体基板の酸化膜形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板の表面に酸化膜を形成するための酸化膜形成装置及び酸化膜形成方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体素子の高集積化や高性能化に伴い、例えばＭＯＳキャパシタのゲート酸化膜等のような半導体基板の表面に形成される酸化膜（絶縁膜）の薄膜化が進んでいる。例えば、ハーフミクロンサイズ以下のゲート長を持つＭＯＳＦＥＴの場合、ゲート酸化膜の厚さは１０ｎｍ以下が要求されるようになってきている。
【０００３】
通常、半導体基板として主に使用されているシリコン基板は、外気に触れると自然酸化膜と呼ばれる厚さがおよそ１ｎｍ程度の酸化膜で覆われてしまう。しかしながら、この自然酸化膜は、熱酸化膜等に比べてダングリングボンドやＳｉ−Ｓｉ結合などが多く含まれている。そのため、半導体基板に自然酸化膜が形成されていると、膜中に有機物や重金属等の汚染物質を取り込みやすく、またこの取り込まれた汚染物質が熱酸化工程等において酸化膜やシリコン基板に拡散して欠陥準位を形成するため、半導体素子の作製の際に品質を劣化させる原因の一つとなる。
【０００４】
したがって、半導体基板に酸化膜を形成する際には、高品質の酸化膜を得るために、予めシリコン表面を洗浄して有機物や重金属等の汚染物質を除去するとともに自然酸化膜を除去しておき、その後基板表面に酸化膜の形成を行うことが必要となる。
【０００５】
このような汚染物質の除去や自然酸化膜の除去に関しては、例えば塩素原子による重金属のリフトオフを利用した重金属除去、Ｏ３ガスによる有機物除去、無水ＨＦによる酸化膜除去等の方法が提案されている。これらのシリコン基板表面の処理方法は、一般にドライクリーニング法と呼ばれており、高い真空度を維持した真空容器内で行われる。そのため、シリコン基板から除去された汚染物質等は強制的に排気されて基板表面への再付着を防止でき、シリコン基板の表面を清浄にすることができる。
【０００６】
しかしながら、このようにシリコン基板の表面を洗浄しても、その後、酸化膜を形成するためにシリコン基板を真空容器から取り出して酸化炉へ移送する際に、シリコン基板が外気に曝されるため基板表面に再度自然酸化膜が形成されることが避けられず、この再形成された自然酸化膜中に再び汚染物質が取り込まれてしまうといった問題があった。
【０００７】
そこで、このような問題を解決するために、特許文献１では、有機物の除去及び自然酸化膜の除去を行う準備室と酸化膜の形成を行う酸化炉とが開閉自在な仕切り弁を介して気密に連結されており、この仕切り弁を開けて半導体ウエハを外気に曝すことなく準備室から酸化炉に移動するようにした絶縁膜製造装置を開示している。このような絶縁膜製造装置を用いれば、熱酸化直前の半導体ウエハ表面を清浄な状態に保つことができ、高品質の絶縁膜を製造することが可能となる。
【０００８】
しかしながら、この特許文献１に記載された絶縁膜製造装置は、準備室と酸化炉とを気密に連結する構造を有するため、製造装置自体が非常に大掛りなものとならざるを得ず、設備コストへの負担が大きいものであった。さらに、半導体基板に準備室で有機物の除去と自然酸化膜の除去を行った後は、熱酸化工程（ゲート酸化膜形成工程）しか行うことができないため、工程の自由度が極めて少ないという欠点もあった。
【０００９】
そこで、特許文献２では、工程の自由度拡大と設備コストの低減を図るために、シリコン基板を真空容器内にセットして前記真空容器内を真空排気系により排気する排気工程と、前記真空容器内で前記シリコン基板の表面をドライクリーニング法により洗浄して前記シリコン基板の表面から有機物等の汚染物質や自然酸化膜を除去する表面洗浄工程と、前記真空容器内で前記シリコン基板の表面に保護用の極薄酸化膜を形成する保護膜形成工程とを順次実行した後、前記真空容器から前記シリコン基板を取り出して次工程へ移送し、酸化装置で前記シリコン基板の表面に絶縁用の酸化膜を形成するようにした酸化膜の製造方法を開示している。
【００１０】
