JPH0669195A

JPH0669195A - 絶縁膜形成方法

Info

Publication number: JPH0669195A
Application number: JP3646991A
Authority: JP
Inventors: Hisashi Fukuda; 永福田
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 1991-03-04
Filing date: 1991-03-04
Publication date: 1994-03-11

Abstract

(57)【要約】［目的］結晶性の酸化膜を形成し膜欠陥のない高品質
の絶縁膜を形成できる絶縁膜形成方法。［構成］Ｓｉの基板上に、Ｓｉ単結晶膜５１を赤外線
加熱によりエピタキシャル成長させ、これに連続させ
て、このＳｉ単結晶膜５１上に赤外線加熱により絶縁膜
としてＳｉＯ₂膜５３を成長させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は絶縁膜形成方法、特に
膜厚の極めて薄い絶縁膜を高品質に形成するための方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】最先端技術により形成されるシリコン集
積回路、特にＭＯＳ（ＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍ
ｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）集積回路では膜厚が極めて薄い
酸化膜がゲート絶縁膜に用いられる。とりわけ１．０μ
ｍ以下のゲート長を有するサブミクロンＭＯＳデバイス
では膜厚が例えば１００オングストローム以下となる酸
化膜が用いられ、このように膜厚を薄くすることによっ
て利得の向上を図っている。

【０００３】酸化膜の形成は、例えば文献：「ＶＬＳＩ
製造技術、徳山巍、橋本哲一編著、日経ＢＰ社、
Ｐ．８３〜１０９（１９８９）」に示されるように次の
ようにして行われる。

【０００４】この文献に開示されている方法では、先
ず、電気炉によって８００〜１２００℃に加熱した石英
管内に、清浄化した基板を配置する。その後、酸化膜形
成のための酸化ガスを石英管内に導入する。酸化ガスと
しては例えば、乾燥した酸素ガス、或いは酸素および水
素の混合ガス、或いは塩酸を霧状にして酸素ガスと混合
したガスを用いる。酸化性ガスを導入した石英管内に、
形成しようとする膜厚に見合った一定時間、一定温度で
基板を放置して酸化膜を連続成長させることによって、
均一な膜厚の酸化膜を基板表面に形成している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、以上に
述べた酸化膜形成方法では、酸化膜を休みなく連続成長
させているので、例えば、１００オングストローム以下
の薄い領域の膜厚を制御するのが困難であった。そのた
め、このような薄い酸化膜を形成する場合、その膜厚制
御を行うためには、８００℃以下に酸化温度を下げて酸
化速度を下げる（以下、これを低温酸化法と称すること
もある）か、或いは窒素で酸素を希釈して酸化速度を下
げて行う方法（以下、これを希釈酸化法と称することも
ある）をとっていた。

【０００６】しかしながら、低温酸化法ではシリコン
（基板）／シリコン酸化膜界面が粗れるという問題があ
った。一方、希釈酸化法の場合では、窒素がシリコン／
シリコン酸化膜界面に偏析するので、新たに界面準位が
発生する等の問題があった。それ故、上述のいずれの方
法を行っても、薄い酸化膜の絶縁破壊耐性等の膜質自体
の向上は望めなかった。

【０００７】また、これらの低温酸化法、希釈酸化法に
より得られる酸化膜は一般に緻密ではなく、シリコン／
シリコン酸化膜界面や、酸化膜中に原子の不安定な結合
状態、例えば、未結合手やシリコン原子の不対結合や、
弱い結合を含むＳｉ−Ｓｉ結合、Ｓｉ−Ｏ結合、Ｏ−Ｏ
結合、或いは歪んだＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合が多く存在する
非結晶構造となっているため、そもそも界面準位（Ｄｉ
ｔ）が高くなる傾向があった。このように形成された酸
化膜を、ＭＯＳ型電界効果トランジスタのゲート酸化膜
として使用する場合、上記の現象に起因して種々の問題
が生じている。例えば、ゲート長１．０μｍ以下の微細
ＭＯＳ型電界効果トランジスタにおいては、チャネル領
域で発生したホットエレクトロンが酸化膜中に侵入した
場合、電子はこのようなシリコン原子の不対結合や、歪
んだＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合にトラップされ、新たな界面準
位を発生させ、そのためＭＯＳ型トランジスタにおける
閾値電圧の変動や、伝達コンダクタンスの低下を引き起
こすという問題が生じる。

