JPH10163187A - シリコン酸化膜成膜装置及びシリコン酸化膜形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】シリコン層の表面にシリコン酸化膜を形成する
際、シリコン層の表面にドライ酸化膜を形成することな
く、特性の優れたシリコン酸化膜を形成するためのシリ
コン酸化膜成膜装置を提供する。 【解決手段】シリコン酸化膜成膜装置は、（イ）シリコ
ン層を有する基板を収納し、シリコン層にシリコン酸化
膜を形成するための処理室１０と、（ロ）基板を収納し
た状態における基板搬入出部２０内を非酸化性ガス雰囲
気とするための非酸化性ガス導入部２１、及び、ガス排
気部２２が配設され、基板を処理室１０に搬入出するた
めの基板搬入出部と、（ハ）処理室１０と基板搬入出部
２０との間に設けられたシャッター１５を備え、基板搬
入出部２０内の非酸化性ガス雰囲気温度を、処理室１０
から基板搬入出部２０内に流入する湿式ガスがシリコン
層上で結露せず且つシリコン層の表面からシリコン原子
が脱離しない温度とする加熱手段２５が備えられてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置を製造
する際に用いるシリコン酸化膜成膜装置、及び半導体装
置の製造におけるシリコン酸化膜形成方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えばＭＯＳ型半導体装置の製造におい
ては、シリコン酸化膜から成るゲート酸化膜をシリコン
半導体基板の表面に形成する必要がある。また、薄膜ト
ランジスタ（ＴＦＴ）の製造においても、絶縁性基板の
上に設けられたシリコン層の表面にシリコン酸化膜から
成るゲート酸化膜を形成する必要がある。このようなシ
リコン酸化膜は、半導体装置の信頼性を担っているとい
っても過言ではない。従って、シリコン酸化膜には常に
高い絶縁破壊耐圧及び長期信頼性が要求される。

【０００３】例えばＭＯＳ型半導体装置を製造する場
合、従来、ゲート酸化膜を成膜する前に、ＮＨ₄ＯＨ／
Ｈ₂Ｏ₂水溶液で洗浄し更にＨＣｌ／Ｈ₂Ｏ₂水溶液で洗浄
するというＲＣＡ洗浄によりシリコン半導体基板の表面
を洗浄して、その表面から微粒子や金属不純物を除去す
る。ところで、ＲＣＡ洗浄を行うと、シリコン半導体基
板の表面は洗浄液と反応し、厚さ０．５〜１ｎｍ程度の
シリコン酸化膜が形成される。かかるシリコン酸化膜の
膜厚は不均一であり、しかも、シリコン酸化膜中には洗
浄液成分が残留する。そこで、フッ化水素酸水溶液にシ
リコン半導体基板を浸漬して、かかるシリコン酸化膜を
除去し、シリコン半導体基板の清浄な表面を露出させ
る。その後、かかるシリコン半導体基板をシリコン酸化
膜成膜装置の処理室（酸化炉）内に搬入して、シリコン
半導体基板の表面にシリコン酸化膜を形成する。フッ化
水素酸水溶液による洗浄後のシリコン半導体基板の表面
は、大半が水素で終端しており、一部がフッ素で終端さ
れている。

【０００４】シリコン酸化膜成膜装置としては、ゲート
酸化膜の薄膜化及び基板の大口径化に伴い、石英製の処
理室（酸化炉）を水平に保持した横型方式から垂直に保
持した縦型方式のシリコン酸化膜成膜装置への移行が進
んでいる。これは、縦型方式のシリコン酸化膜成膜装置
の方が、横型方式のシリコン酸化膜成膜装置よりも、基
板の大口径化に対処し易いばかりか、シリコン半導体基
板を処理室中に搬入する際の大気の巻き込みによって生
成するシリコン酸化膜（以下、かかるシリコン酸化膜を
自然酸化膜と呼ぶ）を低減することができるからであ
る。しかしながら、縦型のシリコン酸化膜成膜装置を用
いる場合であっても、２ｎｍ厚程度の自然酸化膜がシリ
コン半導体基板の表面に形成されてしまう。そのため、
（１）シリコン酸化膜成膜装置に配設された基板搬入出
部に大量の窒素ガスを流して窒素ガス雰囲気とする方法
（窒素ガスパージ方式）、（２）一旦、基板搬入出部内
を真空とした後、窒素ガス等で基板搬入出部内を置換し
て大気を排除する方法（真空ロードロック方式）等を採
用し、出来る限り自然酸化膜の形成を抑制する方法が提
案されている。