しかしながら、このような特許文献２の酸化膜の製造方法では、シリコン基板にドライクリーニング法を施す際に真空容器内を６×１０−７Ｐａ以下の高真空状態となるまで排気しなければならないので、長い処理時間が必要とされ、スループットの低下を招いていた。また、シリコン基板表面に保護用の極薄酸化膜を形成する際に、赤外線ランプでシリコン基板を５００℃程度まで加熱して基板表面を酸化するため、基板表面を再び汚染する恐れがあるという問題があった。さらに、特許文献２では、表面洗浄工程で汚染物質を除去する際に酸素ガスをオゾン化するための紫外線ランプや、シリコン基板を加熱するための赤外線ランプ等を設置する必要があるので、装置の構造が複雑になるといった問題もあった。
【００１１】
ところで、従来、シリコン基板上に酸化膜を形成する方法として、熱酸化法やプラズマＣＶＤ法などが用いられている。しかしながら、熱酸化法を用いて酸化膜を形成する場合では、酸化膜の形成領域が面方向に広がってしまい、集積回路の高密度化、微細化には対応できないという致命的欠点があった。また、プラズマＣＶＤ法の場合でも、微小な酸化膜形成領域で酸化膜の厚さを制御することは非常に困難であった。
【００１２】
特に近年、例えば半導体基板のトレンチ内を酸化する際に方向性を持たせて酸化膜を形成することが必要とされることがあるが、その場合、熱酸化法やプラズマＣＶＤ法で対応することは非常に困難であった。また、今後トレンチのサイズはますます微小になることが予想されるため、酸化膜を微小な領域で方向性を持たせて形成できる酸化膜形成方法の開発が望まれていた。
【００１３】
それに対して、特許文献３では、シリコン基板に酸化膜を形成する方法として、酸素を含むプラズマを発生し、このプラズマ中の酸素負イオンをシリコン基板に照射するシリコン基板の酸化膜形成方法が開示されており、またその際に、シリコン基板に高周波バイアス及び／または直流バイアスを印加して酸素負イオンをシリコン基板に照射することが開示されている。
【００１４】
このような方法を用いてシリコン基板に酸化膜を形成することにより、熱酸化法のように面方向に酸化が広がることが殆どなく、酸化膜が方向性をもって形成されるため、所望の領域を所望の深さまで好適に酸化できるようになった。
【００１５】
しかしながら、この特許文献３による酸化膜形成方法では、基板に形成されている自然酸化膜の除去を別の手段で行わなければならないので、前述したような自然酸化膜が再形成されるという問題があり、さらに酸素を含むプラズマを発生する手段が必要とされるため、装置が非常に大掛りなものとなるし、また装置の構造が複雑になるといった問題もあった。
【００１６】
【特許文献１】特開平３−６６１２６号公報
【特許文献２】特開平７−７４１６５号公報
【特許文献３】特開２００２−２８０３６９号公報
【非特許文献１】西岡将輝，李全新，定方正毅、”アルミナセメントＣ１２Ａ７表面からの活性酸素の生成”、静電気学会２００２年全国大会講演論文集、２９ａＡ−７、ｐｐ．２５３−２５６（２００２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、半導体基板の表面に酸化膜を形成する際に、高真空状態の形成や半導体基板を高温に加熱を行わず、またプラズマを発生させるような大掛かりな装置を用いることもなく、基板表面に高品質の酸化膜を容易にかつ高いスループットで形成することのできる半導体基板の酸化膜形成装置及び酸化膜形成方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記目的を達成するために、本発明によれば、半導体基板の表面に酸化膜を形成するための装置であって、少なくとも、前記半導体基板が投入されるチャンバと、該チャンバ内で前記半導体基板を保持する保持手段と、前記チャンバ内に不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段と、前記チャンバ内にＯ−イオンを供給するＯ−イオン供給手段と、前記チャンバ内に半導体基板に形成されている自然酸化膜を除去するための物質を供給する自然酸化膜除去手段とを具備することを特徴とする半導体基板の酸化膜形成装置が提供される（請求項１）。
【００１９】
このような構成を有する半導体基板の酸化膜形成装置であれば、チャンバ内を高真空状態にしなくとも、常圧状態（または常圧に近い状態）で半導体基板に汚染物質の除去及び自然酸化膜の除去を行うことができ、またその後基板を外気に曝すことなく常温、常圧状態で酸化膜の形成を行うことが可能となるので、高品質の酸化膜を基板表面に容易にかつ高いスループットで形成できる酸化膜形成装置とすることができる。また、本発明の酸化膜形成装置は、装置自体の構成が簡単でコンパクトなものとなるため、設備コストへの負担を大幅に軽減できる。
