(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の形成ができる半導体装置の製造方法を提供する。【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に際して、触媒作用で水素を化学的に活性化し得る反応器２６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半導体装置の製造方法である。【選択図】  図３
2005012234.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
不活性ガスが導入された処理チャンバ内へ半導体ウェハを載置し、
前記不活性ガスの流入を止め、水素と酸素を流量制御して、水素の発火点以下の温度に加熱した反応器内へ導入し、
前記反応器内で触媒作用により前記水素を化学的に活性化して水素ラジカルを生成し、
前記水素ラジカルと前記酸素とを反応させて、前記水素の流量に対応した水を生成し、
前記生成された水と、前記反応に使用されなかった酸素との混合ガスを、水素の発火点以上に加熱された前記処理チャンバへ導入し、
前記処理チャンバ内に載置された前記半導体ウェハ上に、前記混合ガスによる酸化雰囲気により酸化膜を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の半導体装置の製造方法において、
前記処理チャンバへ前記水素と酸素より合成された前記混合ガスを導入して、前記酸化膜を所定時間形成し、
前記水素と前記酸素の導入を止め、前記反応器へ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前記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半導体装置の製造方法。
【請求項３】
請求項１または２記載の半導体装置の製造方法において、
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半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体ウェハ上に酸化膜を形成する半導体装置の製造方法に関し、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。
【背景技術】
【０００２】
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、非特許文献1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。
【非特許文献１】「1991年版  超ＬＳＩ製造・試験装置ガイドブック」、株式会社工業調査会発行、平成2年11月20日発行、P21−P27
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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ＭＯＳＦＥＴ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半導体装置の製造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半導体装置の製造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。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
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、本発明による半導体装置の製造方法は、不活性ガスが導入された処理チャンバ内へ半導体ウェハを載置し、前記不活性ガスの流入を止め、水素と酸素を流量制御して、水素の発火点以下の温度に加熱した反応器内へ導入し、前記反応器内で触媒作用により前記水素を化学的に活性化して水素ラジカルを生成し、前記水素ラジカルと前記酸素とを反応させて、前記水素の流量に対応した水を生成し、前記生成された水と、前記反応に使用されなかった酸素との混合ガスを、水素の発火点以上に加熱された前記処理チャンバへ導入し、前記処理チャンバ内に載置された前記半導体ウェハ上に、前記混合ガスによる酸化雰囲気により酸化膜を形成することを特徴とするものである。
【００１３】
かかる半導体装置の製造方法において、前記処理チャンバへ前記水素と酸素より合成された前記混合ガスを導入して、前記酸化膜を所定時間形成し、前記水素と前記酸素の導入を止め、前記反応器へ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前記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かかる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。
【発明の効果】
【００１６】
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。
【００１７】
(1).すなわち、本発明の半導体装置の製造技術によれば、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。
【００１８】
(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。
【００１９】
(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。
【００２０】
(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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
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。
【００２２】
（実施の形態１）
図１は本発明の一実施の形態である半導体装置の製造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。
【００２３】
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。
【００２４】
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，６ｂ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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
それぞれのガス貯留槽２２ａ，２２ｂ，２２ｃから延びる配管上にはマスフローコントローラ２３ａ，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２３ａ，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。
【００２９】
図示するように、ガス貯留槽２２ａ，２２ｂ，２２ｃからの配管は開閉バルブ２５ａ，２５ｂ，２５ｃ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。
【００３０】
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２７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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
このように、Ｈ2ガスをラジカル化してＯ2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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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Ｈ2ガスおよびＯ2ガスの供給を止め、再び開閉バルブ２５ｃ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。
【００３９】
（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。
【００４０】
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３６ａ，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。
【００４１】
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。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の一実施の形態による半導体装置の製造方法における酸化膜形成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半導体装置の製造方法における酸化膜形成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半導体装置の製造方法における酸化膜形成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】
【００４３】
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
【図１】
2005012234.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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