【０００５】ゲート酸化膜の形成には、高温に保持され
た処理室中に高純度の水蒸気を導入することによってシ
リコン半導体基板の表面を熱酸化する方法（湿式酸化
法）が採用されており、高純度の酸素によってシリコン
半導体基板表面を酸化する方法（乾式酸化法）よりも、
電気的信頼性の高いゲート酸化膜を形成することができ
る。この湿式酸化法の１つに、水素ガスと酸素ガスとを
高温で混合し、燃焼させることによって生成した水蒸気
を用いるパイロジェニック酸化法（水素燃焼酸化法とも
呼ばれる）があり、多く採用されている。

【０００６】従来の縦型のシリコン酸化膜成膜装置の概
念図を図６に示す。この縦型のシリコン酸化膜成膜装置
は、石英製の二重管構造の処理室１０と、処理室１０へ
水蒸気等を導入するためのガス導入部１２と、処理室１
０からガスを排気するガス排気部１３と、ＳｉＣから成
る円筒状の均熱管１６を介して処理室１０内を所定の雰
囲気温度に保持するためのヒータ１４と、基板搬入出部
２０と、基板搬入出部２０へ窒素ガスを導入するための
ガス導入部２１Ａと、基板搬入出部２０からガスを排気
するガス排気部２２と、処理室１０と基板搬入出部２０
とを仕切るシャッター１５と、シリコン半導体基板を処
理室１０内に搬入出するためのエレベータ機構２３から
構成されている。エレベータ機構２３には、シリコン半
導体基板を載置するための石英ボート２４が取り付けら
れている。また、燃焼室３０に供給された水素ガス及び
酸素ガスを、燃焼室３０内で高温にて混合し、燃焼する
ことによって、水蒸気が生成する。かかる水蒸気は、配
管３１、ガス流路１１及びガス導入部１２を介して処理
室１０内に供給される。尚、ガス流路１１は二重管構造
の処理室１０の外側部分に位置する。

【０００７】図６に示した従来の縦型のシリコン酸化膜
成膜装置を使用した、パイロジェニック酸化法に基づく
従来のシリコン酸化膜の形成方法の概要を、図７〜図９
を参照して、以下、説明する。

【０００８】［工程−１０］処理室１０へガス導入部１
２から窒素ガスを導入し、処理室１０内を窒素ガス雰囲
気とし、且つ、均熱管１６を介してヒータ１４によって
処理室１０内の雰囲気温度を７００〜８００゜Ｃに保持
する。尚、この状態においては、シャッター１５は閉じ
ておく（図７の（Ａ）参照）。基板搬入出部２０は大気
に解放された状態である。

【０００９】［工程−２０］そして、基板搬入出部２０
にシリコン半導体基板４０を搬入し、石英ボート２４に
シリコン半導体基板４０を載置する。基板搬入出部２０
へのシリコン半導体基板４０の搬入が完了した後、図示
しない扉を閉め、基板搬入出部２０にガス導入部２１Ａ
から窒素ガスを導入し、ガス排出部２２から排出し、基
板搬入出部２０内を窒素ガス雰囲気とする（図７の
（Ｂ）参照）。基板搬入出部２０内の雰囲気温度は室温
である。

【００１０】［工程−３０］基板搬入出部２０内が十分
に窒素ガス雰囲気となった時点で、シャッター１５を開
き（図８の（Ｂ）参照）、エレベータ機構２３を作動さ
せて石英ボート２４を上昇させ、シリコン半導体基板４
０を処理室１０内に搬入する（図９の（Ａ）参照）。エ
レベータ機構２３が最上昇位置に辿り着くと、石英ボー
ト２４の基部によって処理室１０と基板搬入出部２０と
の間は連通しなくなる構造となっている。