【０００８】また、従来行われている通常の薄い酸化膜
の形成方法によれば、酸化膜が成膜されるシリコン基板
表面を清浄化したとしても、まだその表面に原子オーダ
でみたとき凹凸が残存してしまう。従って、この凹凸表
面上に酸化膜を成膜しても、図５の（Ａ）にも模式的に
示すように、シリコン（基板）／酸化膜界面および酸化
膜中に、原子オーダでの段差（ステップ）に起因して、
未結合手を含むＳｉ−Ｓｉ結合、Ｓｉ−Ｏ結合、Ｏ−Ｏ
結合が数多く存在する非晶質（アモルファス）構造とな
ってしまう。すなわち得られる酸化膜の膜質が低下して
しまう。

【０００９】そこで、従来の酸化膜形成方法を用いて、
ＭＯＳ構造を構成し、これらの耐圧試験を行うと、シリ
コン原子の不対結合や歪んだＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合等のよ
うな結合が切れることにより新たなトラップが当該酸化
膜中に発生し、絶縁破壊の原因となる。このため、ＭＯ
Ｓ構造の電気的特性が悪くなるという問題がある。

【００１０】この発明は上述した従来の問題点に鑑みな
されたものであり、従って、この発明の目的は、絶縁膜
形成中に生じる未結合手等に起因する膜欠陥を低減し膜
質の優れた薄い絶縁膜を形成できる、絶縁膜形成方法を
提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この目的の達成を図るた
め、この発明によれば、同一の反応炉内でシリコンの下
地に絶縁膜を形成するに当り、還元性ガス雰囲気中での
加熱処理と反応性ガス雰囲気中での加熱処理を行って下
地を清浄化する工程と、続いて、単結晶膜形成用ガス雰
囲気中で加熱処理を行って前記下地にシリコンの単結晶
膜を形成する工程と、前記単結晶膜形成工程に連続し
て、該単結晶膜上に、絶縁膜形成用ガス雰囲気中で加熱
処理を行って、絶縁膜としてシリコン酸化膜を形成する
工程とを含むことを特徴とする。

【００１２】この発明の実施に当り、好ましくは、シリ
コン酸化膜の構造がクリストバライト構造とするのが良
い。

【００１３】さらに、この発明の実施に当り、好ましく
は、単結晶膜形成用ガスをＳｉＨ₄、ＳｉＨ₂Ｃｌ₂およ
びＳｉ（ＣＨ₃）₂Ｈ₂のガス群から選ばれたいずれか一
種ないしは二種類以上の混合ガスとするのが良い。

【００１４】また、この発明の実施に当り、好ましく
は、単結晶膜形成のための加熱処理で加熱温度を少なく
とも１０００℃以上とするのが良い。

【００１５】また、この発明の実施に当り、絶縁膜形成
のための加熱処理での加熱温度を少なくとも１０００℃
以上とするのが良い。

【００１６】また、この発明の実施に当り、加熱処理を
全て赤外線照射によって行うのが良い。

【００１７】尚、ここでシリコンの下地とは、シリコン
基板はもとより、その他に、このシリコン基板にエピタ
キシャル層を形成したもの、その他、これらに限らず基
板やエピタキシャル層に素子が作り込まれている中間体
等、絶縁膜が形成されるべき広く下地を意味している。

【００１８】

【作用】上述したこの発明の絶縁膜形成方法によれば、
シリコンの下地の成膜表面を一旦清浄化し、この清浄化
された下地面上にシリコン単結晶膜を成膜し、続いて、
このシリコン単結晶膜上に絶縁膜としてシリコン酸化膜
を成膜している。従って、下地の構成原子と同一のシリ
コン（Ｓｉ）原子を一原子層ずつ成長させることが可能
となり、シリコン単結晶膜は、その表面が原子層オーダ
で平坦面となると共に、不純物濃度分布が極めて急峻と
なっている、エピタキシャル層となる。よって、シリコ
ン単結晶膜の平坦面上にシリコン酸化膜が成膜されるこ
とになるので、絶縁膜中の酸素原子とシリコン原子は規
則正しい配列になり、安定に結合し、絶縁膜中の原子が
単結晶中の原子と安定に結合して、全体的に原子の安定
な結合状態となる。その結果、絶縁膜は膜欠陥のない高
品質の膜となる。

【００１９】

【実施例】以下、図面を参照し、この出願の発明の実施
例につき説明する。

【００２０】尚、図面は発明が理解出来る程度に、各構
成成分の寸法、形状および配設位置を概略的に示してい
るにすぎない。また、以下の説明では、特定の材料およ
び特定の数値的条件を挙げて説明するが、これら材料お
よび条件は単なる好適例にすぎず、従ってこれらに何ら
限定されるものではない。

【００２１】先ず、この発明の方法の説明に入る前に、
この発明を実施するための装置につき説明する。＜この発明の実施のために使用して好適な絶縁膜形成装
置の構造の実施例の説明＞図２はこの発明の方法を実施
するための絶縁膜形成装置の主要部（主として反応炉お
よび加熱部の構成）を概略的に示す断面図である。尚、
第２図では反応炉内に基板を設置した状態を示す。

