(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化膜が形成された半導体基板を１０００℃以上の温度で熱処理する熱処理工程と、前記熱処理工程の温度から降温する降温工程とを有する半導体装置の製造方法において、
前記降温工程は、
１０００℃以上の範囲では、第１の降温レートで降温し、
９００℃以上１０００℃未満の範囲では、第１の降温レートよりも小さい第２の降温レートで降温する
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、
前記降温工程は、
９００℃未満の範囲では、前記第２の降温レートよりも大きい第３の降温レートで降温する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
酸化膜が形成された半導体基板を１０００℃以上の温度で熱処理する熱処理工程と、前記熱処理工程の温度から７５０℃まで降温する降温工程とを有する半導体装置の製造方法において、
前記降温工程は、
１０００℃以上の範囲では、前記降温工程の平均降温レートよりも大きな降温レートで降温し、
９００℃以上１０００℃未満の範囲では、前記平均降温レートよりも小さな降温レートで降温する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項４】
酸化膜が形成された半導体基板を１０００℃以上の温度で熱処理する熱処理工程と、前記熱処理工程の温度から降温する降温工程とを有する半導体装置の製造方法において、
前記降温工程は、
１０００℃以上の範囲では、４℃／分以上の降温レートで降温し、
９００℃以上１０００℃未満の範囲では、２℃／分以下の降温レートで降温し、
９００℃未満の範囲では、４℃／分以上の降温レートで降温する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
請求項４記載の半導体装置の製造方法において、
前記降温工程は、
１１００℃以上の範囲では、１０℃／分以上の降温レートで降温する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項６】
請求項４又は５記載の半導体装置の製造方法において、
前記降温工程は、
１０５０℃以上１１００℃未満の範囲では、５℃／分以上の降温レートで降温する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項７】
請求項４乃至６のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記降温工程は、
８５０℃以下の範囲では、５℃／分以上の降温レートで降温する
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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸化膜が形成された半導体基板を熱処理する熱処理工程を有する半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体基板には、もともと種々の不純物やそれらに起因する微小な結晶欠陥が内包されている。結晶欠陥には、例えば、不純物としての酸素に起因する微小欠陥として酸素析出核がある。不純物酸素の濃度が高くなると、半導体装置の製造時の熱課程により不純物の酸素が酸素析出核に凝集して酸素析出物に成長することがある。この酸素析出物が半導体基板の表層部に存在すると素子特性が劣化する。特に、半導体デバイスの集積度の向上に伴い、半導体基板中の酸素析出物の存在が大きな問題となっている。
【０００３】
このため、半導体基板の表層部における酸素濃度を低減することが重要な課題となり、酸素外方拡散のような半導体基板の酸素濃度を低減する技術の重要性が高くなってきている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、酸化膜が形成された半導体基板の場合、酸素外方拡散のために熱処理を行っても、ある値以下に酸素濃度を下げることができないという問題があった。本願発明者等は、熱処理時に酸化膜を構成している酸素原子が半導体基板内に内方拡散する酸化膜効果がその原因であることを見いだした（阿部他、第４３回応用物理学会予稿集、２８ａ−Ｘ−６（１９９６））。しかしながら、酸化膜効果のメカニズムは明らかでなく、酸素原子の内方拡散を有効に阻止できる方策は明らかではなかった。