【００１１】シャッター１５を開く前に、処理室１０内
を窒素ガス雰囲気のままにしておくと、以下の問題が生
じる。即ち、フッ化水素酸水溶液で表面を露出させたシ
リコン半導体基板を高温の窒素ガス雰囲気中に搬入する
と、シリコン半導体基板４０の表面に荒れが生じる。こ
の現象は、フッ化水素酸水溶液での洗浄によってシリコ
ン半導体基板４０の表面に形成されたＳｉ−Ｈ結合が、
水素の昇温脱離によって失われ、シリコン半導体基板４
０の表面にエッチング現象が生じることに起因する。ア
ルゴンガス中でシリコン半導体基板を６００゜Ｃ以上に
昇温するとシリコン半導体基板の表面に激しい凹凸が生
じることが、培風館発行、大見忠弘著「ウルトラクリー
ンＵＬＳＩ技術」、第２１頁に記載されている。このよ
うな現象を抑制するために、シャッター１５を開く前
に、例えば、０．５容量％程度の酸素ガスを含んだ窒素
ガスをガス導入部１２から処理室１０内に導入し、処理
室１０内を０．５容量％程度の酸素ガスを含んだ窒素ガ
ス雰囲気とする（図８の（Ａ）参照）。

【００１２】［工程−４０］その後、処理室１０内の雰
囲気温度を８００〜９００゜Ｃとし、水素ガスと酸素ガ
スとを燃焼室３０内で高温にて混合し、燃焼することに
よって生成した水蒸気を、配管３１、ガス流路１１及び
ガス導入部１２を介して処理室１０へ導入し、ガス排気
部１３から排気する（図９の（Ｂ）参照）。これによっ
て、シリコン半導体基板４０の表面にシリコン酸化膜が
形成される。尚、水蒸気を処理室１０へ導入する前に、
不完全燃焼した水素ガスが処理室１０内に導入されるこ
とによって爆鳴気反応が生じることを防止するために、
ガス導入部１２から酸素ガスを処理室１０内に導入する
必要がある。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】シャッター１５を開く
前に、０．５容量％程度の酸素ガスを含んだ窒素ガスを
ガス導入部１２から処理室１０内に導入し、処理室１０
内を０．５容量％程度の酸素ガスを含んだ窒素ガス雰囲
気とすることによって（図８の（Ａ）参照）、シリコン
半導体基板の表面に凹凸が形成される現象を抑制するこ
とができる。しかしながら、処理室１０内に酸素ガスが
導入されるが故に、処理室１０内に搬入されたシリコン
半導体基板の表面に、シリコン酸化膜が形成される。か
かるシリコン酸化膜は、本質的には、所謂、乾式酸化に
よって形成されたシリコン酸化膜（ドライ酸化膜と呼
ぶ）であり、湿式酸化法にて形成されたシリコン酸化膜
（ウェット酸化膜と呼ぶ）よりも特性が劣る。例えば、
処理室１０内を８００゜Ｃに保持し、０．５容量％の酸
素ガスを含んだ窒素ガスをガス導入部１２から処理室１
０内に導入した状態でシリコン半導体基板を処理室１０
内に搬入すると、シリコン半導体基板の表面には２ｎｍ
以上のドライ酸化膜が形成される。ゲート長０．１８〜
０．１３μｍの半導体装置においては、４〜３ｎｍ厚さ
のゲート酸化膜が用いられることが予想されている。こ
のように、例えば４ｎｍ厚さのゲート酸化膜を形成しよ
うとした場合、厚さの５割以上がドライ酸化膜で占めら
れることになる。また、ウェット酸化膜の成膜のために
水蒸気を処理室１０へ導入する前に、酸素ガスを処理室
１０内にガス導入部１２から導入することによっても、
シリコン半導体基板の表面にドライ酸化膜が形成され
る。

