JPH06252136A - Method for oxidizing surface of silicon substrate - Google Patents
Method for oxidizing surface of silicon substrateInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置の素子間分
離用酸化膜、ゲート酸化膜等を形成するためのシリコン
基板表面の酸化法に関する。半導体装置あるいは半導体
集積回路装置の製造工程において、シリコン基板表面を
酸化する工程は、最も処理温度が高い工程である。した
がって、既に形成されている不純物導入領域の不純物分
布の変動を防ぎ、材料の変質や劣化を防ぐためには工程
を低温化することが望まれるが、そのためにはシリコン
基板表面を酸化する工程の低温化が望まれる。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for oxidizing a surface of a silicon substrate for forming an oxide film for element isolation, a gate oxide film, etc. of a semiconductor device. In the manufacturing process of a semiconductor device or a semiconductor integrated circuit device, the process of oxidizing the surface of a silicon substrate has the highest processing temperature. Therefore, it is desirable to lower the temperature of the process in order to prevent the fluctuation of the impurity distribution of the already formed impurity introduction region and prevent the deterioration and deterioration of the material. Is desired.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来からＣＶＤ法によってシリコン基板
上に酸化膜を堆積することが知られていたが、その膜質
に問題があった。しかし、近年ＣＶＤ法によって形成し
た酸化膜の品質は向上しており、比較的低温の４００〜
６００℃で汚染や表面荒れ等の影響を受け難い良質な酸
化膜を形成することはさほど困難ではなくなっている。2. Description of the Related Art Conventionally, it has been known to deposit an oxide film on a silicon substrate by a CVD method, but there is a problem in the film quality. However, in recent years, the quality of the oxide film formed by the CVD method has been improved, and the temperature of 400 to 400
It is not so difficult to form a high-quality oxide film that is not easily affected by contamination or surface roughness at 600 ° C.
【０００３】しかし、シリコン基板の表面を熱酸化して
絶縁膜を形成する工程は、基板の前処理に依存しない良
好な界面特性を得るためには依然として重要であり、素
子間分離用の酸化膜やゲート酸化膜として多用されてい
る。通常の熱酸化においては、酸化膜の表面とシリコン
基板の間の電界によって、酸化膜の表面からシリコン基
板に拡散する正孔に引きずられて酸素負イオンがシリコ
ン基板の表面に達して、ここでシリコンと反応すること
によって酸化が進行する。However, the step of thermally oxidizing the surface of a silicon substrate to form an insulating film is still important for obtaining good interfacial characteristics independent of pretreatment of the substrate, and an oxide film for element isolation is used. It is often used as a gate oxide film. In normal thermal oxidation, an electric field between the surface of the oxide film and the silicon substrate causes the oxygen negative ions to reach the surface of the silicon substrate by being dragged by holes that diffuse from the surface of the oxide film to the silicon substrate. Oxidation proceeds by reacting with silicon.
【０００４】そして、酸素プラズマによるシリコン基板
表面の酸化や、プラズマ中でのシリコン基板表面の陽極
酸化によっても、プラズマ密度を充分に上げる工夫をす
れば、実用的な酸化速度を得ることができ、シリコン基
板上の酸化膜の成長は電気化学的に進行するため、室温
〜５００℃程度の低温でシリコン基板を直接酸化するこ
とができる。この場合、酸化膜中ではシリコン基板側が
正、気相に接する表面側が負になるようにバイアスさ
れ、負イオン化した酸素と正イオン化したシリコンの電
界拡散によって酸化が進行する。Even if the surface of the silicon substrate is oxidized by oxygen plasma or the surface of the silicon substrate is anodized in the plasma, a practical oxidation rate can be obtained if the plasma density is sufficiently increased. Since the growth of the oxide film on the silicon substrate proceeds electrochemically, the silicon substrate can be directly oxidized at a low temperature of about room temperature to 500 ° C. In this case, in the oxide film, the silicon substrate side is biased to be positive and the surface side in contact with the gas phase is negative, and the oxidation proceeds due to the electric field diffusion of the negatively ionized oxygen and the positively ionized silicon.
【０００５】[0005]
【発明が解決しようとする課題】上記のように、プラズ
マを利用した酸化においては、基板のシリコンが正イオ
ン化して表面に拡散し、そこで酸素と反応することによ
る寄与が大きい。このように、酸素負イオンとシリコン
正イオンの双方が拡散し、成長中のシリコン表面からシ
リコンが抜けるため、界面特性は良くない。基板を正に
バイアスした場合に著しく成長速度が向上する陽極酸化
法によっては、良好な酸化膜を形成することができない
ことになる。As described above, in the oxidation utilizing plasma, the silicon of the substrate is positively ionized and diffused to the surface, where it reacts with oxygen to make a large contribution. In this way, both the oxygen negative ions and the silicon positive ions diffuse, and silicon escapes from the growing silicon surface, so the interface characteristics are not good. A good oxide film cannot be formed by the anodic oxidation method in which the growth rate is remarkably improved when the substrate is positively biased.