【００２０】
この場合、前記Ｏ−イオン供給手段が、前記Ｏ−イオンを１２ＣａＯ・７Ａｌ２Ｏ３から生成して前記チャンバ内に供給するものであることが好ましい（請求項２）。
１２ＣａＯ・７Ａｌ２Ｏ３は、通称アルミナセメントＣ１２Ａ７として知られており、酸化カルシウムとアルミナから非常に安価に製造することのできる材料である。また、この材料は負イオンとして高い選択率でＯ−イオンのみを連続的に生成できることが報告されている（非特許文献１参照）。そして、本発明の酸化膜形成装置において、Ｏ−イオン供給手段が、このような１２ＣａＯ・７Ａｌ２Ｏ３を利用してＯ−イオンを生成するものであれば、Ｏ−イオンのみをチャンバ内に連続的に安定して供給することができる。また、１２ＣａＯ・７Ａｌ２Ｏ３は人体や環境への影響も非常に小さいので、材料の取扱いや廃棄等が容易であり、またコストダウンも期待できる。
【００２１】
さらに、本発明の半導体基板の酸化膜形成装置は、前記チャンバの排気を行う排気手段を具備することが好ましい（請求項３）。
このように酸化膜形成装置が排気手段を具備していれば、例えば不活性ガス供給手段から不活性ガスを供給する前に、排気手段によってチャンバ内の雰囲気中に含まれている窒素や水分を効果的に取り除くことが可能となる。したがって、例えばその後チャンバ内にＯ−イオンを供給した際にＯ−イオンが窒素や水分と結合するのを確実に防止することができるので、Ｏ−イオンによる汚染物質の除去や酸化膜の形成を非常に効果的に行うことができる。
【００２２】
また、前記自然酸化膜除去手段が、無水ＨＦを供給するものであることが好ましい（請求項４）。
このように自然酸化膜除去手段が無水ＨＦを供給するものであれば、チャンバ内に保持された半導体基板の自然酸化膜除去を非常に効果的に行うことのできる酸化膜形成装置となる。
【００２３】
さらに、前記不活性ガス供給手段が、アルゴンガス又はヘリウムガスを供給するものであることが好ましい（請求項５）。
このように不活性ガス供給手段がアルゴンガス又はヘリウムガスを供給するものであれば、チャンバ内をアルゴンガス等の不活性ガスで容易に充満できるので、基板に洗浄や自然酸化膜の除去を行った後に汚染物質の再付着や自然酸化膜の再形成が生じるのを防止することができる。
【００２４】
このとき、前記酸化膜を形成する半導体基板は、シリコン基板であることが好ましい（請求項６）。
このように、本発明の半導体基板の酸化膜形成装置は、半導体デバイスの主要材料であるシリコン基板の表面に酸化膜を形成する際に特に好適に用いることができ、シリコン基板の表面に高品質の酸化膜を容易にかつ高いスループットで形成することが可能となる。
【００２５】
さらに、本発明によれば、半導体基板の表面に酸化膜を形成する方法であって、前記半導体基板をチャンバ内に保持した後、該チャンバに不活性ガスを供給しながら、先ずＯ−イオンを導入して前記半導体基板を洗浄し、次に自然酸化膜除去物質を導入して前記半導体基板に形成されている自然酸化膜を除去し、その後再びＯ−イオンを導入して前記半導体基板の表面に酸化膜を形成することを特徴とする半導体基板の酸化膜形成方法が提供される（請求項７）。
【００２６】
このようにして半導体基板の表面に酸化膜を形成することによって、一つのチャンバ内で、半導体基板の洗浄や自然酸化膜の除去を常圧状態（または常圧に近い状態）で行うことができるとともに、その後基板を外気に曝すことなく常温、常圧状態で酸化膜の形成を行うことができるので、高品質の酸化膜を基板表面に容易にかつ高いスループットで形成することができる。
【００２７】
このとき、前記チャンバ内に導入するＯ−イオンを、１２ＣａＯ・７Ａｌ２Ｏ３から生成することが好ましい（請求項８）。
このようにＯ−イオンを、１２ＣａＯ・７Ａｌ２Ｏ３から生成すれば、Ｏ−イオンのみをチャンバ内に連続的に安定して導入することができる。また、１２ＣａＯ・７Ａｌ２Ｏ３を用いれば、材料の取扱いや廃棄等を容易に行うことができるし、さらにコストダウンも期待できる。
【００２８】
この場合、前記１２ＣａＯ・７Ａｌ２Ｏ３から生成したＯ−イオンを、不活性ガスをキャリアガスとして前記チャンバ内に導入することが好ましい（請求項９）。
