(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板に膜厚５ｎｍ以下の絶縁膜を形成する工程を有する半導体装置の製造方法において、前記絶縁膜を形成する工程は、
酸素濃度が１ｐｐｍ以下の雰囲気中で、フッ酸溶液に前記半導体基板を所定時間浸した後、溶残酸素が１００ｐｐｂ以下である純水でリンスすることにより半導体基板の自然酸化膜を除去し且つ、その表面の平均表面粗さを０．１６ｎｍ以下に低減させる前処理工程と、
この前処理工程を経た前記半導体基板の表面に活性酸素を含む、４１０℃〜７００℃の雰囲気でのラジカル酸化により絶縁膜を形成する成膜工程と
を有し、
前記前処理工程を経た後、前記成膜工程の開始までの間の昇温工程を含む工程において、前記半導体基板を、酸素分圧が１０−３Ｔｏｒｒ以下の非酸化性雰囲気に保持する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
酸素濃度が１ｐｐｍ以下の雰囲気中で、フッ酸溶液に半導体基板を所定時間浸した後、溶残酸素が１００ｐｐｂ以下である純水でリンスすることにより半導体基板の自然酸化膜を除去して、その表面の平均表面粗さを０．１６ｎｍ以下に低減させる前処理室と、
この前処理室で処理された前記半導体基板の表面に、ラジカル酸化のための活性酸素種を含む、４１０℃〜７００℃の雰囲気でのラジカル酸化により絶縁膜を形成する成膜室と、
前記前処理室で処理された前記半導体基板を、酸素分圧が１０―３Ｔｏｒｒ以下の非酸化性雰囲気に保持して前記成膜室に搬送する搬送室と、
を有し、
前記前処理室での前処理工程を経た後、前記成膜室での成膜工程の開始までの間の昇温工程を含む工程において、前記半導体基板を、酸素分圧が１０−３Ｔｏｒｒ以下の非酸化性雰囲気に保持するように構成された
ことを特徴とする半導体装置の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体基板に絶縁膜を形成する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】
シリコンを用いた半導体素子、特にＭＩＳＦＥＴの性能は、集積回路技術の進歩により年々向上している。しかし近年、リソグラフィ技術の微細化の限界や、シリコンのキャリア移動度の飽和等が指摘されており、ＭＩＳＦＥＴの更なる高性能化には、製造プロセスのより精密な制御が求められている。具体的に、ＭＩＳＦＥＴの性能の指標である電子移動度を向上させるために、ゲート絶縁膜とシリコン基板との界面の精密制御を行う技術が注目されている。ＭＩＳＦＥＴの性能は、シリコン基板内での不純物散乱の他、界面散乱や界面準位密度の影響を受けるためである。
【０００３】
本発明者等も、購入シリコン基板に酸化膜を形成した場合の酸化膜と基板の界面の粗さ（ラフネス）について種々の検討を行ってきた。図３は、シリコン基板に熱酸化を行った場合の、酸化膜除去後の表面粗さをＡＦＭにより評価した酸化膜厚依存性を示している。購入シリコン基板の平均表面粗さは通常、２００ｎｍ平方の範囲の二乗平均値（Ｒｍｓ）で０．２ｎｍという保証がされている。以下、この明細書で“平均表面粗さ”というときは、日本工業規格ＪＩＳ Ｂ０１５３２に基づいて測定された、２００ｎｍ平方の範囲でのＲｍｓ値で表すものとする。図３は、この様なシリコン基板について、自然酸化膜を１％ＨＦ溶液で除去した後、９００℃の大気圧下で熱酸化（ドライ酸化）した場合のデータである。
【０００４】
図３のデータから、平均表面粗さは、およそ１０ｎｍの酸化膜が形成されるまでは増加し、それ以上酸化膜が厚くなると減少する傾向が認められる。現状のＬＳＩで用いられるＭＩＳＦＥＴでは、ゲート酸化膜厚はおよそ５ｎｍかそれよりも薄い。従ってドライ酸化によりこの様なゲート酸化膜を形成すると、基板との界面の粗さは増加し、ＭＩＳＦＥＴの性能を劣化させることになる。この様な酸化による界面粗さの増加は、自然酸化膜除去後、ゲート酸化膜形成直前までの基板保持状態、或いはその後の酸化膜形成機構のいずれか、或いは両方に起因する。