【０００６】また、プラズマを利用した酸化膜は、界面
準位、酸化膜中の可動イオン等の密度が高く、絶縁体と
しての品質が良くないという問題があった。これは、プ
ラズマからの電子、イオン、高エネルギー光子によって
シリコン基板の表面が損傷を受けるほか、前記のように
電界効果によってシリコン基板からシリコンが酸化膜中
に拡散することが原因である。Further, the oxide film utilizing plasma has a problem that the quality of the insulator is not good because the interface state and the density of mobile ions in the oxide film are high. This is because the surface of the silicon substrate is damaged by electrons, ions, and high-energy photons from the plasma, and silicon is diffused from the silicon substrate into the oxide film by the electric field effect as described above.
【０００７】シリコン基板を低温で酸化して品質の良い
酸化膜を形成するためには、気相からの照射損傷をでき
るだけ減らすとともに、電界効果が酸素負イオンに対し
て選択的に働くような条件が必要である。本発明は、シ
リコン基板上に気相からの照射損傷が少なく品質の良い
酸化膜を形成する方法を提供することを目的とする。In order to form a high-quality oxide film by oxidizing a silicon substrate at a low temperature, it is necessary to reduce irradiation damage from the vapor phase as much as possible and to have a field effect selectively act on negative oxygen ions. is necessary. An object of the present invention is to provide a method for forming a high-quality oxide film on a silicon substrate with less radiation damage from the vapor phase.
【０００８】[0008]
【課題を解決するための手段】本発明にかかるシリコン
基板表面の酸化法においては、減圧もしくは常圧酸素雰
囲気中に配置したシリコン基板にＸ線を照射する工程を
採用した。In the method of oxidizing the surface of a silicon substrate according to the present invention, a step of irradiating a silicon substrate placed in a reduced pressure or normal pressure oxygen atmosphere with X-rays is adopted.
【０００９】この場合、シリコン基板に負電位を与える
ことができ、また、Ｘ線を酸化すべき領域に限定して照
射することができる。In this case, a negative potential can be applied to the silicon substrate, and X-rays can be irradiated only in the region to be oxidized.
【００１０】また、上記の方法によってシリコン基板表
面を酸化した後に、水素、酸素、窒素あるいはホーミン
グガス雰囲気中で４００〜８５０℃のアニーリングを行
い酸化物の膜質を改善することができる。After the surface of the silicon substrate is oxidized by the above method, the quality of the oxide film can be improved by annealing at 400 to 850 ° C. in a hydrogen, oxygen, nitrogen or homing gas atmosphere.
【００１１】またこの場合、Ｘ線源としてシンクロトロ
ン放射光を用いることができ、シリコン基板またはＸ線
源あるいは該Ｘ線源から放射されるＸ線を反射する反射
板を揺動することによって、Ｘ線をシリコン基板表面の
所定の範囲内に均一に照射することができ、Ｘ線をシリ
コン基板表面に斜め照射することによって、Ｘ線がシリ
コン基板表面を照射する面積を拡大することができる。In this case, synchrotron radiation can be used as the X-ray source, and the silicon substrate, the X-ray source, or the reflector for reflecting the X-rays emitted from the X-ray source is oscillated, It is possible to uniformly irradiate the surface of the silicon substrate with X-rays, and by obliquely irradiating the surface of the silicon substrate with X-rays, the area over which the surface of the silicon substrate is irradiated with X-rays can be increased.
【００１２】[0012]
【作用】ここで、従来のシリコン基板表面の酸化法と本
発明のシリコン基板表面の酸化法の原理を対比して説明
する。Now, the principle of the conventional silicon substrate surface oxidation method and the principle of the present invention silicon substrate surface oxidation method will be described in comparison.
【００１３】図６は、シリコン基板表面の酸化の原理説
明図で、（Ａ）は熱酸化、（Ｂ）はプラズマ酸化、プラ
ズマ陽極酸化、（Ｃ）はＸ線酸化の原理を示している。6A and 6B are explanatory views of the principle of oxidation of the surface of the silicon substrate. FIG. 6A shows the principle of thermal oxidation, FIG. 6B shows the principle of plasma oxidation, plasma anodic oxidation, and FIG. 6C shows the principle of X-ray oxidation.
