JPH038331A

JPH038331A - 酸化シリコン形成方法及び形成装置

Info

Publication number: JPH038331A
Application number: JP14489489A
Authority: JP
Inventors: Toru Tatsumi; 徹辰巳
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1989-06-06
Filing date: 1989-06-06
Publication date: 1991-01-16

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は酸化シリコン形成方法及び形成装置に係わり、
詳しくは高品質な酸化シリコンを低温で形成する方法及
び装置に関する。

（従来の技術）従来、シリコン酸化膜の形成方法はシリコン基板の熱酸
化もしくは、気相成長によるものであった。シリコン基
板の熱酸化によれば高品質のシリコン酸化膜が得られ、
また界面はシリコン基板内に形成されるため界面準位密
度も少ない。しかし、熱酸化のためには８００°Ｃ以上
の高温を必要とし、熱酸化の過程で不純物の拡散によっ
て、基板内に形成した不純物プロファイルが崩れてしま
うという欠点がある。一方、気相成長によれば低温の酸
化膜形成が可能ではある。しかし、この気相成長では気
相中でシリコンと酸素の反応が起こり５ｉＣ）ｚ粒子と
なって基板上に降り積もるため、酸化膜中にはボイドが
多数存在する。このため、気相成長によって形成した酸
化膜は、熱酸化膜に比べて耐圧が低くリーク電流も多い
。さらに、シリコン表面の清浄化が行われないため、界
面準位密度が多く、ＭＯＳデバイスのゲート酸化膜等高
品質の酸化膜が要求される箇所には使用することができ
ないという問題点があった。さらに、ＭＯＳデバイスの
ゲート酸化膜は、ＬＳＩの高密度化に伴い薄膜化の傾向
にあり、近い将来には１００人あるいはそれ以下の膜厚
が必要になると予想される。特にＤＲＡＭでは、α線に
よるソフトエラーを防止するために容量を少なくするこ
とが困難な状況にあり、従って微細化に伴う容量の減少
を酸化膜の薄膜化で補う必要がある。さらに、チップサ
イズの大型化によりゲート領域の占める面積も広くなり
つつあり、大面積にわたって耐圧不良のない電気的絶縁
性の優れた酸化膜が要求される。一方、酸化膜が薄くな
っても動作電圧を下げること実用上困難であり、酸化膜
は従来よりも高い電界強度のもとで使用される傾向にあ
る。しかし、熱酸化膜は膜厚が薄くなると、ピンホール
やウィークスポットなど絶縁不良をひきおこす欠陥が多
数発生する。この原因はＳｉと５ｉ０２の界面に存在す
るＳｉＯ工層の影響が酸化膜厚が薄くなってくると無視
し得なくなってくること、また微粒子、有機物、油脂、
あるいはバクテリアの付着などによる表面の汚染である
と考えられている。

そこで、発明者は検討を重ね分子状のＳｉと０２を同時
に基板に供給したところ、低温で酸化膜が形成できるこ
とを見出した。また、この方法では気相成長により酸化
膜の堆積と異なり分子線領域で行うため、気相反応では
なく表面でのＳｉの酸化が生じる。このため、気相成長
に比べてよりちみっな膜の形成が行えることがわかった
。さらに、５ｉ０２形成前にＳｉ分子線成長法でＳｉの
バッファーエピタキシャル層を成長することによって５
ｉ０２／Ｓｉ界面を原子オーダーで平坦にすることがで
き、界面の凹凸による電界集中に起因する耐圧の低下及
び界面遷移層に起因する界面準位密度を減少させること
ができた。しかし、非常に希薄な酸素雰囲気中での成長
では、膜内に取り込まれる酸素濃度は成長温度に大きく
依存し、成長温度が低いほど高くなりた。さらに、室温
で成長しても酸素量が足りないために膜中の酸素濃度は
ＳｉＯのストイキオメトリ−より低いものになる。この
様な酸化膜の耐圧は低く、リーク電流も多かった。

本発明の目的は、この様な従来の欠点を除去せしめて、
高品質な酸化シリコンを低温で形成する方法及び装置を
提供することにある。

（課題を解決するための手段）本発明は、基板上にシリコン（Ｓｉ）分子線とオゾン（
Ｏ３）分子線もしくはオゾンを含む酸素（Ｏ□）分子線
を同時に照射することを特徴とする酸化シリコン形成方
法と真空槽内にシリコン分子発生用として電子銃蒸着装
置と、オゾン分子線発生用として紫外光照射可能な反応
管とこれにつながり真空槽内にオゾンを噴出するための
ノズルをそなえてなることを特徴とする酸化シリコン形
成装置である。また、酸化シリコンを上記方法により形
成する前に基板上に分子線成長方法によりシリコンエピ
タキシャル層を成長すると酸化シリコンとシリコンの界
面を良好なものとすることができる。