【０００５】
通常、ドライ酸化の前処理として、自然酸化膜の除去と非酸化性雰囲気での基板加熱工程が含まれる。自然酸化膜除去は、プロセス開始前の自然酸化膜表面や内部に含まれる汚染物質の除去と、その後の表面清浄化が目的である。またその後の基板加熱工程は、ドライ酸化工程の９００℃程度への昇温工程として、酸化速度の確保及び酸化膜質の向上にとって不可欠である。
【０００６】
しかし、自然酸化膜除去後、酸素を含む雰囲気に晒すと局所的な酸化が生じ、当初平坦であった基板表面が、不均一な酸化膜で覆われて界面粗さの大きい状態に変化してしまう。一方、ドライ酸化に移行するまでの昇温工程でも、雰囲気中の残留酸素による局所的酸化が生じるだけでなく、基板温度が６００℃を越えると、シリコン基板表面からＳｉ原子が脱離する表面エッチングが生じる。図３に示すように、ドライ酸化により界面粗さが増加する現象には、これらの要因が考えられる。
【０００７】
これに対して、活性酸素を用いて酸化膜を形成する方法（ラジカル酸化）がある。このラジカル酸化を９００℃で行った場合について、シリコン基板の平均表面粗さの酸化膜厚依存性を測定した結果が、図４である。酸化の前処理として自然酸化膜除去を行っていることは、先のドライ酸化の場合と同様である。なおこの結果は、本発明者等により既に公表されている（ＩＳＳＳ−３，ＰＳ−２−５８，Ｎｏｖ．２９，１９９９）。
【０００８】
図３の結果と比較して明らかなように、ラジカル酸化を行った場合には、酸化膜厚の増大と共に、界面粗さは単調に減少している。従って、５ｎｍ程度のゲート酸化膜を形成した場合に、ラフネスをより小さく抑えるためには、ドライ酸化よりもラジカル酸化が好ましいことがわかる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図３と図４のデータからは、酸化膜厚が１０ｎｍ以上、特に２０ｎｍ以上になると、熱酸化の場合とラジカル酸化の場合とで界面粗さに顕著な差が認められるものの、５ｎｍ以下の微小膜厚では、それほど大きな相違はない。
次世代の微細ＭＩＳＦＥＴの高性能化を考えた場合には、ゲート酸化膜厚５ｎｍ以下で界面粗さのより小さい状態を実現する技術が望まれる。
【００１０】
この発明は、上記事情を考慮してなされたもので、界面粗さを小さくできる絶縁膜形成工程を持つ半導体装置の製造方法及び製造装置を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明は、半導体基板に膜厚５ｎｍ以下の絶縁膜を形成する工程を有する半導体装置の製造方法において、前記絶縁膜を形成する工程は、酸素濃度が１ｐｐｍ以下の雰囲気中で、フッ酸溶液に前記半導体基板を所定時間浸した後、溶残酸素が１００ｐｐｂ以下である純水でリンスすることにより半導体基板の自然酸化膜を除去し且つ、その表面の平均表面粗さを０．１６ｎｍ以下に低減させる前処理工程と、この前処理工程を経た前記半導体基板の表面に活性酸素を含む、４１０℃〜７００℃の雰囲気でのラジカル酸化により絶縁膜を形成する成膜工程とを有し、前記前処理工程を経た後、前記成膜工程の開始までの間の昇温工程を含む工程において、前記半導体基板を、酸素分圧が１０−３Ｔｏｒｒ以下の非酸化性雰囲気に保持することを特徴とする。
【００１２】
本発明者等の研究によると、酸化膜形成に際して、予め半導体基板の自然酸化膜を除去すると共にその表面粗さを低減させる前処理を行うと、その後薄い酸化膜を形成する場合に酸化膜形成法によって界面粗さに明確な差が生じることが明らかになった。即ち、熱酸化の場合には、前処理において十分に表面粗さを小さい状態としても、５ｎｍ程度の酸化膜を形成すると界面粗さの大きな増加が認められるのに対して、ラジカル酸化では界面粗さの増加はごく小さく抑えられる。つまり、１０ｎｍ程度以下、更には５ｎｍ以下の酸化膜形成にとって、前処理とラジカル酸化の組み合わせの優位性が初めて明らかになった。