【００１４】 〔熱酸化の原理〕（図６（Ａ）参照）従来から知られて
いる通常の熱酸化においては、気相中のＯ2 はＳｉＯ2
膜の表面でＯ2 →Ｏ2 - ＋ｈ+ とイオン化し、イオン化
したＯ2 - は、ＳｉＯ2 のバンドギャップとシリコンの
バンドギャップの差に起因するポテンシャルの傾斜によ
ってシリコン基板表面に拡散するホール（ｈ+ ）にクー
ロン力によって引かれて、シリコン基板とＳｉＯ2 膜の
界面に到達して、Ｏ2 - ＋ｈ+ ＋Ｓｉ→ＳｉＯ 2 と反応
してＳｉＯ2 膜の成長を続ける。[Principle of Thermal Oxidation] (See FIG. 6 (A))
In normal thermal oxidation,2Is SiO2
O on the surface of the membrane2→ O2 -+ H+And ionize and ionize
Done O2 -Is SiO2Band gap and silicon
Due to the slope of the potential due to the difference in bandgap
Holes that diffuse to the surface of the silicon substrate (h+) To
Ron force pulls silicon substrate and SiO2Of membrane
Reach the interface, O2 -+ H++ Si → SiO 2React with
Then SiO2Continue to grow the film.
【００１５】その際、ホールと酸素イオンは再結合する
ため、シリコン基板と気相の間に流れる全電流
（Ｉsub ）は常に零である。この方法によるＳｉＯ2 膜
は、後に説明する酸化法のように放射損傷を全く受けな
いため膜質はよいが、実用的な酸化速度を得るためには
９００℃以上の温度が必要である。At this time, since holes and oxygen ions are recombined, the total current (I sub ) flowing between the silicon substrate and the gas phase is always zero. The SiO 2 film formed by this method has good film quality because it is not damaged by radiation as in the oxidation method described later, but a temperature of 900 ° C. or higher is required to obtain a practical oxidation rate.
【００１６】 〔プラズマ酸化、プラズマ陽極酸化の原理〕（図６
（Ｂ）参照）従来から知られているプラズマ酸化におい
ては、プラズマ、固体表面相互作用により、基板から流
れ出す電流は通常正であり、シリコン酸化膜のシリコン
基板側は正、気相に接する表面側は負にバイアスされ
る。そして、シリコンの酸化は、酸素Ｏ2 が気相中でプ
ラズマによって酸素原子やラジカルを生じ、この酸素原
子やラジカルが負イオン化して、ＳｉＯ2 膜の電界に引
かれてシリコン基板との界面に移動する効果と、ＳｉＯ
2 膜との界面のシリコンが正イオン化してＳｉＯ2 膜の
表面に電界拡散する効果により進行する。[Principle of Plasma Oxidation and Plasma Anodization] (FIG. 6)
(See (B)) In the conventionally known plasma oxidation, the current flowing out from the substrate is usually positive due to the interaction between the plasma and the solid surface, the silicon substrate side of the silicon oxide film is positive, and the surface side in contact with the gas phase. Is negatively biased. Then, in the oxidation of silicon, oxygen O 2 generates oxygen atoms or radicals by plasma in the gas phase, the oxygen atoms or radicals are negatively ionized, and are attracted to the electric field of the SiO 2 film to form an interface with the silicon substrate. The effect of movement and SiO
This progresses due to the effect that the silicon at the interface with the two films is positively ionized and an electric field is diffused to the surface of the SiO 2 film.
【００１７】シリコン基板を人為的に正バイアスして陽
極酸化する場合には、特に電界拡散が促進されるが、い
ずれにしても気相からの電子線照射によるＳｉＯ2 膜の
損傷は加速される。また、ＳｉＯ2 膜中の電界拡散が大
きいほどシリコンの逆拡散による成長の寄与が大きくな
り、界面準位が多く生成される。ただし、酸化速度は低
温でも充分大きいという利点を有する。When the silicon substrate is artificially biased and anodized, electric field diffusion is particularly promoted, but in any case, damage to the SiO 2 film due to electron beam irradiation from the gas phase is accelerated. . Further, the larger the electric field diffusion in the SiO 2 film, the larger the contribution of growth due to the reverse diffusion of silicon, and the more interface states are generated. However, it has an advantage that the oxidation rate is sufficiently high even at a low temperature.
【００１８】 〔本発明のＸ線酸化の原理〕（図６（Ｃ）参照）本発明
の酸化は、陽極酸化的に行う通常のプラズマ酸化とは異
なり、シリコン基板側が負電位になるような条件を選
ぶ。この状態で、シリコンの仕事関数以上のエネルギー
を有するＸ線等の輻射線を照射すると、シリコン基板か
らは２次電子を含む光電子が放出され、シリコン基板か
ら流れ出る電流は常に負になる。[Principle of X-Ray Oxidation of the Present Invention] (Refer to FIG. 6C) The oxidation of the present invention is different from ordinary plasma oxidation performed by anodization, under conditions such that the silicon substrate side has a negative potential. Choose. In this state, when a radiation ray such as an X-ray having energy higher than the work function of silicon is applied, photoelectrons including secondary electrons are emitted from the silicon substrate, and the current flowing out from the silicon substrate is always negative.