【００２２】また図３はこの発明の実施例の説明に供す
る図であり、絶縁膜形成装置の全体構成を概略的に示す
図である。

【００２３】図３にも示すように、この絶縁膜形成装置
は、基板が設置される反応炉１０と、反応炉１０内の真
空排気を行うための排気手段１２と、ガス供給部１４
と、加熱処理を行うための加熱部１６とを備えて成る。
以下、この装置の構造の実施例につき説明する。

【００２４】図２にも示すようにこの実施例では、反応
炉（チャンバ）１０を例えば本体１０ａ、蓋部材１０ｂ
および昇降部材１０ｃから構成する。本体１０ａおよび
昇降部材１０ｃの形成材料としては、例えばステンレス
を、また蓋部材１０ｂおよび後述の支持体２０の形成材
料としては、例えば石英を用いるか、または、その逆の
組み合わせで用いてもよい。

【００２５】本体１０ａおよび昇降部材１０ｃは分離可
能に一体となって凹部ａを形成するものであり、昇降部
材１０ｃの凹部ａの側に基板１８を載せるための支持体
２０を設けて昇降部材１０ｃの昇降によって支持体２０
をのせた基板１８を反応炉１０内へ入れ或いは反応炉１
０外へ取り出せるようにする。図示例では昇降部材１０
ｃを例えば機械的に昇降させるための昇降部材１０ｃを
昇降装置２２と連結させている。

【００２６】また蓋部材１０ｂを着脱自在に本体１０ａ
に取り付ける。本体１０ａと蓋部材１０ｂおよび昇降部
材１０ｃとの間には気密保持部材２４例えばバイトンパ
ッキンを設けており、従って反応炉１０内の真空引きを
行った際に気密保持部材２４を介し、気密状態が形成で
きるようになしている。

【００２７】また凹部ａの基板近傍位置に基板１８の表
面温度を測定するための温度測定手段２６例えばオプテ
ィカルパイロメータを設ける。

【００２８】さらにこの実施例では加熱部１６を任意好
適な構成の赤外線照射手段、例えば赤外線ランプ１６ａ
とこの手段１６ａを支持するための支持部材１６ｂとを
以て構成する。赤外線ランプ１６ａとしては基板１８を
効率良く加熱できる波長域の光を発するランプとするの
が良く、基板材料に応じた任意好適なランプで構成す
る。この実施例では、タングステンハロゲンランプその
他の任意好適なランプを用いる。好ましくは、複数個の
赤外線ランプ１６ａを反応炉１０内の加熱を均一に行え
るように配置する。

【００２９】通常、赤外線ランプ１６ａは、反応炉１０
外に配置する。この際、反応炉１０の一部を赤外線を透
過する材料を以て構成し、赤外線を反応炉１０外から反
応炉１０内に透過させるようにする。既に説明したよう
に、この実施例では、蓋部材１０ｂを石英で構成してあ
るので、赤外線を透過することができる。

【００３０】加熱部１６の構成および配設位置は後述す
る加熱処理を行える任意好適な構成および配設位置とし
て良く、例えば加熱部１６をヒータを以て構成し、この
ヒータを反応炉１０内に設けるようにしても良い。

【００３１】支持部材１６ｂの配設位置をこれに限定す
るものではないが、図示例では支持部材１６ｂを支持部
材１６ｂと本体１０ａとの間に蓋部材１０ｂおよび本体
１０ａの当接部を閉じ込めるように、本体１０ａに着脱
自在に取り付け、さらに支持部材１６ｂと本体１０との
間に気密保持部材２４を設ける。このように支持部材１
６ｂを設けることによって反応炉１０内の真空気密性の
向上が図れる。

【００３２】尚、図２において符号２８は反応炉１０お
よびガス供給部１４の間に設けたガス供給管、また３０
は反応炉１０および排気手段１２の間に設けた排気管を
示す。

【００３３】次に図３を参照してこの実施例の真空排気
系およびガス供給系につき説明する。尚、真空排気系お
よびガス供給系を以下に述べる例に限定するものではな
い。

【００３４】先ず真空排気系につき説明する。この実施
例では排気手段１２を例えばターボ分子ポンプ１２ａと
このポンプ１２ａと接続されたロータリーポンプ１２ｂ
とを以て構成する。排気手段１２を例えば図示のように
配設した排気管３０およびバルブを介して反応炉１０と
連通させて接続する。