【００１４】シャッター１５を開く前に、配管３１、ガ
ス流路１１及びガス導入部１２を介して水蒸気を処理室
１０へ導入しておき、シャッター１５を開き、処理室１
０内に半導体基板を搬入すれば、処理室１０内に搬入さ
れたシリコン半導体基板の表面に、ドライ酸化膜を形成
することなく、ウェット酸化膜を形成することが可能に
なる。しかしながら、処理室１０内に導入された水蒸気
が基板搬入出部２０内に流入し、基板搬入出部２０内あ
るいはシリコン層上で結露するという問題が生じる。シ
リコン層上での結露が発生すると、ウォーターマークが
生じたり、シリコン層に形成されるシリコン酸化膜の膜
厚が不均一になる原因となる。

【００１５】尚、以上の問題は、シリコン半導体基板の
表面において生じるだけでなく、絶縁性基板等の上に設
けられたシリコン層の表面においても生じる問題であ
る。

【００１６】従って、本発明の目的は、シリコン層の表
面にシリコン酸化膜を形成する際、シリコン層の表面に
ドライ酸化膜を形成することなく、特性の優れたシリコ
ン酸化膜を形成するためのシリコン酸化膜成膜装置、及
びシリコン酸化膜形成方法を提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明のシリコン酸化膜成膜装置は、湿式ガスを用
いてシリコン層にシリコン酸化膜を形成するためのシリ
コン酸化膜成膜装置であって、（イ）シリコン層を有す
る基板を収納し、該シリコン層にシリコン酸化膜を形成
するための処理室と、（ロ）基板を収納した状態におけ
る基板搬入出部内を非酸化性ガス雰囲気とするための非
酸化性ガス導入部、及び、基板搬入出部内のガスを排気
するためのガス排気部が配設され、基板を処理室に搬入
出するための基板搬入出部と、（ハ）処理室と基板搬入
出部との間に設けられたシャッター、を備え、基板搬入
出部内の非酸化性ガス雰囲気温度を、処理室から基板搬
入出部内に流入する湿式ガスがシリコン層上で結露せ
ず、且つ、シリコン層の表面からシリコン原子が脱離し
ない温度とするための加熱手段が備えられていることを
特徴とする。

【００１８】加熱手段は、非酸化性ガス導入部から基板
搬入出部内に導入される前の非酸化性ガスを加熱するヒ
ータ等の加熱装置としてもよいし、基板搬入出部内の非
酸化性ガス雰囲気温度を制御するために基板搬入出部に
配設されたヒータ等の加熱装置としてもよい。尚、加熱
手段によって、基板搬入出部内の非酸化性ガス雰囲気温
度を１００゜Ｃ以上３００゜Ｃ以下に保持することが望
ましい。

【００１９】上記の目的を達成するための湿式ガスを用
いてシリコン層にシリコン酸化膜を形成する本発明のシ
リコン酸化膜形成方法は、（イ）シリコン層を有する基
板を収納し、該シリコン層にシリコン酸化膜を形成する
ための処理室と、（ロ）基板を収納した状態における基
板搬入出部内を非酸化性ガス雰囲気とするための非酸化
性ガス導入部、及び、基板搬入出部内のガスを排気する
ためのガス排気部が配設され、基板を処理室に搬入出す
るための基板搬入出部と、（ハ）処理室と基板搬入出部
との間に設けられたシャッター、を備え、基板搬入出部
内の非酸化性ガス雰囲気温度を、処理室から基板搬入出
部内に流入する湿式ガスがシリコン層上で結露せず、且
つ、シリコン層の表面からシリコン原子が脱離しない温
度とするための加熱手段を備えたシリコン酸化膜成膜装
置を用い、（Ａ）シャッターを閉じた状態で基板搬入出
部に基板を収納した後、基板搬入出部内の雰囲気を、処
理室から基板搬入出部内に流入する湿式ガスがシリコン
層上で結露せず、且つ、シリコン層の表面からシリコン
原子が脱離しない温度の非酸化性ガス雰囲気とする工程
と、（Ｂ）処理室内を湿式ガス雰囲気とした状態でシャ
ッターを開き、基板搬入出部から処理室に基板を搬入す
る工程と、（Ｃ）処理室内で、湿式ガスを用いてシリコ
ン層にシリコン酸化膜を形成する工程、から成ることを
特徴とする。