【００１９】これを酸素雰囲気中で行った場合、高エネ
ルギー光子ならびにシリコン基板から放出される電子に
より励起された酸素は、シリコン基板の表面に吸着して
負イオン化する。同時に生成されたＳｉＯ2 膜は、シリ
コン基板との界面側が負、気相に接する表面側が正にバ
イアスされる。When this is performed in an oxygen atmosphere, oxygen excited by high-energy photons and electrons emitted from the silicon substrate is adsorbed on the surface of the silicon substrate to be negatively ionized. The simultaneously formed SiO 2 film is negatively biased on the interface side with the silicon substrate and positively biased on the surface side in contact with the gas phase.
【００２０】そして、ＳｉＯ2 膜の表面およびＳｉＯ2
膜中で生成されたホールはシリコン基板に向かって電界
拡散し、このホールのクーロン力に引かれて酸素負イオ
ンがシリコン基板との界面に移動する。この場合、Ｓｉ
Ｏ2 膜中の電界は陽極酸化の場合とは逆であるので、シ
リコン基板側からのシリコンの電界拡散はない。[0020] Then, the surface of the SiO 2 film and SiO 2
The holes generated in the film are subjected to electric field diffusion toward the silicon substrate, and the Coulomb force of the holes attracts the oxygen negative ions to move to the interface with the silicon substrate. In this case Si
Since the electric field in the O 2 film is opposite to that in the case of anodic oxidation, there is no electric field diffusion of silicon from the silicon substrate side.
【００２１】また、シリコン基板が負バイアスされてい
るので、気相からの電子衝撃は非常に少なくなる。ホー
ルの移動はイオンの移動に比べて大きいので、極端に高
い負バイアスを与える必要はなく、そのため正イオンの
衝撃による損傷は少ない。この酸化においても、輻射線
の照射によるＳｉＯ2 膜の損傷は光子によって生じる
が、プラズマ酸化の場合に比べて少なくなり、界面特性
も良くなる。Further, since the silicon substrate is negatively biased, electron impact from the gas phase is extremely small. Since the movement of holes is larger than the movement of ions, it is not necessary to give an extremely high negative bias, and therefore the damage due to the impact of positive ions is small. Also in this oxidation, the damage of the SiO 2 film due to the irradiation of radiation is caused by photons, but it is less than that in the case of plasma oxidation, and the interface characteristics are improved.
【００２２】上記の本発明にかかるシリコン基板表面の
酸化法によると、下記のような利点を生じる。 シリコン基板表面を低温で直接酸化することができ
る。 Ｘ線を照射する領域に選択的にＳｉＯ2 膜を形成す
ることができる。 従来のプラズマ酸化やプラズマ陽極酸化に比べて、
ＳｉＯ2 膜の電子線照射損傷が少ない。 従来のプラズマ酸化やプラズマ陽極酸化に比べて、
良好な界面特性を得ることができる。 従来のプラズマ酸化やプラズマ陽極酸化に比べて、
ＳｉＯ2 膜の面内均一性が良好になる。The oxidation method of the surface of the silicon substrate according to the present invention described above has the following advantages. The silicon substrate surface can be directly oxidized at low temperature. A SiO 2 film can be selectively formed in a region to be irradiated with X-rays. Compared with conventional plasma oxidation and plasma anodization,
There is little electron beam irradiation damage to the SiO 2 film. Compared with conventional plasma oxidation and plasma anodization,
Good interface characteristics can be obtained. Compared with conventional plasma oxidation and plasma anodization,
The in-plane uniformity of the SiO 2 film is improved.
【００２３】[0023]
【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。図１は、
本発明で用いる常圧酸化装置の構成説明図である。この
図において、１はチャンバー、２は酸素導入管、３は排
気管、４はサセプター、５はシリコン基板、６はＢｅ
窓、７はヒーター、８は可変バイアス電源、９はＸ線
管、９1 はターゲット、９2 はカソードである。EXAMPLES Examples of the present invention will be described below. Figure 1
It is a structure explanatory view of the atmospheric pressure oxidation device used by the present invention. In this figure, 1 is a chamber, 2 is an oxygen introduction pipe, 3 is an exhaust pipe, 4 is a susceptor, 5 is a silicon substrate, and 6 is Be.