【０００５】
本発明の目的は、酸化膜から酸素原子が内方拡散する酸化膜効果を有効に抑制して、半導体基板の表層部における酸素濃度を低減することができる半導体装置の製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、酸化膜が形成された半導体基板を１０００℃以上の温度で熱処理する熱処理工程と、前記熱処理工程の温度から降温する降温工程とを有する半導体装置の製造方法において、前記降温工程は、１０００℃以上の範囲では、第１の降温レートで降温し、９００℃以上１０００℃未満の範囲では、第１の降温レートよりも小さい第２の降温レートで降温することを特徴とする半導体装置の製造方法によって達成される。
【０００７】
上述した半導体装置の製造方法において、前記降温工程は、９００℃未満の範囲では、前記第２の降温レートよりも大きい第３の降温レートで降温することが望ましい。
上記目的は、酸化膜が形成された半導体基板を１０００℃以上の温度で熱処理する熱処理工程と、前記熱処理工程の温度から７５０℃まで降温する降温工程とを有する半導体装置の製造方法において、前記降温工程は、１０００℃以上の範囲では、前記降温工程の平均降温レートよりも大きな降温レートで降温し、９００℃以上１０００℃未満の範囲では、前記平均降温レートよりも小さな降温レートで降温することを特徴とする半導体装置の製造方法によって達成される。
【０００８】
上記目的は、酸化膜が形成された半導体基板を１０００℃以上の温度で熱処理する熱処理工程と、前記熱処理工程の温度から降温する降温工程とを有する半導体装置の製造方法において、前記降温工程は、１０００℃以上の範囲では、４℃／分以上の降温レートで降温し、９００℃以上１０００℃未満の範囲では、２℃／分以下の降温レートで降温し、９００℃未満の範囲では、４℃／分以上の降温レートで降温することを特徴とする半導体装置の製造方法によって達成される。
【０００９】
上述した半導体装置の製造方法において、前記降温工程は、１１００℃以上の範囲では、１０℃／分以上の降温レートで降温することが望ましい。
上述した半導体装置の製造方法において、前記降温工程は、１０５０℃以上１１００℃未満の範囲では、５℃／分以上の降温レートで降温することが望ましい。
【００１０】
上述した半導体装置の製造方法において、前記降温工程は、８５０℃以下の範囲では、５℃／分以上の降温レートで降温することが望ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態による半導体装置の製造方法について図面を用いて説明する。
本願発明者は、酸化膜を形成したＣＺ（Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ）結晶での酸素外方拡散のメカニズムを調べるため、酸素濃度がほとんどゼロであるＦＺ（Ｆｌｏａｔｉｎｇ  Ｚｏｎｅ）結晶に酸化膜を形成した試料と、酸化膜が形成されていないＣＺ結晶の試料とを用意した。これら試料を不活性ガス中において熱処理した。また、熱処理温度での状態を保存するため、通常（比較例）の降温処理をせず、急冷を施した試料も作成した。そして、試料内部の酸素量を低温赤外吸収法（Ｌｏｗ−ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｉｎｆｒａｒｅｄ  ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ  ｍｅｔｈｏｄ）で、また酸素濃度分布を二次イオン質量分析計（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ）を用いて測定した。
【００１２】
図１に、低温赤外吸収法による試料内部の酸素量の測定結果を示す。この測定結果から、ＦＺ結晶に酸化膜を形成した試料では、１０００℃付近では結晶内に酸素の進入は観測されないが、これより熱処理温度を上げていくと、それにつれて結晶内に侵入した酸素量が多くなることが明らかになった。
図２に、ＳＩＭＳによる試料内部の酸素濃度分布の測定結果を示す。この測定結果から、ＦＺ結晶に酸化膜を形成した試料では、熱処理温度が高いほど結晶表層での酸素濃度が高くなることがわかった。さらに、比較例のシーケンスで降温した試料と急冷した試料では表層の酸素濃度プロファイルに大きな違いが見られた。また、酸化膜を形成していないＣＺ結晶では、熱処理温度が高いほど結晶表層での酸素濃度が低くなることわかった。