【００２０】本発明のシリコン酸化膜成膜装置あるいは
シリコン酸化膜形成方法においては、非酸化性ガスとし
て、窒素ガス又はアルゴンガスを用いることが好まし
い。

【００２１】湿式ガスを用いてシリコン層にシリコン酸
化膜を形成する方法は、パイロジェニック酸化法（水素
燃焼酸化法とも呼ばれる）、純水の加熱により発生した
水蒸気による酸化法、並びに、酸素ガス又は不活性ガス
によって加熱純水をバブリングすることで発生した水蒸
気による酸化法の内の少なくとも１種の酸化法であるこ
とが好ましい。湿式ガスを用いた酸化法によってシリコ
ン酸化膜を形成するので、優れたタイムゼロ絶縁破壊
（ＴＺＤＢ）特性及び経時絶縁破壊（ＴＤＤＢ）特性を
有するシリコン酸化膜を得ることができる。尚、湿式ガ
スを用いた酸化法においては、湿式ガスを不活性ガスで
希釈してもよい。

【００２２】ここで、シリコン層を有する基板とは、シ
リコン半導体基板等の基板そのものだけでなく、エピタ
キシャルシリコン層、多結晶シリコン層、あるいは非晶
質シリコン層がその上に形成された半導体基板、絶縁性
基板、若しくは半絶縁性基板、あるいは又、ＳＯＩ構造
を有する基板、更には、基板やこれらの層に半導体素子
や半導体素子の構成要素が形成されたもの等、シリコン
酸化膜を形成すべきシリコン層を有する基板を意味す
る。シリコン半導体基板の作製方法は、ＣＺ法、ＭＣＺ
法、ＤＬＣＺ法、ＦＺ法等、如何なる方法であってもよ
いし、また、予め高温の水素アニール処理を行い結晶欠
陥を除去したものでもよい。

【００２３】本発明のシリコン酸化膜形成方法において
は、工程（Ｃ）におけるシリコン酸化膜形成時の雰囲気
温度は、６００乃至１２００゜Ｃ、好ましくは７００乃
至１０００゜Ｃ、更に好ましくは７５０乃至９００゜Ｃ
であることが望ましい。尚、工程（Ｂ）において、処理
室内を湿式ガス雰囲気とした状態での雰囲気温度は、工
程（Ｃ）における雰囲気温度と同じとしてもよい。

【００２４】あるいは又、工程（Ｂ）における処理室内
の雰囲気温度を、シリコン層の表面からシリコン原子が
脱離しない温度とし、工程（Ｂ）と工程（Ｃ）の間に、
（Ｄ−１）かかる雰囲気温度の処理室内で、湿式ガスを
用いた酸化法によってシリコン層の表面にシリコン酸化
膜を形成する工程と、（Ｄ−２）雰囲気温度を工程
（Ｃ）におけるシリコン酸化膜形成時の雰囲気温度まで
昇温する工程の２工程を含ませることもできる。尚、雰
囲気温度を所望の温度まで昇温する工程（Ｄ−２）にお
ける雰囲気を、不活性ガス雰囲気若しくは減圧雰囲気と
するか、あるいは又、湿式ガスを含む酸化雰囲気とする
ことが望ましい。また、工程（Ｂ）及び工程（Ｄ−１）
におけるシリコン層の表面からシリコン原子が脱離しな
い温度は、１気圧にて測定した値であり、湿式ガスがシ
リコン層上で結露しない温度以上、好ましくは、３００
゜Ｃ以上とすることが望ましい。工程（Ｃ）を経た後の
最終的なシリコン酸化膜の膜厚は、半導体装置に要求さ
れる所望の厚さとすればよい。このような雰囲気温度条
件の工程（Ｂ）、工程（Ｄ−１）、工程（Ｄ−２）を経
ることによって、フッ化水素酸水溶液での洗浄によって
シリコン層の表面に形成されたＳｉ−Ｈ結合が水素の昇
温脱離によって失われる結果、シリコン層の表面にエッ
チング現象が生じ、シリコン層の表面が荒れる（凹凸と
なる）現象を回避することができる。ここで、工程（Ｄ
−１）を経た後のシリコン酸化膜の膜厚は、出来る限る
薄いことが好ましい。但し、現在、半導体装置の製造に
用いられているシリコン半導体基板の面方位は殆どの場
合（１００）であり、如何にシリコン半導体基板の表面
を平滑化しても（１００）シリコンの表面には必ずステ
ップと呼ばれる段差が形成される。このステップは通常
シリコン原子１層分であるが、場合によっては２〜３層
分の段差が形成されることがある。従って、工程（Ｄ−
１）を経た後のシリコン酸化膜の膜厚は、シリコン層と
して（１００）シリコン半導体基板を用いる場合、１ｎ
ｍ以上とすることが好ましい。