【００３５】図３において３２ａ〜３２ｄは排気管３０
に連通させて設けた真空計（或いは圧力ゲージ）であ
り、真空計３２ａおよび３２ｄを例えば１〜１０^-3（１
０のマイナス３乗）Ｔｏｒｒの範囲の圧力測定に用いる
バラトロン真空計（或いはピラニー真空計）とし、また
真空計３２ｂおよび３２ｃを例えば１０^-4（１０のマイ
ナス４乗）〜１０^-10（１０のマイナス１０乗）Ｔｏｒ
ｒの範囲の圧力測定に用いるイオンゲージとする。真空
計３２ｂと排気管３０との間には真空計３２ｂを保護す
るための自動開閉バルブ３４を設け、真空計３２ｂの動
作時に真空計３２ｂに対して１０^-3Ｔｏｒｒ以上の圧力
を負荷しないようにバルブ３４の開閉を自動制御する。
３６ａ〜３６ｆは排気手段１２および反応炉１０の間に
設けられる自動開閉バルブであり、これらバルブ３６ａ
〜３６ｆをそれぞれ任意好適に開閉することによって、
反応炉１０内の圧力を任意好適な圧力に制御し反応炉１
０内に低真空排気状態および高真空排気状態を形成す
る。

【００３６】さらに３８は圧力調整用のニードルバルブ
および４０はレリーフバルブであり、バルブ４０は反応
炉１０内の圧力が大気圧例えば７６０Ｔｏｒｒを越えた
場合に自動的に開放し、バルブ４０の開放によってガス
供給部１４から反応炉１０内へ供給されたガスを排気す
る。

【００３７】次にガス供給系につき説明する。この実施
例ではガス供給部１４を還元性ガス源１４ａ、反応性ガ
ス源１４ｂ、単結晶膜成膜用原料ガス源１４ｃおよび酸
化性ガス源１４ｄを以て構成する。ガス供給部１４を例
えば図示のように配設した供給管２８およびバルブを介
して反応炉１０と連通させて接続する。尚、所要に応
じ、不活性ガス源を設けておいても良い。

【００３８】図３において４２はガス供給系、４４はバ
ルブ、４６ａ〜４６ｄ、４８ａおよび４８ｂは自動開閉
バルブ、５０ａおよび５０ｂはガス供給部１４から反応
炉ガスへ導入されるガスに関する自動ガス流量コントロ
ーラである。

【００３９】バルブ４４、４８ａ、４８ｂ、４６ａ〜４
６ｄをそれぞれ任意好適に開閉することによって、所望
のガスをガス供給部１４から反応炉１０へ供給できる。＜この発明の絶縁膜形成方法の実施例の説明＞次に、こ
の発明の絶縁膜形成方法につき説明する。

【００４０】図１は、この発明の説明に供する、加熱サ
イクルを説明するための図である。図の横軸は時間およ
び縦軸は温度をプロットして示してある。

【００４１】また、図４の（Ａ）〜（Ｄ）は、この発明
の絶縁膜形成方法の一実施例の説明に供する工程図であ
り、各図は、主要工程段階で得られた構造体を断面の切
り口を概略的に示してある。

【００４２】また、図５（Ａ）および（Ｂ）は界面構造
を模式的に示す図である。

【００４３】また、以下の説明では図２および図３を適
宜参照されたい。

【００４４】この発明では、反応炉内にシリコンの下地
を設置した後、下地の清浄化を行ってから、絶縁膜の成
膜処理を行う。以下、これにつき順次説明する。［清浄化］この絶縁膜の成膜前の基板の清浄化法につ
いては、この出願に係る出願人等によって既に提案され
ているが、この発明の方法でもこの清浄化方法を用いる
のが好適であり、これにつき説明する。

【００４５】この発明における実施例では、下地として
例えばシリコン基板を用意し、予備処理として従来行わ
れている如く、化学薬品、純水等を用いて基板１８の前
洗浄を行う。

【００４６】最初、反応炉１０内に基板１８を設置す
る。基板１８は昇降部材１０ｃの支持体２０上に固定す
る。

【００４７】この予備処理後、基板表面の清浄化処理を
行う。この清浄化処理は、還元性ガス雰囲気中で、順次
に加熱処理を行って基板１８を反応炉１０内で清浄化す
る。

【００４８】以下、この基板の清浄化処理工程につき説
明する。（ａ）自然酸化膜の除去基板の清浄化に当り、先ずバルブ４４、４８ｂ、４６ｂ
を閉じて基板１８を設置した反応炉１０内への不活性ガ
スの供給を停止する。