A window, 7 is a heater, 8 is a variable bias power source, 9 is an X-ray tube, 9 1 is a target, and 9 2 is a cathode.
【００２４】この実施例の減圧酸化装置においては、酸
素導入管２と排気管３とＢｅ窓６を有するチャンバー１
中に、サセプター４を封入し、このサセプター４の上に
シリコン基板５を載置し、酸素導入管２を通して酸素を
導入しながら、Ｂｅ窓６を通して、ターゲット９1 とカ
ソード９2 を有するＸ線管９によって放射されるＸ線を
シリコン基板５に照射して、その表面を酸化するように
なっている。なお、ヒーター７はシリコン基板５を適宜
加熱する場合に用いられ、可変バイアス電源８はシリコ
ン基板５を載置するサセプター４の電位を調節する場合
に用いられる。In the reduced pressure oxidation apparatus of this embodiment, a chamber 1 having an oxygen introducing pipe 2, an exhaust pipe 3 and a Be window 6 is provided.
An X-ray having a target 9 1 and a cathode 9 2 through a Be window 6 while enclosing a susceptor 4 therein, placing a silicon substrate 5 on the susceptor 4, and introducing oxygen through an oxygen introducing tube 2. The silicon substrate 5 is irradiated with X-rays emitted by the tube 9 to oxidize its surface. The heater 7 is used when heating the silicon substrate 5 appropriately, and the variable bias power source 8 is used when adjusting the potential of the susceptor 4 on which the silicon substrate 5 is mounted.
【００２５】図２は、本発明で用いる減圧酸化装置の構
成説明図である。この図において、１１はチャンバー、
１２は酸素導入管、１３1 は真空ポンプ、１３2 は差動
排気ポンプ、１４は差動排気窓、１５はＢｅ窓、１６は
サセプター、１７はシリコン基板、１８は可変バイアス
電源、１９1 ，１９2 はバルブ、２０はＸ線である。FIG. 2 is an explanatory view of the structure of the reduced pressure oxidation apparatus used in the present invention. In this figure, 11 is a chamber,
12 is an oxygen introduction tube, 13 1 is a vacuum pump, 13 2 is a differential exhaust pump, 14 is a differential exhaust window, 15 is a Be window, 16 is a susceptor, 17 is a silicon substrate, 18 is a variable bias power supply, 19 1 , 19 2 is a bulb and 20 is an X-ray.
【００２６】この実施例の常圧酸化装置においては、チ
ャンバー１１には、酸素導入管１２、真空ポンプ１
３1 、差動排気ポンプ１３2 、差動排気窓１４、Ｂｅ窓
１５が設けられ、チャンバー１１の中には、シリコン基
板１７を支持するサセプター１６を具え、このサセプタ
ー１６には接地電位に対して負の可変バイアス電源１８
が接続され、チャンバー１１と差動排気ポンプ１３2 の
間にはバルブ１９1 が、チャンバー１１と真空ポンプ１
３1 の間にはバルブ１９2 が設けられている。In the atmospheric pressure oxidation apparatus of this embodiment, the chamber 11 has an oxygen introducing pipe 12 and a vacuum pump 1.
3 1 , a differential exhaust pump 13 2 , a differential exhaust window 14 and a Be window 15 are provided, and a susceptor 16 for supporting a silicon substrate 17 is provided in the chamber 11, and this susceptor 16 is connected to a ground potential. Negative bias power supply 18
Is connected, a valve 19 1 is provided between the chamber 11 and the differential exhaust pump 13 2 , and the chamber 11 and the vacuum pump 1 are connected.
A valve 19 2 is provided between 3 1 .
【００２７】Ｘ線２０は、Ｂｅ窓１５を通し、あるい
は、直径数〜数十μｍの細管を束にし、細管の端面に極
めて薄いＢｅ薄膜を貼りつけたマイクロキャピラリープ
レートを用いた窓や差動排気ポンプ１３2 のスリットを
介して、チャンバー１１の中のシリコン基板１７に照射
される。The X-rays 20 are passed through the Be window 15, or bundled with thin tubes having a diameter of several to several tens of μm, and a window or differential using a microcapillary plate in which an extremely thin Be thin film is attached to the end surface of the thin tubes. The silicon substrate 17 in the chamber 11 is irradiated with light through the slit of the exhaust pump 13 2 .
【００２８】真空ポンプ１３1 はチャンバー１１内の雰
囲気を排気するために設けられ、差動排気ポンプ１３2
は、酸素のＸ線源への流入やＸ線源から反応室への汚染
を避けるため、反応室とＸ線源の間の部位を排気するた
めに設けられている。The vacuum pump 13 1 is provided to exhaust the atmosphere in the chamber 11, and the differential exhaust pump 13 2
Is provided for exhausting a portion between the reaction chamber and the X-ray source in order to avoid inflow of oxygen into the X-ray source and contamination of the reaction chamber from the X-ray source.