【００２５】本発明のシリコン酸化膜形成方法において
は、形成されたシリコン酸化膜の特性を一層向上させる
ために、工程（Ｃ）の後、形成されたシリコン酸化膜に
熱処理を施すことが好ましい。

【００２６】この場合、熱処理の雰囲気を、ハロゲン元
素を含有する不活性ガス雰囲気とすることが望ましい。
ハロゲン元素を含有する不活性ガス雰囲気中でシリコン
酸化膜を熱処理することによって、タイムゼロ絶縁破壊
（ＴＺＤＢ）特性に優れたシリコン酸化膜を得ることが
できる。また、ハロゲン元素として、塩素、臭素、フッ
素を挙げることができるが、なかでも塩素であることが
望ましい。不活性ガス中に含有されるハロゲン元素の形
態としては、例えば、ＨＣｌ、ＣＣｌ₄、Ｃ₂ＨＣｌ₃、
Ｃｌ₂、ＨＢｒ、ＮＦ₃を挙げることができる。不活性ガ
ス中のハロゲン元素の含有率は、分子又は化合物の形態
を基準として、０．００１〜１０容量％、好ましくは
０．００５〜１０容量％、更に好ましくは０．０２〜１
０容量％である。例えば塩酸ガスを用いる場合、不活性
ガス中の塩酸ガス含有率は０．０２〜１０容量％である
ことが望ましい。

【００２７】熱処理を、ハロゲン元素を含有する不活性
ガス雰囲気を大気圧よりも減圧した状態で行ってもよ
い。熱処理時の圧力は、１．３×１０²Ｐａ（１Ｔｏｒ
ｒ）以下であることが好ましい。圧力の下限は、シリコ
ン酸化膜を熱処理するための装置に依存するが、出来る
限り低いことが望ましい。

【００２８】尚、熱処理後、シリコン酸化膜を窒化処理
してもよい。この場合、窒化処理を、Ｎ₂Ｏガス、ＮＯ
ガス、ＮＯ₂ガス雰囲気中で行うことが望ましいが、中
でもＮ₂Ｏガス雰囲気中で行うことが望ましい。あるい
は又、窒化処理をＮＨ₃ガス、Ｎ₂Ｈ₄、ヒドラジン誘導
体雰囲気中で行い、その後、Ｎ₂Ｏガス、Ｏ₂雰囲気中で
熱処理を行うことが望ましい。窒化処理を７００乃至１
２００゜Ｃ、好ましくは８００乃至１１５０゜Ｃ、更に
好ましくは９００乃至１１００゜Ｃの温度で行うことが
望ましく、この場合、シリコン半導体基板の加熱を赤外
線照射、炉アニール処理によって行うことが好ましい。

