JPH02260638A - 熱酸化膜の形成方法 - Google Patents

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】 ［発明の目的コ （産業上の利用分野） 本発明は、熱酸化膜の形成方法に関する。

（従来の技術） 近年の半導体技術の向上により、各種の大規模集積回路
（ＬＳＩ）が広範な分野で用いられるに到っている。し
かし、その一方で汎用化に伴つて苛酷な環境下で使用さ
れるケースも増加しつつあり、そのために例えば高温、
高湿、急激な温度変化、放射線等に対する耐環境性の向
上が常に求められている。

ところで、ＬＳＩの損傷原因の一つにその椙成上多用さ
れているシリコン（Ｓｉ　）熱酸化膜の破壊がある。す
なわち、例えば、ＬＳＩのゲート絶縁膜やキャパシタ絶
縁膜として多用されているＳ１熱酸化膜は、電圧を印加
すると次第に疲労し、遂には破壊に至るいわゆる経時破
壊が起こるが、この現象は上述の高温等の環境要因で甚
しく加速されるため、ＬＳＩを苛酷な環境下で用いた場
合の主要な故障原因のひとつになっているのである。

昨今ではＬＳＩの縮小化が一段と進み、これら熱酸化膜
に印加される電界ストレスあるいは電流ストレスが相対
的に一層増大する傾向にあることから、熱酸化膜の経時
破壊によるＬＳＩの故障は増加の一途を辿っており、経
時破壊耐性の強化が切望されていた。

従来の薄いＳｉ熱酸化膜の形成方法としては、ＭＯＳキ
ャパシタを作成する場合を例として説明すると、第４図
および第５図に示すようなものがある。第４図は代表的
なＭＯＳキャパシタの構造、第５図はＭＯＳキャパシタ
のゲート酸化膜、即ち薄い熱酸化膜（第４図の符号４で
示す）を酸化炉で成長させる際の時間に対する温度およ
びガスのシーケンスである。

まずＭＯＳキャパシタの製造工程の概要を説明する。十
分に洗浄した単結晶シリコンウェハ（以下単に「Ｓｉウ
ェハ」と呼ぶ）１にＬＯＣＯ３法などによる選択酸化処
理を施して８０００人程度Ｏ７ィールド酸化膜２と結晶
面が露出しているモート領域部３を形成する。モート領
域部３の結晶表面の欠陥層を取り除くために、モート領
域部３を含む３ｉウ工ハ１全面を一旦軽く酸化した後、
モート領域部３にできた酸化膜をエツチングで除去し、
モート領域部３の結晶面を露出させる（いわゆる犠牲酸
化処理）。次に薄い熱酸化膜４を後述するシーケンスパ
ターンでモート領域部３に所定の膜厚だけ成長させる。

つづいてＳｉウェハ１全面に減圧ＣＶＤ法を用いてポリ
Ｓｉ膜を数１０００人堆積し、リン拡散あるいはＰ＋イ
オン注入等の手段でこれを導電化させた後、周知の選択
エツチング手のを用いて前記薄い熱酸化膜４上にポリシ
リコン（Ｓｉ　）ゲート電極５を第４図に示すように形
成する。次にポリＳｉゲート電極５及びフィールド酸化
膜２上にＰＳＧのごとき層間絶縁膜６を所定の膜厚、例
えば４０００ＡＰｉ！度常圧ＣＶＤ法を用いて堆積し、
後に形成するアルミ配線９とポリＳｉゲート電極５を結
線するためのコンタクトボール７をフォトリソグラフィ
技術で開孔する。コンタクトホール７を形成した後、基
板全面にスパッタリング法を用いてＡ１等の金属薄膜を
蒸着し、つづいてこれを選択エツチングすることにより
、金属配線９とパッド電極８をバターニングする。次に
３ｉウ工ハ１全面に渡ってＰＳＧあるいはＰＳＧとプラ
ズマＣＶＤ法で生成した８３Ｎ４　（窒化シリコン）膜
とを積層したパッシベーション膜１０を堆積するととも
に、パッド電極８上のパッシベーション膜１０をエツチ
ングで除去して、ウェハプロセスを終了する。

次に、上述したような熱酸化膜４の熱酸化法として一般
的なものに第５図に示すような乾燥酸素（以下ｄｒｙ○
２）法がある。−例として４００人のＳｉＯ２膜を成長
する場合を挙げて説明する。