【００４９】次に、排気手段１２によって反応炉１０内
を例えば１×１０^-8（１０のマイナス８乗）Ｔｏｒｒの
高真空に真空排気し、反応炉１０内を清浄化する。この
真空排気を行うためバルブ３８、３６ａ、３６ｅ、３６
ｆ、３４を閉じておいてバルブ３６ｂ、３６ｃ、３６ｄ
を開きロータリーポンプ１２ｂを作動させ、反応炉１０
内の圧力を真空計３２ａでモニタ（監視）しながら真空
排気を行う。そして反応炉１０内が例えば１×１０
^-3（１０のマイナス３乗）Ｔｏｒｒの圧力となった後、
バルブ３６ｃ、３６ｄを閉じてバルブ３６ｅ、３４を開
き、真空計３２ｂで反応炉１０内の圧力をモニタしなが
ら１×１０^-6（１０のマイナス６乗）Ｔｏｒｒまで反応
炉１０内を真空排気する。

【００５０】高真空に反応炉１０内を排気したら、次に
反応炉１０内に還元性ガス例えば水素ガスを導入する
（図１のＨ₂（水素）フロー）。還元性ガスの導入に当
っては、次に行う還元性ガス雰囲気中での加熱処理にお
いて、反応炉１０内の減圧状態を維持するために、バル
ブ３６ｂ、３６ｅ、３４を閉じてバルブ３８、３６ａを
開いた状態としてこの状態でバルブ４４、４８ａ、４６
ａを開いて還元性ガス例えば水素ガスを反応炉１０内に
供給する。

【００５１】反応炉１０内の減圧状態の維持は還元性ガ
スを導入しながらバルブ３８を操作するとともに還元性
ガスの流量と自動流量コントローラ５０ａで調節するこ
とによって行える。この実施例では、反応炉１０内を例
えば１００〜１０^-2（１０のマイナス２乗）Ｔｏｒｒの
低真空の減圧状態に維持する。

【００５２】次に加熱部１６によって自然酸化膜１８ａ
（図４の（Ａ）参照）の除去のための加熱処理を行う
（図１のＨ₂フロー中の加熱）。この加熱処理によって
還元性ガス雰囲気中で基板１８を加熱して基板１８の自
然酸化膜１８ａを還元し自然酸化膜を基板１８から除去
する（図４の（Ｂ））。基板１８の加熱は例えば基板１
８への赤外線照射によって行う。尚、既に説明したよう
に、この実施例では反応炉１０内を減圧状態に維持しな
がら加熱処理を行う。これにより、自然酸化膜の還元に
よる反応生成物が反応炉１０外へ排気され、その結果、
反応生成物によって基板１８および反応炉１０内が汚染
される度合を低減出来る。

【００５３】この加熱処理では、基板１８の表面温度を
温度測定手段２６で測定しながら、例えば基板１８の表
面温度を５０℃／秒〜２００℃／秒の間の適当な割合
で、好ましくは、約１００℃／秒で、上昇させて約１０
００℃となったら約１０〜３０秒間１０００℃の状態を
保持するように、基板１８の加熱を制御する。

【００５４】次に、加熱部１６による基板１８の加熱を
停止すると共にバルブ４６ａを閉じて還元性ガスの供給
を停止し、そして基板１８の表面温度が室温、例えば約
２５℃となるまで基板１８が冷却するのを待つ。この冷
却は基板１８が自然に冷却するようにしても良いし、強
制的に冷却するようにしても良い。強制冷却は例えばバ
ルブ４８ａを閉じてバルブ４８ｂ、４６ｄを開けて不活
性ガスを大量に反応炉１０内に導入することによって行
える。

【００５５】次にバルブ３８、３６ａを閉じてバルブ３
６ｂ、３６ｅを開けて反応炉１０内を例えば１×１０^-8
（１０のマイナス８乗）Ｔｏｒｒの高真空に排気し、反
応炉１０内を清浄化する。（ｂ）基板表面の清浄次に、バルブ３６ｂ、３６ｅを閉じてバルブ３８、３６
ａを開き、反応性ガス例えば重量比で１％塩酸−９９％
水素ガスの比で塩酸を霧状にして水素ガスと混合したガ
スを導入する（図１のＨＣｌフロー）。反応性ガスの導
入に当っては、次に行う反応性ガス雰囲気中での加熱処
理において反応炉１０内の減圧状態を維持するために、
還元性ガス雰囲気中での加熱処理と同様にして、反応炉
１０内を例えば１００〜１０^-2（１０のマイナス２乗）
Ｔｏｒｒの低真空の減圧状態に維持する。

【００５６】次に加熱部１６によって加熱処理を行う。
この加熱処理によって、熱的に活性化された反応性ガス
が基板１８自体および不純物と化学的に反応して揮発性
の反応生成物を形成し、基板１８をエッチングするの
で、基板１８に付着している無機物等の不純物を除去で
きる。反応性ガスの熱的活性化は例えば反応性ガスに赤
外線を照射することによって行う。反応炉１０内を減圧
状態に維持しながら加熱処理を行うので、基板１８のエ
ッチングによる揮発性の反応生成物が反応炉１０外へ排
気され、その結果、反応生成物によって基板１８および
反応炉１０内が汚染される度合を低減できる。