【００１３】
酸化膜を形成したＦＺ結晶を熱処理すると、図３（ａ）に示すように、熱処理当初は酸化膜からＦＺ結晶に酸素原子が内方拡散する（フラックスｆｉ）が、一方、ＦＺ結晶内に内方拡散された酸素原子が再び外方拡散する（フラックスｆｏ）現象も同時に起こると考えられる。
また、酸化膜を形成していないＣＺ結晶を熱処理すると、図３（ｂ）に示すように、酸化膜からの内方拡散はないので、ＣＺ結晶内部から酸素原子が外方拡散する（フラックスＦ）現象のみが起こると考えられる。
【００１４】
したがって、酸化膜を形成したＣＺ結晶の場合には、図３（ｃ）に示すように、図３（ａ）の現象と図３（ｂ）の現象が複合して起きていると考えられ、フラックスｆｉの内方拡散とフラックスｆｏ＋Ｆの外方拡散が同時に起こっていると考えられる。
また、同じ外方拡散であるから、図３（ａ）の場合も図３（ｂ）の場合も、フラックスｆｏとフラックスＦの絶対値は内部の酸素濃度に依存して異なるものの、同様の温度特性であると考えられる。
【００１５】
図３に示すメカニズムを前提として、上述した実験結果は、（１）約１０５０℃以上の温度範囲では熱処理温度が高くなると結晶内に侵入する酸素量が多くなる、（２）１０００℃付近では結晶内に酸素はほとんど侵入しない、ということを示しており、これら実験結果から次のような結論１乃至３に至った。
（結論１）約１０５０℃以上の温度範囲ではフラックスｆｉがフラックスｆｏよりも大きく、その傾向は温度が高くなるにしたがって顕著となる。
【００１６】
（結論２）約１０００℃〜１０５０℃の間にフラックスｆｉとフラックスｆｏの等しくなる温度Ｔ１が存在する。また、拡散理論より約８００℃〜８５０℃での酸素の拡散係数は１０００℃のときのそれと比べて１／１００程度である。
（結論３）約８００℃〜８５０℃の間に酸素の拡散を無視できる温度Ｔ２が存在する。
【００１７】
さらに、温度Ｔ１以下ではフラックスｆｏがフラックスｆｉよりも大きくなること、つまり、フラックスの反転が起きていることが、図２のＳＩＭＳの結果からわかる。ＦＺ結晶に熱処理を施した後急冷した試料と、急冷せず比較例のシーケンスｒで降温している試料とでは、酸素濃度プロファイルが明らかに異なる。急冷した試料では酸化膜／シリコン界面に向かって酸素濃度が単調増加しているのに対して、急冷をしなかった試料では表層７μｍあたりに極地をもち、そこから界面に向かって減少していく。このことは降温中に外方拡散で酸素がＦＺ結晶から出ていくことを意味している。
【００１８】
問題は、降温中のどの温度でその現象が起こっているかであるが、それは温度Ｔ１と温度Ｔ２の間である考えられる。もし、温度Ｔ１と温度Ｔ２の間でもフラックスｆｉがフラックスｆｏよりも大きいとするなら、温度Ｔ２まで降温していく課程で常に酸化膜からＦＺ結晶中に酸素が外方拡散し続けて、ＦＺ結晶内の酸素の侵入量は増加し続けるはずである。さらに、温度Ｔ２以下では酸素がほとんど拡散しないので、ＦＺ結晶から酸素が外方拡散することはなく、表層で酸素濃度が減少するはずがない。つまり、温度Ｔ１と温度Ｔ２の間で酸素が外方拡散していると考えなければ実験結果と矛盾を生じてしまうのである。このような考察から次の結論４に至った。
【００１９】
（結論４）温度Ｔ１以下ではフラックスｆｏがフラックスｆｉよりも大きくなる。
このことから、図４に示すように、内方拡散のフラックスｆｉと外方拡散のフラックスｆｏが反転する温度Ｔ１は、おおよそ１０００℃から１０５０℃の間にあり、酸素原子の拡散を無視できる温度Ｔ２は、おおよそ８００℃から８５０℃の間にあるということがわかった。
【００２０】
したがって、本実施形態の降温工程では、例えば、図５に示すように、１０００℃以上の範囲では従来よりも降温レートを大きくし（例えば、約４℃／分以上）、９００℃以上１０００℃未満の範囲では従来よりも降温レートを小さくし（例えば、約２℃／分以下）、９００℃未満の範囲では全降温時間を短く終わらせるために降温レートを従来よりも大きくする（例えば、約４℃／分以上）。
【００２１】
更に、１０００℃以上の範囲においても、温度が高くなるほど降温レートを大きくすることが望ましい。例えば、図５に示すように、１０５０℃以上の範囲では降温レートを更に大きくし（例えば、約５℃／分以上）、１１００℃以上の範囲では降温レートを更に大きくする（例えば、約１０℃／分以上）ことが望ましい。