（作用）本発明の原理について説明する。０２分子は室温近傍の
低温でも容易に清浄表面上に解離吸着する。しかし、従
来の基板熱酸化では、酸化は５ｉＯｚと基板Ｓｉ結晶界
面において起こっているため、酸素の５ｉ０２中での拡
散と基板結晶Ｓｉのバックボンドを切るために多くのエ
ネルギーを必要とし、これが酸化温度と時間を決定して
いる。第２図に示すように、表面側から分子状のＳｉと
０２を同時に供給すると、酸化はいつも表面で起こり、
しかも結晶を組んでいる基板Ｓｉのバックボンドを切る
必要がないため、低温で酸化膜が形成できる。しかし、
以上のような酸化膜形成方法ではＳｉ分子発生源として
電子銃式蒸着装置を用いるため、Ｓｉ分子と同時に照射
する酸素の分圧を１　ｘ　１０−’Ｔｏｒｒ以上に上げ
ることは難しく、この様に、非常に希薄な酸素雰囲気中
での成長では、膜内に取りこまれる酸素濃度は成長温度
に大きく依存し、成長温度が低いほど高くなた。さらに
、温室で成長しても酸素量が足りないために膜中の酸素
濃度は５１０２のストイキオメトリ−より低いものにな
る。この様な酸化膜の耐圧は低く、ソーク電流も多かっ
た。そこで、発明者は、酸素の酸化力を増大させるため
に、第１図に示すように、紫外光照射した合成石英製反
応管中に酸素を流すことによって、酸素をオゾンもしく
はオゾンと酸素分子線の混合したものとして供給したと
ころ、形成された酸化膜中の酸素濃度が、０２分子線を
照射した場合に比べて、飛躍的に増加することを見出し
た。この様にして成長した膜では成長温度が３００°Ｃ
でも膜中の酸素濃度は５ｉ０２のストイキオメトリ−に
一致し、耐圧、リーク電流、界面準位密度共に熱酸化に
よって形成された酸化膜と同程度のものを作ることがで
きた。

本方法は、基板Ｓｉを酸化するものではなく、Ｓｉも表
面から供給するために、基板はＳｉである必要はなく、
他の材料例えば化合物半導体上でも同様な酸化膜が得ら
れた。

（実施例）発明の実施例について具体的に説明する。実験は４０ｃ
ｃの電子銃式Ｓｉ蒸着器を備えた分子線成長（ＭＢＥ）
装置を用いて行った。試料ウェハーには４インチｎ型５
ｉ（１００）、（１１１）０．０１〜０．０２Ωｃｍ基
板を用いた。

試料ウェハーはＲＣＡ洗浄後、形成室内に搬送し１０人
のａ−８ｉを堆積後、８００°０１１分間の洗浄化を行
い、洗浄面を出し、成長温度５００°Ｃでバッファ層で
あるエピタキシャル層を３０００人成長した。基板温度
を形成温度に下げた後、ノズルから３０〜４０％のオゾ
ンを含んだ酸素を形成室内にリークし電子銃式Ｓｉ蒸着
器から、５ｉｎ２の形成速度換算で０．５５Ａ／ＳのＳ
ｉ分子線を照射し清浄面上に酸化膜を形成した。酸素分
圧は５Ｘ１０　Ｔｏｒｒ一定とし形成温度を室温から７
５０°Ｃまで変化させた。形成膜厚は約１０００人あっ
た。オゾンは純度９９．９９９９％の酸素を合成石英反
応管に導入し、これに出力ＩＫＷのＨｇ−Ｘｅランプを
照射し形成した。酸素の流量は３１／ｍｉｎでこのとき
のオゾン濃度は３０〜４０％であった。

はじめに、形成された膜の組成を調べるためにｘＰＳ観
察を行った。膜圧は１００人一定とした。第２図に５ｉ
２ｐコアレベルビークの変化を示す。図かられがる様に
、形成）１度が下がるにしたがって、５ｉ２ｐビークは
高エネルギー側ヘシフトし室温ではＳｉＯに対応するピ
ーク位置となった。これより、形成温度が低いほど膜の
組成は５ｉ０２に近づくことがわがる。また、室温及び
２００°Ｃ形成の５ｉ２ｐスペクトルにおいて８１０２
ピークの低エネルギー側には、酸素照射のみによって得
られた膜に見られた肩がなく、これらの膜が完全にＳｉ
Ｏ２のストイキオメトリ−に合っていることがわかった
。次に本方法で形成した酸化膜の電気的特性について調
べた。第３図は■特性の基板温度依存性を示したもので
ある。基板温度が室温及び２００°Ｃではリーク電流も
少なく　７０Ｖの時でもブレークダウンがおきていない
が、基板温度が４００°Ｃ以上になると、すぐにブレー
クダウンンがおこってしまい、また、リーク電流も多い
ことがわかった。４００℃になると電気特性が悪化する
のは、第２図に示したｘＰＳのデータかられかるように
、この温度では組成がＳｉＯ□からずれるためであると
考えられる。また、室温で成長したものと２００°Ｃで
成長したものを比べると、２００°Ｃで成長したものの
方がリーク電流がすくない。これは、ストイキオメトリ
−が合っている領域では成長温度が高い方がよりちみつ
な膜が形成できるからであると考えられる。