【００５７】この加熱処理で、基板１８も加熱するよう
にすれば反応性ガスと基板１８および不純物との反応性
を向上できる。

【００５８】例えば、基板１８の表面温度を約１０００
℃に保持するように基板１８を加熱しながら約２０秒
間、反応性ガスによる基板１８のエッチングを行えばよ
い。

【００５９】次に、加熱部１６による加熱処理を停止す
ると共にバルブ４６ｂを閉じて反応性ガスの供給を停止
し、基板１８が室温まで冷却するのを待つ。この冷却は
基板１８の自然冷却としても良いし強制冷却としても良
い。

【００６０】次に、バルブ３８、３６ａを閉じ、バルブ
３６ｂ、３６ｅを開き反応炉１０内を例えば１×１０^-8
（１０のマイナス８乗）Ｔｏｒｒの高真空に排気する。［Ｓｉ単結晶膜の成膜］次に原料ガス雰囲気中で加熱
処理を行って基板１８にシリコン（Ｓｉ）単結晶膜を形
成するためバルブ３６ｂ、３６ｅを閉じ、バルブ３８、
３６ａ、４８ｂ、４６ｃを開き、原料ガス例えばＳｉＨ
₂Ｃｌ₂ガスを反応炉１０内に供給する（図１のＳｉＨ₂
Ｃｌ₂フロー）。このときＳｉ単結晶膜形成時の反応生
成物を反応炉１０外に排気するため、反応炉１０内を例
えば１００〜１０^-2（１０のマイナス２乗）Ｔｏｒｒの
低真空の減圧状態に維持する。

【００６１】次に、加熱部１６による加熱処理によって
基板１８を加熱して基板表面にＳｉ単結晶膜５１を形成
する（図４の（Ｃ））。

【００６２】この基板１８の加熱は例えば、基板表面温
度を温度測定手段２６で測定しながら、例えば５０℃／
秒〜２００℃／秒の間の適当な割合で、好ましくは、昇
温速度約１００℃／秒で、加熱温度Ｔ₁である約１００
０℃まで上昇させ、好ましくは、約２０秒間、約１００
０℃に保持するように行う。この場合、上昇温度を一定
の割合で行うのが好適であるが、それはＳｉ単結晶膜の
成長速度を一定にして品質の良い膜を形成するためであ
る。尚、昇温速度を上述したような範囲としたのは膜厚
の制御性およびまたは品質の良い膜を形成するためであ
る。また、加熱温度Ｔ₁を約１０００℃としたのは、Ｓ
ｉ単結晶膜の成膜に要する好適の温度であるからであ
る。また約２０秒間程度としたのは膜厚の制御性および
または膜質の観点からである。このような条件で、基板
を加熱することによって膜厚数１０オングストローム〜
１００オングストローム程度という薄い、Ｓｉ単結晶膜
を基板上に形成できる。尚、このエピタキシャル膜の膜
厚制御は例えば、温度、時間および原料ガスの流量を調
整することによって行える。

【００６３】所望の膜厚のＳｉ単結晶膜５１を形成した
ら、次に基板１８の加熱を停止する。次に基板１８を室
温例えば２５℃まで冷却する。次にバルブ３８、３６ａ
を閉じ、バルブ３６ｂ、３６ｅを開き、反応炉１０内を
例えば１×１０^-8（１０のマイナス８乗）Ｔｏｒｒの高
真空に排気する。

【００６４】このようにして、形成すべき単結晶膜の界
面は原子レベルで見て平坦となっていること、および、
不純物濃度が極めて急峻に変化していることが、未結合
や弱い結合の発生を防止する上で必要である。例えば、
１０〜２０オングストロームの範囲内で、１×１０
¹⁶（１０のプラス１６乗）イオン／ｃｍ³（＝立方セン
チメートル）から１×１０¹⁹（１０のプラス１９乗）イ
オン／ｃｍ³（＝立方センチメートル）の範囲内で不純
物濃度が変化するのが好ましい。［酸化膜の成膜］次に、Ｓｉ単結晶膜５１上に絶縁膜
としてシリコン酸化膜を成膜する。この実施例では、酸
化膜として二酸化珪素（ＳｉＯ₂）膜５３を成膜する
（図４の（Ｄ））。