【００２９】図３は、シリコン基板のＸ線浸入深さのエ
ネルギー依存特性図である。この図の横軸はＸ線のエネ
ルギー、縦軸はＸ線のＳｉＯ2 膜中への透過深さを示し
ている。この図にみられるように、Ｘ線のエネルギーを
高く選べば、例え常圧でもＸ線をシリコン基板に照射す
ることは容易である。本発明では、Ｘ線の透過深さが、
目的とする酸化の厚さよりも深くなるようなエネルギー
のＸ線を選択する。例えば、９０ｎｍの酸化膜を成長し
ようとする場合、少なくとも１００ｅＶより高いエネル
ギーのＸ線を照射して、Ｘ線を１００ｎｍ程度の深さに
透過させることが必要である。FIG. 3 is an energy-dependent characteristic diagram of the X-ray penetration depth of the silicon substrate. The horizontal axis of this figure shows the energy of X-rays, and the vertical axis shows the penetration depth of X-rays into the SiO 2 film. As can be seen in this figure, if the X-ray energy is selected high, it is easy to irradiate the silicon substrate with X-rays even at normal pressure. In the present invention, the X-ray penetration depth is
An X-ray having an energy that is deeper than the target oxidation thickness is selected. For example, in order to grow an oxide film of 90 nm, it is necessary to irradiate X-rays having an energy of at least 100 eV and transmit the X-rays to a depth of about 100 nm.
【００３０】図４は、種々の酸化法による酸化膜の膜厚
分布図である。この図の横軸はＸ線の照射位置とＳｉＯ
2 膜の位置、縦軸は酸化膜の厚さを示している。この図
は、シリコン基板の温度を室温とし、酸素圧力を０．０
５Ｔｏｒｒ、Ｘ線強度を１Ｗ／ｃｍ2 、Ｘ線照射時間を
５０分間、Ｘ線のエネルギーを１００〜１０００ｅＶ
（波長に換算すると１２．３〜１．２３ｎｍ）とした条
件で、薬品洗浄したｎ型シリコン基板の（１００）面を
酸化した場合の測定結果を示している。FIG. 4 is a film thickness distribution diagram of an oxide film formed by various oxidation methods. The horizontal axis of this figure is the X-ray irradiation position and SiO.
The positions of the two films and the vertical axis indicate the thickness of the oxide film. This figure shows that the temperature of the silicon substrate is room temperature and the oxygen pressure is 0.0
5 Torr, X-ray intensity of 1 W / cm 2 , X-ray irradiation time of 50 minutes, X-ray energy of 100 to 1000 eV
The measurement result when the (100) surface of the chemically washed n-type silicon substrate is oxidized under the condition (converted into wavelength of 12.3 to 1.23 nm) is shown.
【００３１】そして、この図の曲線ａはシリコン基板を
浮遊電位にした場合、曲線ｂはシリコン基板を設置電位
にした場合、曲線ｃはシリコン基板を−１０Ｖにした場
合を示し、曲線ｄはＸ線照射を行う前の試料を参考のた
めに示したもので、通常１ｎｍ以下の自然酸化膜がみら
れる。The curve a in this figure shows the case where the silicon substrate is set to the floating potential, the curve b shows the case where the silicon substrate is set to the installation potential, the curve c shows the case where the silicon substrate is set to -10 V, and the curve d shows X. The sample before the line irradiation is shown for reference, and a natural oxide film of 1 nm or less is usually seen.
【００３２】通常の陽極プラズマ酸化の場合と異なり、
シリコン基板が負バイアスの場合に成長速度が向上して
いる（曲線ａ参照）。また、Ｘ線が直接照射している場
合には、本発明の原理にしたがってホールの電界拡散が
大きいため成長速度が速いが、Ｘ線照射部から遠い領域
では酸化速度は余り高くないことが分かる。ＳｉＯ2 膜
の内部電界は陽極酸化条件になっていないから、Ｘ線非
照射領域は表面から数ｎｍが酸化されるだけである。こ
のことから、Ｘ線をシリコン基板表面の限定した領域に
照射し、この領域を選択的に酸化することができる。Unlike the case of normal anodic plasma oxidation,
The growth rate is improved when the silicon substrate is negatively biased (see curve a). Further, when X-rays are directly irradiated, the growth rate is fast because the electric field diffusion of holes is large according to the principle of the present invention, but it is found that the oxidation rate is not so high in the region far from the X-ray irradiation portion. . Since the internal electric field of the SiO 2 film is not under the anodizing condition, only a few nm is oxidized from the surface in the X-ray non-irradiated region. From this, it is possible to irradiate a limited region of the silicon substrate surface with X-rays and selectively oxidize this region.