【００１３】
図１は、この発明の優位性を示す、本発明者等による実験データを示している。購入時のシリコン基板の平均表面粗さは、前述のように、０．２ｎｍ程度が保証されている。これに対して、実験では、予めＣＶＤによりシリコン層をエピタキシャル成長させることで、平均表面粗さを０．１５ｎｍ以下にまで平坦化した試料を用意した。この試料基板に対して更に、自然酸化膜除去等の前処理を行い、９００℃で熱酸化を行った場合と、９００℃でラジカル酸化を行った場合の、平均表面粗さの酸化膜厚依存性を測定した結果が、図１である。
【００１４】
この結果から、酸化膜厚５ｎｍについて見ると、熱酸化を行った場合には界面粗さが大きく増加しているのに対し、ラジカル酸化を行った場合には、僅かの増加が認められるものの、熱酸化に比べるとごく小さい。即ち、５ｎｍの酸化膜形成においてその界面状態について、平均表面粗さ０．１６ｎｍ以下を実現するには、熱酸化は不適当であり、ラジカル酸化でなければならないことがわかる。
【００１５】
図１のデータは、前処理工程で平均表面粗さを０．１５ｎｍ以下まで低下させた場合を示しているが、購入当初に保証されている平均表面粗さを少なくとも０．１６ｎｍ以下まで低減させる前処理工程を入れることによって、その後熱酸化を行った場合とラジカル酸化を行った場合の表面粗さ変化の相違は、図１のデータと同様に顕著に認められている。従ってこの発明は、少なくとも前処理工程において、平均表面粗さを０．１６ｎｍ以下にすれば、有効である。
【００１６】
前処理の一環として、半導体基板の表面粗さを低減するために、実験ではエピタキシャル成長を行ったが、他の方法として、犠牲酸化膜を形成してこれを除去する方法、非酸化性雰囲気で高温加熱を行う方法、溶液処理を行う方法等が有効である。これらの方法によって、酸化膜形成前の基板の平均表面粗さを、０．１６ｎｍ以下にする。その後ラジカル酸化を行うことによって、１０ｎｍ以下の酸化膜厚で、平均表面粗さ０．１６ｎｍ以下を実現することが可能になる。
【００１７】
ラジカル酸化は、４１０℃〜７００℃以下で行うことが望ましい。即ち４１０℃未満では、実用上必要な酸化速度が得られない。また７００℃を越えると昇温工程終了直後から酸化開始直前までの間にラフネスが増加する可能性がある。
【００１８】
前処理工程を経た後、成膜工程までの間にも、例えば昇温工程で微量な残留酸素があると、局所的な酸化により表面粗さを増大させ、また保持雰囲気が適当でないと基板原子が脱離してやはり表面粗さを増大させる。従って、前処理後、成膜までの間、表面粗さ増加の要因を作らないことも重要であり、好ましくは、前処理した半導体基板を成膜工程まで、酸素分圧が１０-2Ｔｏｒｒ以下、より好ましくは１０-3Ｔｏｒｒ以下の非酸化性雰囲気に保つようにする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を説明する。
図２は、この発明の実施の形態による酸化膜（ＳｉＯ2膜）形成装置を示している。この装置は、前処理室１と成膜室２及び、これらの間で基板を搬送する搬送室３とから構成されている。
【００２０】
シリコン基板１０は、前処理室１にセットしてまず、自然酸化膜を除去すると共に、平均表面粗さが０．１６ｎｍ以下になるような前処理を行う。具体的に前処理室１は、高純度窒素雰囲気に保たれるようにし、１％希フッ酸（ＨＦ）溶液にシリコン基板１０を１分浸して自然酸化膜を除去した後、連続して、超純水でリンスする。超純水は、溶残酸素が１００ｐｐｂ以下のものを用いる。また雰囲気は、自然酸化膜除去後のシリコン基板１０の表面に再度酸素付着による酸化が生じないように、酸素濃度を１ｐｐｍ以下にする。
【００２１】
なお自然酸化膜除去と表面平坦化の方法は、上述したＨＦ溶液処理の他、超高真空下で６００℃以上に加熱する方法、気体状のＨＦ雰囲気下或いは不活性ガス（Ｎ２，Ａｒ，Ｈｅ等）や水素雰囲気下で加熱する方法、電子線照射後加熱する方法等を用い得る。また基板の平坦化は、前処理室１にセットする前に、エピタキシャル成長する方法、或いは犠牲酸化膜を形成してこれを前処理室１にセットして除去する方法等も用いうる。基板加熱は、基材載置台１１に設置されたヒータにより行う。