このように、不活性ガスをキャリアガスとしてＯ−イオンをチャンバ内に導入すれば、Ｏ−イオンの供給を容易にかつ円滑に行うことができるし、また半導体基板表面での反応を容易に制御できる。
【００２９】
また、前記チャンバに不活性ガスを供給する前に、前記チャンバ内の排気を行うことが好ましい（請求項１０）。
このように、チャンバに不活性ガスを供給する前にチャンバの排気を行えば、不活性ガスを導入する前のチャンバ内の初期雰囲気中に含まれている窒素や水分等を効果的に取り除くことが可能となる。したがって、例えばその後チャンバ内にＯ−イオンを供給した際にＯ−イオンが窒素や水分と結合するのを確実に防止することができるので、Ｏ−イオンによる半導体基板の洗浄や酸化膜の形成を非常に効果的に行うことができる。
【００３０】
さらに、前記自然酸化膜除去物質を無水ＨＦとすることが好ましく（請求項１１）、また前記不活性ガスをアルゴンガス又はヘリウムガスとすることが好ましい（請求項１２）。
自然酸化膜除去物質を無水ＨＦとすれば、チャンバ内に保持された半導体基板の自然酸化膜除去を非常に効果的に行うことができる。また、不活性ガスをアルゴンガス又はヘリウムガスとすれば、半導体基板に洗浄や酸化膜除去を行った後、汚染物質の再付着や自然酸化膜の再形成が生じるのを確実に防止できる。
【００３１】
そして本発明では、前記半導体基板をシリコン基板とすることができ（請求項１３）、特に、前記シリコン基板の直径を１５０ｍｍ以上とすることができる（請求項１４）。
このように、本発明は、シリコン基板の表面に酸化膜を形成する場合に非常に好適に用いることができる。特に、シリコン基板はＯ−イオンとの反応性が高いため、自然酸化膜の除去後にＯ−イオンをチャンバ内に導入することによりシリコン基板表面に高速で酸化膜を形成でき、スループットを大幅に向上できる。さらに、本発明は、シリコン基板の直径を１５０ｍｍ以上とすることができ、近年特に需要の高まっている直径が２００ｍｍや３００ｍｍあるいはそれ以上の大口径シリコン基板の表面に高品質の酸化膜を効率良く安定して形成することができる。
【００３２】
さらに、前記半導体基板の表面に酸化膜を形成した後、５００℃以上１１００℃以下の温度で１５秒以下のランプ加熱処理（ＲＴＡ処理）を行うことが好ましい（請求項１５）。
本発明では、以上に説明したようにシリコン基板の温度を高温にすることなく極薄酸化膜を厚さの精度よく形成することができる。しかしながら、室温で形成した酸化膜はピンホールなどが多数形成されることがあり、ゲート酸化膜などに供するには絶縁破壊強度が弱いためデバイスに応用することが難しくなる場合が考えられる。また、シリコンとシリコン酸化膜の界面に欠陥ができて界面準位ができＭＯＳトランジスターのデバイス特性に悪影響を与える恐れもある。そこで、上記のように半導体基板の表面に厚さ精度の優れた酸化膜を形成した後、５００℃以上１１００℃以下の温度で１５秒以下のランプ加熱処理（ＲＴＡ処理；Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）を行うことによって、酸化膜中の欠陥やシリコンと酸化膜界面の欠陥を消滅させることができ、デバイスに供することができる極めて高品質の酸化膜を得ることができる。
【発明の効果】
【００３３】
以上説明したように、本発明によれば、半導体基板の洗浄や自然酸化膜の除去を常圧状態（または常圧に近い状態）で行うことができ、またその後基板を外気に曝すことなく常温、常圧状態で酸化膜の形成を行うことができるので、高品質の酸化膜を基板表面に容易にかつ高いスループットで形成することができる。さらに、本発明の半導体基板の酸化膜形成装置は、構成が簡単でコンパクトなものとなるため、設備コストへの負担を大幅に軽減でき、コストダウンを図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、本発明について実施の形態を説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
本発明者等は、半導体基板の表面に常温、常圧の状態で高品質の酸化膜を容易に形成することのできる方法について鋭意検討を重ねた結果、１２ＣａＯ・７Ａｌ２Ｏ３（通称アルミナセメントＣ１２Ａ７）に着目し、この１２ＣａＯ・７Ａｌ２Ｏ３を利用してＯ−イオンを生成することによって常温、常圧状態で半導体基板の洗浄及び基板表面への酸化膜形成を容易にかつ極めて効率的に行うことが可能となることを見出して、本発明を完成させた。