【００３３】図５は、酸化膜のＸ線照射部の赤外吸収ス
ペクトル特性図である。この図の横軸は波数を示し、縦
軸は透過率を％で示している。この図に示された赤外吸
収スペクトル特性図によると、ｎ型シリコンの（１０
０）面の基板に室温で成長したＳｉＯ2 膜はポストアニ
ールを施していないにもかかわらず、熱酸化膜に近い特
性をもっていることが分かる。すなわち、熱酸化膜のＳ
ｉ−Ｏ伸縮振動の赤外吸収のピーク値は１０８０ｃｍ -1
程度であり、基板を加熱しないでＸ線を照射して成長し
た酸化膜のこの値は１０７０ｃｍ-1程度である。FIG. 5 shows the infrared absorption spectrum of the X-ray irradiation portion of the oxide film.
It is a spectrum characteristic diagram. The horizontal axis of this figure shows the wave number and the vertical axis
The axis shows the transmittance in%. The infrared absorption shown in this figure
According to the absorption spectrum characteristic diagram, (10
SiO grown on a (0) plane substrate at room temperature2The film is post-ani
Although it is not coated, it is close to a thermal oxide film.
You know that you have sex. That is, S of the thermal oxide film
The peak value of infrared absorption of i-O stretching vibration is 1080 cm -1
It is about the extent that it grows by irradiating X-ray without heating the substrate.
This value of the oxide film is 1070 cm-1It is a degree.
【００３４】通常膜質が良くない酸化膜の吸収ピークは
低波数側にシフトする傾向があり、シリコン基板を加熱
しないでＸ線を照射して成長した酸化膜のＳｉ−Ｏ伸縮
振動の赤外吸収のピーク値１０７０ｃｍ-1程度は、熱酸
化膜のその値１０８０ｃｍ-1程度に及ばないが、成長温
度が１５０℃以下であることを考慮すると熱酸化膜の特
性に近いということができる。The absorption peak of an oxide film, which usually has poor film quality, tends to shift to the lower wave number side, and the infrared absorption of Si—O stretching vibration of the oxide film grown by irradiating X-rays without heating the silicon substrate. about peak 1070 cm -1 is not inferior to that value 1080cm about -1 thermal oxide film, it can be said that close to the characteristics of the consideration of the thermal oxide film that growth temperature is 0.99 ° C. or less.
【００３５】このように、シリコン基板表面を酸化した
後に、水素、酸素、窒素あるいはホーミングガス雰囲気
中で、４００〜８５０℃の温度範囲でアニーリングを行
うと酸化物の膜質を改善することができる。また、シリ
コン基板またはＸ線源あるいは該Ｘ線源から放射される
Ｘ線を反射する反射器を揺動することによって、Ｘ線を
シリコン基板表面の所定の範囲内に均一に照射すること
できる。As described above, after the surface of the silicon substrate is oxidized, annealing in a hydrogen, oxygen, nitrogen or homing gas atmosphere at a temperature range of 400 to 850 ° C. can improve the quality of the oxide film. Further, by swinging the silicon substrate, the X-ray source, or the reflector that reflects the X-rays emitted from the X-ray source, the X-rays can be uniformly irradiated within a predetermined range on the surface of the silicon substrate.
【００３６】また、Ｘ線をシリコン基板表面に斜め照射
することによって、Ｘ線がシリコン基板表面を照射する
面積を拡大することができる。シリコン表面を照射する
Ｘ線源としては、通常使用されるＸ線管の他、シンクロ
トロン放射光を用いることができる。By obliquely irradiating the surface of the silicon substrate with X-rays, it is possible to increase the area on which the surface of the silicon substrate is irradiated with X-rays. As the X-ray source for irradiating the silicon surface, a commonly used X-ray tube or synchrotron radiation can be used.
【００３７】[0037]
【発明の効果】以上説明したように、本発明によると、
低温でシリコン基板上に、シリコン基板の表面に損傷を
与えることなく品質の良い酸化膜を形成することがで
き、シリコン基板を用いた半導体装置あるいは半導体集
積回路装置の特性向上に寄与するところが大きい。As described above, according to the present invention,
A high-quality oxide film can be formed on a silicon substrate at a low temperature without damaging the surface of the silicon substrate, and it greatly contributes to the improvement of the characteristics of a semiconductor device or a semiconductor integrated circuit device using the silicon substrate.