十分な前処理（洗浄）を施した複数のＳｉウェハ１を９
００℃でｄｌＶＯ２雰囲気の酸化炉に導入し、導入が完
了した段階（ｔ＋＝１０分）で炉内温度を１０００℃ま
で毎分５℃の速度で昇温する（ｔ２＝２０分）。１００
０℃に達したところで、しばらくこの温度で保持し、所
望の厚さまで酸化を進行させる。ここで、４００人成長
させるには約４２分を要する（ｊ３＝４２分）。所望の
膜厚に到達すると同時にｄｒＶＯ２の導入を停止し酸化
炉内に乾燥窒素（以下ｄｒｙＮ２）を導いて酸化膜の付
加的な成長を阻止するとともに毎分４℃以下の速度で炉
内を徐冷し、Ｓｉウェハ１を導入した時の温度９００℃
に安定させる。炉内温度が９００℃になり降温を開始し
てからｔ４＝４５分程度経過したところで３ｉウエハ１
を酸化炉から取り出して酸化全工程を終了する。なお、
酸化膜の成長を閉止するために導入するガスとしては、
ｄｒｙ　Ｎ２め他に例えばＨｅやアルゴンなどの不活性
ガスでもよい。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上述した乾燥酸素法により形成された熱
酸化膜にあっては、使用環境が比較的良好な条件下では
経時絶縁破壊耐性（真因性の経時破壊耐性）が充分であ
る反面、苛酷な使用環境下では経時絶縁破壊耐性が必ず
しも充分ではなく、耐環境性の向上が切望されている。

また結晶欠陥やＬＳＩプロセス中の汚染、損傷などに起
因した潜在欠陥が一部の熱酸化膜に確率的に取り込まれ
るのは避けられず、熱酸化膜に潜在欠陥を含有したＬＳ
Ｉを除去するために出荷前にスクリーニングが施される
。この処理で熱酸化膜故障率を効果的に低減するには十
分なスクリーニングマージン（真因性の経時破壊耐性と
外因（欠陥）性の経時破壊耐性の比）の確保が肝要だが
、現行のように動作電圧が固定のままＬＳＩの縮小化が
進展しつつある昨今では熱酸化膜への電界ストレスが急
激し、マージン確保が次第に困難となっている。

本発明は上記に鑑みてなされたもので、その目的として
は、苛酷な環境下にあっても高い信頼性を具備する熱酸
化膜の形成方法を提供することにある。

［発明の構成］ く課題を解決するための手段） 上記目的を達成するため、本発明は、基板上に熱酸化膜
を成長形成する方法であって、所定の成長開始温度下に
おいて酸素導入状態で熱酸化膜を所定の初期厚さに成長
させる工程と、初期厚さに成長させた後、酸素およびハ
ロゲン元素またはハロゲン化合物を混入した状態で前記
成長開始温度よりも高い成長温度で熱酸化膜を所望の厚
さに成長させる工程とを少なくとも含むことを要旨とし
ている。

く作用） 本発明に係る熱酸化膜の形成方法にあっては、所定の成
長開始温度下において酸素導入状態で熱酸化膜を初期厚
さに成長後に、酸素およびハロゲン元素またはハロゲン
化合物を混入した状態で前記成長開始温度よりも高い成
長温度で熱酸化膜を所望の厚さに成長させるようにする
ことで、熱酸化膜の経時破壊耐性を向上させている。

（実施例） 以下、図面を用いて本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明をＭＯＳキャパシタにおけるシリコン（
Ｓｉ　）熱酸化膜の形成に適用した場合の実施例で、時
間に対する温度およびガスのシーケンスを示すものであ
る。なお、ＭＯＳキャパシタの構造としては、前述した
第４図と同じものとする。

選択酸化を行い犠牲酸化処理後再びモート領域部３に結
晶面を露出させた３ｉウエハ１を十分洗浄（前処理）し
た後、成長開始温度である９００℃でｄｒ１１０２雰囲
気に保持された酸化炉に導入し、導入が完了してからし
ばらくそのまま緩やかに初期厚さ、例えば少なくとも６
０人、望ましくは１６０Ａ（ｔ、ｏ−約５５分）成長さ
せる。次にｄｒｙＯ２雰囲気中に例えば１％〜１０％、
望ましくは３〜５％のＨＣＱガスを混入するとともに炉
内温度を毎分５℃の割合で上げ、成長温度である１００
０℃まで昇温させた（ｔ　　＝２０分）後、温度を一定
に保ち酸化炉に導入後モート領域部３に成長した熱酸化
膜の総膜厚が所望の値になるまで酸化を進行させる。所
望の膜厚になったところで〈例えば４００人の熱酸化膜
ならｔ　−１４分）、ただちに酸化炉内への酸素導入及
びＨＣρガス導入を停止すると同時に、ｄｒｙＮ２を導
き酸化を停止させるとともに、速くとも例えば毎分４℃
／分の速度で炉内温度を暫時減少させる。そして、炉内
温度が９００℃になったところで温度を一定とし、降温
を開始してからｔ　　（４５分程度）経過した時に３ｉ
ウエハ１を酸化炉外に搬出し、酸化工程を終了する。

次に、上ｉＬしたごとき工程で形成された熱酸化膜の経
時破壊耐性を従来工程で形成された熱酸化膜の経時破壊
耐性との比較において説明する。なお、比較パラメータ
としては、熱酸化膜に定電流ストレスを印加し、熱酸化
膜が破壊に至るまでに膜中を通過した総電荷量（単位面
積当り）Ｑ　を用いて行うが、膜中に電流を注入すると
きの向ぎとして、ゲート電極からＳｉ・クエハ（阜板）
１に向って流す正極性とこの逆の極性とがあるが、殻内
な傾向として後者の極性の方が熱酸化膜にとっては厳し
いので、後者を採用する。