【００３５】
先ず、本発明に係る半導体基板の酸化膜形成装置について、図面を参照しながら説明するが、本発明はこれに何ら限定されるものではない。図１は、本発明の半導体基板の酸化膜形成装置の一例を示す概略説明図である。
本発明の半導体基板の酸化膜形成装置１は、少なくとも、半導体基板２が投入されるチャンバ３と、チャンバ３内で半導体基板２を保持する保持手段４と、チャンバ３内に不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段５と、チャンバ３内にＯ−イオンを供給するＯ−イオン供給手段６と、チャンバ３内に半導体基板２に形成されている自然酸化膜を除去するための物質を供給する自然酸化膜除去手段７とを具備するものである。
【００３６】
この酸化膜形成装置１において、Ｏ−イオン供給手段６は、Ｏ−イオンを生成してチャンバ内に導入することができるものであれば特に限定されないが、例えば、１２ＣａＯ・７Ａｌ２Ｏ３を用いて活性であるＯ−イオンを生成するＯ−イオン生成装置８と、マイナスに帯電されたステンレス配管からなるイオン導入ノズル９で構成することができる。
【００３７】
このようなＯ−イオン供給手段６を用いることによって、例えばＯ−イオン生成装置８で１２ＣａＯ・７Ａｌ２Ｏ３から生成したＯ−イオンを、不活性ガスをキャリアガスとしてイオン導入ノズル９からチャンバ３内に連続的に安定して導入することができる。また、Ｏ−イオン供給手段６が、Ｏ−イオンを１２ＣａＯ・７Ａｌ２Ｏ３から生成して供給するものであれば、材料の取扱いや廃棄等を容易に行うことが可能となるし、また１２ＣａＯ・７Ａｌ２Ｏ３が安価な材料であるのでコストダウンを図ることもできる。
【００３８】
尚、上記のような１２ＣａＯ・７Ａｌ２Ｏ３からＯ−イオンを生成するＯ−イオン生成装置８としては、例えば図２に示したような、１２ＣａＯ・７Ａｌ２Ｏ３からなる片端を閉じた管状の形状を有するＣ１２Ａ７管１０と、Ｃ１２Ａ７管１０に負電圧を印加する電極１１と、Ｃ１２Ａ７管１０から離れた位置に配置した捕集電極１２と、Ｃ１２Ａ７管１０を加熱するヒーター１３とを具備するものを用いることができる。そして、例えばこのＯ−イオン生成装置８内を１．３×１０−３Ｐａ程度に減圧した状態で、ヒーター１３でＣ１２Ａ７管１０を６００〜８００℃程度に加熱しながらＣ１２Ａ７管１０と捕集電極１２との間に電圧を印加することによって、Ｏ−イオンを連続的に安定して生成することができる。
【００３９】
また、本発明において、上記の自然酸化膜除去手段７は、自然酸化膜除去物質を収容しておく供給槽１４と自然酸化膜除去物質を供給槽１４からチャンバ３内に導入する自然酸化膜除去物質導入ノズル１５とを具備しており、この自然酸化膜除去手段７により、無水ＨＦ等の自然酸化膜を除去できる物質をチャンバ３内に安定して供給することができる。
【００４０】
さらに、不活性ガス供給手段５からは、アルゴンガス等の不活性ガスを安定して供給することができ、例えば不活性ガス供給手段５に設置されているバルブ１６を調節することによって、チャンバ３内に供給する不活性ガスの流量を制御することができる。
【００４１】
そして、本発明の酸化膜形成装置１では、チャンバ３に形成された排気口１７が排気手段１８に接続されていることが好ましい。このように酸化膜形成装置１に排気手段１８が設置されていれば、チャンバ３内の排気を行って、チャンバ内の初期雰囲気中に含まれている窒素や水分等を容易にまた効果的に取り除くことができる。排気手段１８としては、例えば真空ポンプを用いることができる。この場合、本発明では、チャンバ３内のガスを置換するために必要な程度の真空度で足り、高真空にする必要はない。
【００４２】
次に、本発明の半導体基板の酸化膜形成方法を説明する。
本発明の半導体基板の酸化膜形成方法は、半導体基板をチャンバ内に保持した後、チャンバに不活性ガスを供給しながら、先ずＯ−イオンを導入して半導体基板を洗浄し、次に自然酸化膜除去物質を導入して半導体基板に形成されている自然酸化膜を除去し、その後再びＯ−イオンを導入して半導体基板の表面に酸化膜を形成するものである。
【００４３】