次に、０２雰囲気で形成した膜と、ｏ３雰囲気で形成し
た膜を比較するために、それぞれの方法で形成した膜の
■特性の膜厚依存性を調べた。膜厚は２００人、５００
人、１０００人とした。第４図に結果を示す。ａ）は５
×ｌＯ°５Ｔｏｒｒの０２雰囲気で形成した膜、ｂ）は
５　Ｘ　１０’Ｔｏｒｒの０３を含む０２雰囲気で形成
した膜である。これより、０３を含む０２雰囲気で形成
した膜の方が、０２雰囲気で形成した膜より３桁以上リ
ーク電流が低く、ブレークダウン電流も大きいことがわ
かな。

最後に、本方法で形成した５ｉ０２／Ｓｉ界面の平坦性
を評価するために５ｉ（１００）面上に５００°Ｃで３
０００人のエピタキシャルバッファー層を成長後、成長
温度２００°Ｃで５　Ｘ　１０’Ｔｏｒｒの０を含む０
の雰囲気中で２５０人のＳｉＯ□を形成し界面の断面格子像を観察した
。

ＭＢＥでバッファー層を成長しているため界面は極めて
平坦であり、界面の乱れは通常の５ｉ（１００）ウェハ
ーを用いた場合、数１００人ごとに観察される１原子層
ステップだけであった。これはもとのＭＢＥ成長バッフ
ァー層上に存在するものである。この１原子層ステップ
の密度はウェハー表面の傾きに依存し、正確にｊｕｓｔ
面を使った場合、数１０００人の平坦なテラスを得るこ
とができた。この様に、ＭＢＥでエピタキシャルバッフ
ァー層を成長後、ＳｉＯを形成したＭＯＳキャパシター
の界面準位密度をｃｖ法により推定したところ、１０　
ａｍ’台であり熱酸化によって得られる界面と同等であ
った。

なお、本実施例ではシリコンウェハーを対象トしたが、
本発明の方法は表面にのみシリコンが依存する５Ｏ８（
Ｓｉｌｉｃｏｎ　ｏｎ　５ａｐｐｈｉｒｅ）基板や更に
一般に５ＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ　ｏｎ　Ｉｎ５ｕｌａｔ
ｏｒ）基板等にも当然適用できる。また、本方法は、基
板Ｓｉを酸化するのではなく、Ｓｉも表面から供給する
ために、本質的に基板はＳｉである必要はなく、化合物
半導体上でも同様に良質な酸化膜が得られることを確認
した。

（発明の効果）以上、詳細に述べた通り本発明によれば、酸化は常に表
面上で行われるため、基板Ｓｉバックボンドを切ったり
酸化膜中で酸素を拡散させる必要もないので２００°Ｃ
から３００°Ｃの低い成長温度でも電気的に熱酸化膜と
同等な酸化膜の形成を行うことができる。また、Ｓｉの
エピタキシャルバッファー層上に酸化膜を形成すること
によって、原子オーダーで平坦な酸化膜とシリコンの界
面を得ることができる。酸素（Ｏ２）に紫外照射した後
、酸素原料分子線としてＳｉ分子線と共にＳｉ供給すれ
ばスイトキオメトリーのとれた酸化膜が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の装置の概念図、第２図は、成長温度を変化させた時のｘＰＳの５ｉ２ｐ
コアベルスペクトルの変化を示す図、第３図は、■特性の基板温度依存性を示す図、第４図は
、（ａ）、（ｂ）は酸化シリコン膜の■特性の膜厚依存
性を示す図で各々０□雰囲気で形成した膜と、ｏ３雰囲
気で形成した膜について■特性の膜厚依存性を示す図で
ある。

Claims

【特許請求の範囲】１、基板上にシリコン（Ｓｉ）分子線とオゾン（Ｏ＿３
）分子線もしくはオゾンを含む酸素（Ｏ＿２）分子線を
同時に照射することを特徴とする酸化シリコン形成方法
。２、基板上にＳｉ分子線成長方法によりＳｉエピタキシ
ャル層を成長させる工程と、このＳｉエピタキシャル層
上に請求項１記載の方法により酸化シリコンを形成させ
る工程とを備えてなることを特徴とする酸化シリコン形
成方法。３、基板設置可能な真空槽内にシリコン分子線発生用電
子銃式蒸着装置と、オゾン分子線発生用ノズルとを備え
、前記ノズルは酸素導入口を有する反応管につながり前
記反応管は反応管内に導入されたガスに照射可能な紫外
光照射手段を備えてなることを特徴とする酸化シリコン
形成装置。