【図１】本発明で用いる常圧酸化装置の構成説明図であ
る。FIG. 1 is a structural explanatory view of an atmospheric pressure oxidation device used in the present invention.
【図２】本発明で用いる減圧酸化装置の構成説明図であ
る。FIG. 2 is a structural explanatory view of a reduced pressure oxidation device used in the present invention.
【図３】シリコン基板のＸ線浸入深さのエネルギー依存
特性図である。FIG. 3 is an energy dependence characteristic diagram of an X-ray penetration depth of a silicon substrate.
【図４】種々の酸化法による酸化膜の膜厚分布図であ
る。FIG. 4 is a film thickness distribution diagram of an oxide film formed by various oxidation methods.
【図５】酸化膜のＸ線照射部の赤外吸収スペクトル特性
図である。FIG. 5 is an infrared absorption spectrum characteristic diagram of an X-ray irradiation portion of an oxide film.
【図６】シリコン基板表面の酸化の原理説明図で、
（Ａ）は熱酸化、（Ｂ）はプラズマ酸化、プラズマ陽極
酸化、（Ｃ）はＸ線酸化の原理を示している。FIG. 6 is an explanatory view of the principle of oxidation of the surface of the silicon substrate,
(A) shows the principle of thermal oxidation, (B) shows the principle of plasma oxidation, plasma anodic oxidation, and (C) shows the principle of X-ray oxidation.
１ チャンバー ２ 酸素導入管 ３ 排気管 ４ サセプター ５ シリコン基板 ６ Ｂｅ窓 ７ ヒーター ８ 可変バイアス電源 ９ Ｘ線管 ９1 ターゲット ９2 カソード １１ チャンバー １２ 酸素導入管 １３1 真空ポンプ １３2 差動排気ポンプ １４ 差動排気窓 １５ Ｂｅ窓 １６ サセプター １７ シリコン基板 １８ 可変バイアス電源 １９1 ，１９2 バルブ ２０ Ｘ線DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 chamber 2 oxygen introduction pipe 3 exhaust pipe 4 susceptor 5 silicon substrate 6 Be window 7 heater 8 variable bias power supply 9 X-ray tube 9 1 target 9 2 cathode 11 chamber 12 oxygen introduction pipe 13 1 vacuum pump 13 2 differential exhaust pump 14 Differential exhaust window 15 Be window 16 Susceptor 17 Silicon substrate 18 Variable bias power source 19 1 , 19 2 Valve 20 X-ray
Claims (4)
たシリコン基板にＸ線を照射することを特徴とするシリ
コン基板表面の酸化法。1. A method of oxidizing a surface of a silicon substrate, which comprises irradiating a silicon substrate placed in a reduced-pressure or normal-pressure oxygen atmosphere with X-rays.
徴とする請求項１に記載されたシリコン基板表面の酸化
法。2. The method of oxidizing a surface of a silicon substrate according to claim 1, wherein a negative potential is applied to the silicon substrate.
素、酸素、窒素あるいはホーミングガス雰囲気中で、４
００〜８５０℃の温度範囲でアニーリングを行い酸化物
の膜質を改善することを特徴とする請求項１または請求
項２に記載されたシリコン基板表面の酸化法。3. The surface of the silicon substrate is oxidized and then, in a hydrogen, oxygen, nitrogen or homing gas atmosphere.
The method for oxidizing a surface of a silicon substrate according to claim 1 or 2, wherein annealing is performed in a temperature range of 00 to 850 ° C to improve the quality of the oxide film.
ンクロトロン放射光を用いることを特徴とする請求項１
から請求項３までのいずれか１項に記載されたシリコン
基板表面の酸化法。4. A synchrotron radiation is used as an X-ray source for irradiating a silicon surface.
The method for oxidizing a surface of a silicon substrate according to any one of claims 1 to 3.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3629493A JPH06252136A (en) | 1993-02-25 | 1993-02-25 | Method for oxidizing surface of silicon substrate |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3629493A JPH06252136A (en) | 1993-02-25 | 1993-02-25 | Method for oxidizing surface of silicon substrate |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06252136A true JPH06252136A (en) | 1994-09-09 |
Family
ID=12465794
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3629493A Withdrawn JPH06252136A (en) | 1993-02-25 | 1993-02-25 | Method for oxidizing surface of silicon substrate |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06252136A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012525014A (en) * | 2009-04-24 | 2012-10-18 | アプライド マテリアルズ インコーポレイテッド | Substrate support and method with side gas outlet |
-
1993
- 1993-02-25 JP JP3629493A patent/JPH06252136A/en not_active Withdrawn
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012525014A (en) * | 2009-04-24 | 2012-10-18 | アプライド マテリアルズ インコーポレイテッド | Substrate support and method with side gas outlet |
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