以下、本発明の酸化膜形成方法について、シリコン基板に酸化膜を形成する場合を例に挙げて、図１に示した酸化膜形成装置１を参照しながら詳細に説明する。
先ず、シリコン基板２をチャンバ３内に投入し、保持手段４に保持・固定する。次に、排気手段１８を用いてチャンバ３内の排気を行う。本発明において、このチャンバ３の排気は必ずしも行われる必要はないが、このようにチャンバ３内を排気することによって、チャンバ内の雰囲気中に含まれている窒素や水分等を効果的に取り除くことができるため、その後チャンバ内にＯ−イオンを供給した際にＯ−イオンが窒素や水分と結合して酸化するのを確実に防止することができるし、また半導体基板に洗浄や自然酸化膜除去を行った後に半導体基板が再汚染したり、自然酸化膜が再形成するのを確実に防止することができる。
【００４４】
このようにチャンバ３内を排気する場合、チャンバ内の雰囲気中に含まれている窒素や水分等を取り除くことを目的としているので、従来のようにチャンバ内を高真空状態まで減圧する必要がなく、例えばチャンバ内が１×１０４Ｐａ程度またはそれ以下の低真空状態となるように排気手段１８でチャンバ３内を排気すれば良い。
【００４５】
このようにチャンバ３内の排気を行った後、不活性ガス供給手段５から不活性ガスとしてアルゴンガスを供給し、常圧または常圧近くまでアルゴンガスを充填する。このとき、本発明では不活性ガスとしてヘリウムガス等も用いることもできる。
【００４６】
そして、チャンバ３内にアルゴンガスを充填した後、バルブ１６を調節して不活性ガス供給手段５からアルゴンガスを例えば３ｌ／ｍｉｎ程度の流量でチャンバ３内に供給しながら、先ずＯ−イオンをＯ−イオン供給手段６からチャンバ３内に導入してシリコン基板２の洗浄を行う。このとき、Ｏ−イオン供給手段６を用いることにより、１２ＣａＯ・７Ａｌ２Ｏ３から生成したＯ−イオンを、不活性ガス（例えば、アルゴンガス）をキャリアガスとしてイオン導入ノズル９からチャンバ３内に連続的にかつ安定して導入することができ、また半導体基板表面での反応を容易に制御できる。
【００４７】
このようにＯ−イオンをチャンバ３内へ導入することによって、チャンバ内が常圧または常圧に近い状態でも、Ｏ−イオンによりシリコン基板２の表面から有機物等の汚染物質を除去してシリコン基板２の表面を効果的に洗浄することができる。このとき、チャンバ内にはアルゴンガスが連続的に供給されているので、シリコン基板の表面から除去した汚染物質を排気口１７から排出でき、汚染物質が基板表面に再付着するの防止することができる。すなわち、Ｏ−イオンは反応性が非常に高いので、ウエーハ上に存する微量の有機物や重金属と反応して酸化物を形成し、揮散させることができる。この場合、ウエーハ表面には自然酸化膜が存在するので、この時にはＯ−イオンによる酸化膜は形成されない。
【００４８】
次に、不活性ガス供給手段５からアルゴンガスを引き続き３ｌ／ｍｉｎ程度の流量でチャンバ３内に供給しながら、自然酸化膜除去手段７から自然酸化膜除去物質を導入して、シリコン基板２に形成されている自然酸化膜を除去する。このとき、自然酸化膜除去手段７から供給する物質は、基板表面の自然酸化膜を除去できるものであれば特に限定されるものではないが、例えば自然酸化膜除去物質として水分濃度を極力下げた無水ＨＦを用いることにより、シリコン基板の自然酸化膜除去を非常に効果的に行うことができる。また、このようにシリコン基板の自然酸化膜を除去した後は、チャンバ内がアルゴンガスで満たされているため、シリコン基板表面に自然酸化膜が再形成されることも、汚染物質が付着することもない。
【００４９】
そして、上記のようにシリコン基板の洗浄及び自然酸化膜の除去を行った後、チャンバ３内にアルゴンガスを３ｌ／ｍｉｎ程度の流量で引き続き供給しながら、Ｏ−イオン供給手段６からＯ−イオンを再び導入して、シリコン基板２の表面に酸化膜を形成する。このとき、Ｏ−イオンは、Ｏ＋イオンに比べて中性化反応が吸熱反応であるなど低損傷プロセスが期待でき、またシリコン基板との反応性が高く、酸化力が強力であるため、例えばチャンバ３内にＯ−イオンを５μｌ／ｍｉｎ程度の流量で導入することにより、チャンバ３内が常温、常圧の状態でも、シリコン基板２の表面に３ｎｍ程度の厚さを有する酸化膜を容易にかつ短時間で形成することができる。
【００５０】
さらに、本発明の酸化膜形成方法では、上記のように半導体基板の表面に酸化膜を形成した後、５００℃以上１１００℃以下の温度で１５秒以下のランプ加熱処理（ＲＴＡ処理）を行うことが好ましい。