第２図（ａ＞および第２図（１））はそれぞれ従来工程
および本実施例の工程で形成された熱酸化膜４について
の逆極性で定電流ストレスをかけた場合の経時破壊試験
結果を示すものである。試験条件は、使用した３ｉウエ
ハ１がＰ型で面方位（１００）の比抵抗８〜１２Ωａｍ
の鏡面仕上げ、酸化膜厚が約４００人、ギャバシタ面積
が１．２５Ｘ　Ｉ　Ｑ−３ｃｍ２　、サンプル数が約５
０点である。

また、電流ストレス値については、本実施例が１０ｍＡ
／ｃｍ２であるのに対し、従来例はこの値では１秒以内
で壊れてしまうので０．６２５ｍ　Ａ／Ｃｍ２とした。

従来方法による熱酸化膜については、サンプルのすべて
が通過電荷ｆｆ１Ｑ　　＝１　［ｃ　／ｃｍ２　］以下
の値で経時破壊してしまうのに対し、本実施例で作成し
たサンプルは約２桁も通過電荷ｆｉｔＱ　　が増大し、
通過電荷量Ｑ　が最大で５０　［０７ｃｍ２　］に達す
るほどのものも存在する。また本実施例によれば、図示
していないが通過電荷ｆａＱ　　＝１［ｃ／ｃｍ２］以
下で絶縁破壊するサンプル数としては、１７％であり従
来例に比べ際立った優越性を見せている。なお、酸化法
についての記述はないが、Δ文ゲート、Ｐ型基板を用い
て約４００人の熱酸化膜に対して同様の試験を行った結
果が例えば文献ｐｈｉｌｉｐｓ　　Ｊｏｕｒｎａｌ　　
ｏｆ　　Ｒｅ５ｅａｒｃｂ。

Ｖｏ１４０．　　Ｎｏ　３．　１９８５．　　Ｐ１３７
〜Ｐ１６３　（Ｄ、　Ｒ，Ｗｏｌｔｅｒｓ　　ａｎｃｌ
　　Ｊ、　Ｊ。

ｖａｎ　　ｄｅｒ　　３ｃｌ＋ｏｏｔ　）の第４図、第
５図に掲載されている。しかし、いずれも通過電荷ｆｆ
１Ｑ　　＜０、１　［Ｃ１０１１１２１であり、本実施
例が糧めて有効であることがわかる。

なお、本実施例では、９００℃から１０００℃への昇温
工程から酸素にＨＣｕガスを混入させたが、第３図に示
す如く、１０００℃における成長工程においてのみ酸素
にｌ」Ｃｌガスを混入させてもよく、本実施例と略同様
の特性の熱酸化膜が得られる。

また、本実施例では、１０００℃での成長工程終了後、
直ちにｄｒ’／Ｎ２を導入すると共に温度降下を開始し
ているが、ｄｒｌ／Ｎ２の導入状態で暫時１０００℃を
維持してアニール処理をした後に温度降下させる工程も
考えられるが、効果としては同様である。

さらに、本実施例では、ｄｒＶＯ２への添加ガスとして
ＨＣｉを用いたが、これに限定されず、他に例えばＣρ
２やトリクロルエチレン等のハロゲン元素やハロゲン化
合物の蒸気でもよい。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、所定の成長ｇｉ′
ｌ始濡度下において酸素導入状態で熱酸化膜を初期厚さ
に成長後に、酸素およびハロゲン元素またはハロゲン化
合物を混入した状態で前記成長開始温度よりも高い成長
温度で熱酸化膜を所望の厚さに成長させるようにするこ
とで、熱酸化膜の経時破壊耐性を向上させているので、
苛酷な環境下にあっても高い信頼性を具備する熱酸化膜
を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す図、第２図は当該−実
流例の効果を説明するための図、第３図は本発明の他の
実施例を示す図、第４図および第５図は従来例を示す図
である。 １・・・Ｓ１ウエハ ２・・・フィールド酸化膜 ３・・・モート領域部 ４・・・熱酸化膜 ５・・・ポリ３ｉゲート電極 ６・・・層間絶縁膜 ７・・・コンタクトホール ８・・・パッド電極 ９・・・アルミ配線 １０・・・パッシベーション膜

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 基板上に熱酸化膜を成長形成する方法であって、所定の
   成長開始温度下において酸素導入状態で熱酸化膜を所定
   の初期厚さに成長させる工程と、初期厚さに成長させた
   後、酸素およびハロゲン元素またはハロゲン化合物を混
   入した状態で前記成長開始温度よりも高い成長温度で熱
   酸化膜を所望の厚さに成長させる工程とを少なくとも含
   むことを特徴とする熱酸化膜の形成方法。