【００２２】
前処理が済んだシリコン基板１０は、高純度窒素雰囲気に保たれた搬送室３を介して、成膜室２に搬送する。成膜室２においても実際に成膜が開始されるまでは高純度窒素雰囲気に保たれることが必要であり、このため成膜室２には、酸化原料（活性酸素種）を供給するラインと別に高純度Ｎ２ガス供給ラインが接続されている。即ち、酸化開始までは、高純度Ｎ２ガスを成膜室２に供給し、搬送室３から成膜室２まで、酸素分圧が１０-2Ｔｏｒｒ以下、より好ましくは、１０-3Ｔｏｒｒ以下に保つ。これにより、前処理されたシリコン基板１０の無用な酸化、或いはＳｉ脱離等による表面粗さ増加が防止される。
【００２３】
成膜室２に搬送されたシリコン基板１０に対して、供給ガスを切り換えてラジカル酸化を行う。具体的に、活性酸素種は、周知の方法例えば、ＲＦプラズマ、マイクロ波放電、紫外線照射、レーザ照射等により発生させることができる。活性酸素種としては、励起された酸素分子、励起された酸素原子（3Ｐ，1Ｄ，1Ｓ状態）、或いはオゾン（Ｏ3）を用い得る。
【００２４】
基板載置台２１にはヒータが設けられ、基板を加熱することにより成膜速度を制御することができる。具体的に、ラジカル酸化の工程で表面粗さを増加させないためには、ラジカル酸化の間、基板温度を４１０℃〜７００℃の範囲で制御することが好ましい。より好ましくは、６５０℃以下に抑える。
【００２５】
この様な方法によりシリコン酸化膜形成を行うと、１０ｎｍ或いはそれ以下の酸化膜を形成した場合に、平均表面粗さを０．１６ｎｍ以下に抑えることができる。この方法を微細ＭＩＳＦＥＴのゲート酸化膜形成に適用すれば、高性能ＭＩＳＦＥＴを得ることができる。即ち、極薄ゲート酸化膜を持つＭＩＳＦＥＴでは、ゲート酸化膜／基板界面の散乱や界面準位等によりキャリア移動度が制限されるが、この実施の形態の方法によりゲート酸化膜／基板の界面粗さを低減することによって、ＭＩＳＦＥＴの高性能化を図ることができる。
【００２６】
この発明は、上記実施の形態に限られない。実施の形態では、シリコン基板にシリコン酸化膜を形成する場合を説明したが、他の半導体基板例えば、ＧａＡｓ，ＳｉＣ，ＧａＮ，ＺｎＳｅ等の化合物半導体基板に薄い絶縁膜を形成する場合にも有効である。また絶縁膜として、シリコン酸化膜の他、シリコン窒化膜（ＳｉxＮy）、シリコン酸窒化膜（ＳｉxＯyＮz）を形成する場合、更に、Ｔａ，Ｂａ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ａｌ，Ｙ，Ｐｒ，Ｌａのいずれか或いはそれらの組み合わせを含む金属酸化物膜を形成する場合にも同様にこの発明を適用することができる。
【００２７】
【発明の効果】
以上述べたようにこの発明によれば、半導体基板表面の表面粗さを低減させる前処理を行い、活性種を含む比較的低温の雰囲気で絶縁膜を形成することにより、界面粗さを抑制した薄い絶縁膜を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の原理を説明するための半導体基板の平均表面粗さの酸化膜厚依存性を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態による酸化膜形成工程及び装置を説明するための図である。
【図３】シリコン基板の熱酸化による平均表面粗さの酸化膜厚依存性を示す図である。
【図４】シリコン基板のラジカル酸化による平均表面粗さの酸化膜厚依存性を示す図である。
【符号の説明】
１…前処理室、２…成膜室、３…搬送室、１０…シリコン基板、１１，２１…基板載置台。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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