【００６５】このＳｉＯ₂膜５３は、前述したＳｉ単結
晶膜５１の形成終了後、反応炉１０を大気にさらすこと
なく、連続して以下に説明する方法で成膜する。

【００６６】この酸化膜５３としてＳｉＯ₂膜の形成に
つき説明する。酸化ガス雰囲気中で加熱処理を行って基
板１８にＳｉＯ₂酸化膜を形成するため、バルブ３８、
３６ａ、４８ｂ、４６ｄを開き、酸化性ガス例えば酸素
（Ｏ₂）ガスを反応炉１０内に供給する（図１のＯ₂フロ
ー）。この時ＳｉＯ₂の酸化膜形成時の反応生成物を反
応炉１０外に排気するため反応炉１０内を例えば１００
〜１０^-2（１０のマイナス２乗）Ｔｏｒｒの低真空の減
圧状態に維持する。

【００６７】次に加熱部１６による加熱処理によって基
板１８を加熱して基板表面にＳｉＯ₂の酸化膜を形成す
る。

【００６８】この基板１８の加熱は例えば基板表面温度
を温度測定手段２６で測定しながら例えば５０℃／秒〜
２００℃／秒の間の適当な割合で好ましくは昇温速度約
１００℃／秒で加熱温度約１０００℃まで上昇させ、約
３０秒間約１０００℃に保持するように行う。この場
合、温度昇温速度を一定の割合で行うのが好適である
が、それは酸化膜の成長度合を一定にして品質の良い膜
を形成するためである。また、加熱温度を約１０００℃
としたのは、絶縁膜の成膜に要する好ましい温度である
からである。

【００６９】このような条件で、基板を加熱することに
よって膜厚約５０オングストロームという薄い良質のＳ
ｉＯ₂の酸化膜を形成できる。

【００７０】上述した酸化膜の膜厚制御は例えば、酸化
温度、酸化時間、および酸化ガスの流量を調整すること
によって行える。

【００７１】所望の膜厚の酸化膜を形成したら、次に基
板１８の加熱を停止する。次に基板１８を室温例えば２
５℃まで冷却する。

【００７２】図５の（Ｂ）は、このようにして形成した
ＳｉＯ₂の酸化膜とＳｉ単結晶との界面構造を摸式的に
示す図である。この図５の（Ｂ）からも理解できるよう
に、基板のＳｉ膜上に成長させたＳｉ単結晶膜は原子レ
ベルで平坦であり、その上側にＳｉＯ₂膜を形成すると
酸素原子とシリコン原子は規則正しい配列（β−クリス
トバライト構造）になり、結晶性の酸化膜を形成する。
このような界面構造であると、Ｓｉ単結晶膜とＳｉＯ₂
膜との間では未結合を含むＳｉ−Ｓｉ結合、Ｓｉ−Ｏ結
合、Ｏ−Ｏ結合といった原子の不安定な結合状態がなく
なる。従って、この発明で得られた界面構造では、原子
の不安定な結合状態である、未結合手ないしは弱い結合
が低減され、その結果、形成された絶縁膜には、膜欠陥
はなくなって、高品質の膜となり、ひいては、この絶縁
膜を用いて形成される電子デバイスの電気特性の向上を
図ることができる。

【００７３】この発明は、上述した実施例にのみ限られ
るものではなく、以下に説明するような種々の変更また
は変形を加えることができる。

【００７４】上述した実施例では、Ｓｉ単結晶膜形成用
ガスとしてＳｉＨ₂Ｃｌ₂ガスを用いたが、その代わりに
ＳｉＨ₂Ｃｌ₂ガスまたはＳｉ（ＣＨ₃）₂Ｈ₂ガスまた
は、これらの混合ガスを用いてＳｉ膜を形成してもよ
い。また、上述した実施例では酸化性ガスとして酸素
（Ｏ₂）ガスを用いたが、この酸素ガスの代わりに一酸
化二窒素（Ｎ₂Ｏ）ガスを用いても同様に充分な酸化効
果を上げることができる。

【００７５】また、絶縁膜として、ＳｉＯ₂層を例とし
て説明したが、ゲート酸化膜として用いた時、界面安定
性が得られてトランジスタの特性が満足し得るものが得
られる絶縁膜であればＳｉＯ₂層以外の膜であってもよ
い。

【００７６】上述の実施例では、各加熱処理を赤外線ラ
ンプにより行っているが、この加熱処理は、アークラン
プやレーザビームさらにはヒータ等で行っても良い。

【００７７】また、この発明の絶縁膜形成方法は、低温
酸化法に適用して絶縁膜を形成した場合、或いは希釈酸
化法に適用して絶縁膜を形成した場合にも、絶縁膜の膜
質の向上が図れることは当業者に明らかである。

【００７８】また、上述した実施例では、絶縁膜の形成
前に還元ガス雰囲気中で加熱を行って下地である基板の
清浄化をしているが、所要に応じて、この処理は省いて
も勿論よい。