半導体基板上に室温で酸化膜を形成した場合、酸化膜中にピンホールなどの欠陥が多数形成されることがあり、ゲート酸化膜などに供するには絶縁破壊強度が弱いためデバイスに応用することが難しくなることが考えられる。また、シリコンとシリコン酸化膜の界面に欠陥ができて界面準位ができＭＯＳトランジスターのデバイス特性に悪影響を与える恐れもある。そこで、上記のように室温近くで半導体基板の表面に厚さ精度の優れた酸化膜を形成した後は、その半導体基板を例えば５００℃から１１００℃の間にランプ加熱で急速に加熱し、所定温度で最大１５秒間保持した後、ランプ加熱の電源を制御して室温まで急速に冷却する。このように半導体基板にＲＴＡ処理を行うことにより、酸化膜中の欠陥やシリコンと酸化膜界面の欠陥を効果的に消滅させることができ、デバイスに供することができる極めて高品質の酸化膜を得ることができる。尚、このようなＲＴＡ処理は、酸化膜を形成する際に必ず行わなければならないということではない。
【００５１】
以上のようにシリコン基板の表面に酸化膜を形成することによって、一つのチャンバ内で、半導体基板の洗浄や自然酸化膜の除去を常圧状態（または常圧に近い状態）で行うことができるとともに、その後基板を外気に曝すことなく常温、常圧状態で酸化膜の形成を行うことができる。したがって、従来のような高真空状態の形成や基板の加熱を行わずに、半導体基板の表面に、特に近年需要の高まっている直径が１５０ｍｍ以上の大口径シリコン基板の表面に汚染のない高品質の酸化膜を容易にかつ高いスループットで安定して形成することができる。
【００５２】
さらに、本発明では、酸化膜形成装置の構成が従来に比べて簡単でコンパクトなものとなるため、設備コストへの負担を大幅に軽減することができるし、またＯ−イオンの生成に用いる１２ＣａＯ・７Ａｌ２Ｏ３も安価な材料であるので、大幅なコストダウンを図ることができる。
【００５３】
また、本発明の酸化膜形成方法によれば、半導体基板の表面に厚さが極めて薄い酸化膜を保護膜として形成することができるため、保護酸化膜が形成された極めて安定な表面を有する半導体基板を提供することが可能となる。このような半導体基板は、基板表面が保護用の極薄酸化膜で覆われているため、例えばその後次工程（例えば熱酸化工程）へ移送する際に半導体基板表面を外気曝露から保護することができ、自然酸化膜の再形成を防止して半導体基板の表面を清浄に保つことができる。
【００５４】
これにより、例えば、従来問題とされていた自然酸化膜中の汚染物質の拡散による欠陥準位の形成を防止することができるので、半導体基板の少数キャリアの発生ライフタイム（欠陥準位密度の少なさを示すパラメータ）を向上させることが可能となり、品質の優れた半導体素子を高歩留まりで製造することができるようになる。さらに、このような清浄な極薄酸化膜を得る技術は、例えばコンタクトホール形成のための酸化膜エッチング後の清浄界面を得る方法としても利用することができる。
【００５５】
また、本発明の酸化膜形成方法は、上記のようにシリコン基板の表面に保護酸化膜を形成することによって、その後熱酸化工程以外の種々の工程を行うことも可能となり、工程の自由度を拡大できるという利点も有している。
【００５６】
さらに、本発明では、チャンバ内で保持されている半導体基板にＲＦバイアスや直流バイアスを印加する手段を例えば基板の保持手段等に設置することもできる。それにより、例えばトレンチを有する半導体基板に酸化膜を形成する際に、半導体基板の裏面側からバイアスを印加することができ、それによって、酸化膜の形成を方向性を持たせて行うことが容易に可能となる。
【実施例】
【００５７】
以下、実施例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
実施例として、図１に示した半導体基板の酸化膜形成装置１を用いて、直径が２００ｍｍのシリコン基板の表面に厚さが３ｎｍの酸化膜の形成を行った。
先ず、シリコン基板をチャンバ３内に投入して保持手段４に保持・固定した後、排気手段１８でチャンバ内の排気を行って、チャンバ内を１×１０４Ｐａまで減圧した。
【００５８】