【００２２】
また、９００℃以下の範囲においても、温度が低くなるほど降温レートを大きくすることが望ましい。例えば、図５に示すように、８５０℃以下の範囲では降温レートを更に大きくする（例えば、約５℃／分以上）ことが望ましい。
このように、本実施形態によれば、約１０００℃以上の範囲では降温レートを通常よりも大きくして内方拡散が多い降温時間を短くし、約１０００℃未満の範囲では降温レートを通常よりも小さくして外方拡散が多くなる降温時間を長くなるようにしたので、酸化膜から酸素原子が内方拡散する酸化膜効果を有効に抑制して、半導体基板の表層部における酸素濃度を低減することができる。
【００２３】
本発明は上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
例えば、上記実施形態では、アルゴン雰囲気での外方拡散熱処理の降温過程にについて説明したが、他の熱処理の降温過程でもよい。
また、上記実施形態では、シリコン基板の外方拡散熱処理について説明したが、他の半導体基板の熱処理でもよい。
【００２４】
【実施例】
約３００ｎｍ厚の酸化膜を形成したＦＺ結晶のシリコン基板をアルゴン雰囲気中で１１５０℃、１８時間、熱処理し、その後、図５の実施例の降温シーケンスにしたがって降温した。すなわち、１１５０℃以下１１００℃以上の範囲では１０℃／分の降温レートで、１１００℃未満１０５０℃以上の範囲では５℃／分の降温レートで、１０５０℃未満１０００℃以上の範囲では４℃／分の降温レートで、１０００℃未満９００℃以上の範囲では２℃／分の降温レートで、９００℃未満８５０℃超の範囲では４℃／分の降温レートで、８５０℃以下７５０℃以上の範囲では５℃／分の降温レートで、１１５０℃から７５０℃まで１１０分をかけて降温した。
【００２５】
このような降温シーケンスで降温したＦＺ結晶のシリコン基板表層の酸素濃度をＳＩＭＳにより測定した。測定結果を図６に示す。シリコン基板表面、すなわち酸化膜とシリコン基板の界面から約７μｍの位置での酸素濃度は、１．４×１０17［ａｔｏｍｓ／ｃｍ3］であった。
比較例として、約３００ｎｍ厚の酸化膜を形成したＦＺ結晶のシリコン基板をアルゴン雰囲気中で１１５０℃、１８時間、熱処理し、その後、図５の比較例の降温シーケンスにしたがって降温した。すなわち、１１５０℃から７５０℃まで同じ１１０分をかけ、平均した降温レートで降温した。降温レートは約３．７℃／分である。
【００２６】
このような降温シーケンスで降温したＦＺ結晶のシリコン基板表層の酸素濃度をＳＩＭＳにより測定した。測定結果を図６に示す。シリコン基板表面、すなわち酸化膜とシリコン基板の界面から約７μｍの位置での酸素濃度は、１．７×１０17［ａｔｏｍｓ／ｃｍ3］であった。
図６から明らかなように、実施例では比較例に比べて２０％以上酸素濃度を低減することができた。
【００２７】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によれば、約１０００℃以上の範囲では、第１の降温レートで降温し、約１０００℃未満の範囲では、第１の降温レートよりも小さい第２の降温レートで降温したので、内方拡散が多い降温時間を短くし、外方拡散が多くなる降温時間を長くして、酸化膜から酸素原子が内方拡散する酸化膜効果を有効に抑制して、半導体基板の表層部における酸素濃度を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】低温赤外吸収法によるＦＺ結晶への酸素内方拡散量を示すグラフである。
【図２】急冷と比較例の降温におけるＦＺ結晶内酸素内方拡散プロファイルを示すグラフである。
【図３】酸化膜を形成したＣＺ結晶での酸素外方拡散のメカニズムの説明図である。
【図４】酸化膜を形成したＦＺ結晶における内方拡散のフラックスｆｉと外方拡散のフラックスｆｏの関係の仮説を示すグラフである。
【図５】実施例と比較例の降温シーケンスを示すグラフである。
【図６】実施例と比較例のシリコン基板表層の酸素濃度を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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