【００７９】

【発明の効果】上述した説明からも明らかなように、こ
の出願にかかる発明の絶縁膜形成方法によれば、反応炉
内に基板を設置し、還元性ガス雰囲気中および反応性ガ
ス雰囲気中で加熱処理を行って基板を清浄化した後、単
結晶膜形成用の原料ガスを導入し、加熱処理を行い、予
め極めて平坦な、薄いＳｉ単結晶膜を形成する。その
後、絶縁膜形成用の例えば酸化ガス等のガス雰囲気中で
加熱処理を行い、基板に絶縁膜としてシリコン酸化膜を
形成する。従って、形成された絶縁膜中では、酸素原子
とシリコン原子が規則正しい配列をしたβ−クリストバ
ライト構造を構成し、結晶性の酸化膜を形成する。従っ
て、絶縁膜中ではＳｉ−Ｏ結合の安定した結合のみとな
り、Ｓｉ−Ｓｉ結合、Ｓｉ−Ｏ結合、Ｏ−Ｏ結合といっ
た不安定な結合はなくなる。従って膜欠陥のない、高品
質の絶縁膜が得られる。従って、この発明により形成し
た絶縁膜を用いて電子デバイス例えばＭＯＳトランジス
タを作製すると、これら電子デバイスの電気的特性を従
来よりも向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の絶縁膜形成方法の一実施例の説明に
供する図である。

【図２】この発明の絶縁膜形成方法の一実施例を実施す
るための要部を概略的に示す断面図である。

【図３】この発明の絶縁膜形成方法の一実施例を実施す
るための装置の全体構成を概略的に示す図である。

【図４】この発明の絶縁膜形成方法の一実施例の説明に
供する工程図である。

【図５】この発明の絶縁膜形成方法に従って得られたＳ
ｉＯ₂／Ｓｉ界面構造を模式的に示す図である。

【符号の説明】

１０：反応炉１０ａ：本体１０ｂ：蓋部材１０ｃ：昇降部材１２：排気手段１２ａ：ターボ分子ポンプ１２ｂ：ロータリーポンプ１４：ガス供給部１４ａ：還元性ガス源１４ｂ：反応性ガス源１４ｃ：単結晶膜成膜用原料ガス源１４ｄ：酸化性ガス源１６：加熱部１６ａ：赤外線ランプ１６ｂ：支持部材１８：基板１８ａ：自然酸化膜２０：支持体２２：昇降装置２４：気密保持部材２６：温度測定手段２８：ガス供給管３０：排気管３２ａ〜３２ｄ：真空計３４、３６ａ〜３６ｆ、３８、４０、４４、４６ａ〜４
６ｄ、４８ａ、４８ｂ：バルブ４２：ガス供給系５０ａ、５０ｂ：ガス流量コントローラ５１：Ｓｉ単結晶膜５３：ＳｉＯ₂膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】同一の反応炉内でシリコンの下地に絶縁
膜を形成するに当り、還元性ガス雰囲気中での加熱処理と反応性ガス雰囲気中
での加熱処理を行って下地を清浄化する工程と、続いて、単結晶膜形成用ガス雰囲気中で加熱処理を行っ
て前記下地にシリコンの単結晶膜を形成する工程と、前記単結晶膜形成工程に連続して、該単結晶膜上に、絶
縁膜形成用ガス雰囲気中で加熱処理を行って、絶縁膜と
してシリコン酸化膜を形成する工程とを含むことを特徴
とする絶縁膜形成方法。
【請求項２】請求項１記載のシリコン酸化膜の構造が
クリストバライト構造であることを特徴とする絶縁膜形
成方法。
【請求項３】請求項１記載の絶縁膜形成方法におい
て、前記単結晶膜形成用ガスをＳｉＨ₄、ＳｉＨ₂Ｃｌ₂
およびＳｉ（ＣＨ₃）₂Ｈ₂のガス群から選ばれたいずれ
か一種のガスないしは二種類以上の混合ガスとすること
を特徴とする絶縁膜形成方法。
【請求項４】請求項１記載の絶縁膜形成方法におい
て、前記単結晶膜形成のための加熱処理で加熱温度を少
なくとも１０００℃以上としたことを特徴とする絶縁膜
形成方法。
【請求項５】請求項１記載の絶縁膜形成方法におい
て、絶縁膜形成のための加熱処理での加熱温度を少なく
とも１０００℃以上としたことを特徴とする絶縁膜形成
方法。
【請求項６】請求項１記載の絶縁膜形成方法におい
て、前記加熱処理を全て赤外線照射によって行うことを
特徴とする絶縁膜形成方法。