次に、不活性ガス供給手段５からアルゴンガスを供給して、チャンバ内が常圧になるまで不活性ガスを充填した。その後、バルブ１６を調節して不活性ガス供給手段からアルゴンガスを３ｌ／ｍｉｎの流量でチャンバに供給しながら、Ｏ−イオン供給手段６からＯ−イオンを５μｌ／ｍｉｎの流量でチャンバ内に導入してシリコン基板の洗浄を５分間行い、続いて自然酸化膜除去手段７から無水ＨＦ蒸気を５分間導入して、シリコン基板に形成されている自然酸化膜を除去した。
【００５９】
シリコン基板の自然酸化膜を除去した後、不活性ガス供給手段５からアルゴンガスを引き続き３ｌ／ｍｉｎの流量でチャンバに供給しながら、Ｏ−イオン供給手段６から再びＯ−イオンを５μｌ／ｍｉｎの流量でチャンバ内に導入してシリコン基板２の表面に厚さが３ｎｍの酸化膜を形成した。エリプソメーターで基板全面の酸化膜の膜厚一様性を調査したところ３ｎｍ±０．１５ｎｍの均一性を持つことが分かった。かかる結果により本発明による方法で極薄酸化膜を極めて均一性良く形成させることができることが分かった。
【００６０】
このようにしてシリコン基板の表面に形成した酸化膜について、以下の方法で品質を評価した。今回用いた評価方法は銅デコレーション法と呼ばれる方法である。メタノール中に調査するシリコン基板を浸漬し、該基板の裏面とメタノール中に浸漬した銅電極の間に５ＭＶ／ｃｍの電界をかけて該シリコン基板の酸化膜上に銅を析出させ、酸化膜の破壊しやすいところを調査する方法である。シリコン基板の表面に厚さ３ｎｍの酸化膜を本発明の方法で形成した後、銅デコレーション法で検査したところ、２００個／ｃｍ２の黒色斑点状銅析出物が計数された。また、銅デコレーション法は破壊検査のため、同一結晶ロットより作製したシリコン基板の表面に厚さ３ｎｍの酸化膜を形成した後、ランプ加熱処理（ＲＴＡ処理）により１０５０℃で１５秒間、Ａｒ雰囲気下で熱処理を施し、その後上記と同様に銅デコレーション法で酸化膜欠陥を調査した。その結果、１０個／ｃｍ２の黒色斑点状銅析出物が計数された。以上の結果から、酸化膜の品質が非常に優れていることが確認された。
【００６１】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は単なる例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【００６２】
たとえば、上記では、本発明の作用につき、常温・常圧で酸化膜を形成できることを述べたが、本発明は常温・常圧で酸化膜を形成しなければならないわけではない。温度、圧力については目的に応じて適宜増減、変更できることは言うまでもない。また、ランプ加熱によるＲＴＡ熱処理の条件も、求める酸化膜の品質に応じて、保持温度、昇温速度、冷却速度を適宜調節、変更できることは言うまでもない。ただし、ある保持温度での保持時間については基板表面からの酸素の外方拡散現象を制御するため適宜調節する必要がある。また、熱処理の雰囲気についても酸化性雰囲気であると酸化が進み精密な制御ができないため非酸化性雰囲気が好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明は、半導体基板にゲート酸化膜を形成する場合に適用できることはもちろんのこと、その他に例えばＬＳＩ製造工程中のパッド酸化、ＬＯＣＯＳ酸化、側壁酸化等、あるいは、ＥＥＰＲＯＭ製造工程中のトンネル酸化や浮遊ゲート上酸化等の全ての酸化工程に適用でき、またＢＰＳＧ、ＴＥＯＳ等の全てのＳｉＯ２系膜のデポ工程の前処理としても適用できる。また、貼り合せ法によるＳＯＩ作成時のシリコン基板同士の間に挟む酸化膜としても使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の半導体基板の酸化膜形成装置の一例を示す構成概略図である。
【図２】Ｏ−イオン生成装置の一例を示す構成概略図である。
【符号の説明】
【００６５】
１…半導体基板の酸化膜形成装置、  ２…半導体基板（シリコン基板）、
３…チャンバ、  ４…保持手段、  ５…不活性ガス供給手段、
６…Ｏ−イオン供給手段、  ７…自然酸化膜除去手段、
８…Ｏ−イオン生成装置、  ９…イオン導入ノズル、
１０…Ｃ１２Ａ７管、  １１…電極、  １２…捕集電極、  １３…ヒーター、
１４…供給槽、  １５…自然酸化膜除去物質導入ノズル、
１６…バルブ、  １７…排気口、  １８…排気手段。
【図１】
2005064244.tif 000003
【図２】
2005064244.tif 000004