【００２９】あるいは又、熱処理の雰囲気を、窒素系ガ
ス雰囲気としてもよい。ここで窒素系ガスとして、
Ｎ₂、ＮＨ₃、Ｎ₂Ｏ、ＮＯ₂を例示することができる。

【００３０】尚、熱処理は、炉アニール処理であること
が望ましい。熱処理の温度は、７００〜１２００゜Ｃ、
好ましくは７００〜１０００゜Ｃ、更に好ましくは７０
０〜９５０゜Ｃである。また、熱処理の時間は、５〜６
０分、好ましくは１０〜４０分、更に好ましくは２０〜
３０分である。熱処理における不活性ガスとしては、窒
素ガス、アルゴンガスを例示することができる。

【００３１】本発明のシリコン酸化膜の形成方法は、例
えばＭＯＳ型トランジスタのゲート酸化膜、層間絶縁膜
や素子分離領域の形成、トップゲート型若しくはボトム
ゲート型薄膜トランジスタのゲート酸化膜の形成、フラ
ッシュメモリのトンネル酸化膜の形成等、各種半導体装
置におけるシリコン酸化膜の形成に適用することができ
る。

【００３２】本発明においては、基板搬入出部に基板を
収納した後の基板搬入出部内の雰囲気を、処理室から基
板搬入出部内に流入する湿式ガスがシリコン層上で結露
せず、且つ、シリコン層の表面からシリコン原子が脱離
しない温度の非酸化性ガス雰囲気とするので、処理室内
を湿式ガス雰囲気とした状態で、基板搬入出部から処理
室に基板を搬入する際に、処理室から基板搬入出部に流
入した湿式ガスがシリコン層上で結露することを確実に
防止することができる。しかも、シリコン層にドライ酸
化膜が形成されることがない。従って、優れた特性を有
するシリコン酸化膜を形成することができる。

【００３３】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、発明の実
施の形態（以下、実施の形態と略称する）に基づき本発
明を説明する。

【００３４】（実施の形態１）本発明のシリコン酸化膜
成膜装置の模式的な断面図を図１に示す。本発明の縦型
のシリコン酸化膜成膜装置は、シリコン層を有する基板
を収納し、シリコン層にシリコン酸化膜を形成するため
の石英製の二重管構造の処理室１０と、基板を処理室に
搬入出するための基板搬入出部２０と、処理室と基板搬
入出部との間に設けられそして処理室１０と基板搬入出
部２０とを仕切るシャッター１５を備えている。本発明
の縦型のシリコン酸化膜成膜装置は、更に、処理室１０
へ水蒸気等を導入するためのガス導入部１２と、処理室
１０からガスを排気するガス排気部１３と、ＳｉＣから
成る円筒状の均熱管１６を介して処理室１０内を所定の
雰囲気温度に保持するためのヒータ１４と、シリコン半
導体基板を処理室１０内に搬出入するためのエレベータ
機構２３から構成されている。エレベータ機構２３に
は、シリコン半導体基板を載置するための石英ボート２
４が取り付けられている。また、燃焼室３０に供給され
た水素ガス及び酸素ガスを、燃焼室３０内で高温にて混
合し、燃焼することによって、水蒸気が生成する。かか
る水蒸気は、配管３１、ガス流路１１及びガス導入部１
２を介して処理室１０内に供給される。尚、ガス流路１
１は二重管構造の処理室１０の外側部分に位置する。

【００３５】基板搬入出部２０には、基板を収納した状
態における基板搬入出部２０内を非酸化性ガス雰囲気
（実施の形態１においては、窒素ガス雰囲気）とするた
めの非酸化性ガス導入部２１と、基板搬入出部２０内の
ガスを排気するためのガス排気部２２と、基板搬入出部
２０内の非酸化性ガス雰囲気温度を、処理室１０から基
板搬入出部２０内に流入する湿式ガスがシリコン層上で
結露せず、且つ、シリコン層の表面からシリコン原子が
脱離しない温度とするための加熱手段２５が備えられて
いる。加熱手段２５は、実施の形態１においては、基板
搬入出部２０内の非酸化性ガス雰囲気温度を１００゜Ｃ
以上３００゜Ｃ以下にするために、基板搬入出部２０に
配設されたヒータから成る。

【００３６】実施の形態１においては、シリコン層をシ
リコン半導体基板から構成した。形成されたシリコン酸
化膜はゲート酸化膜として機能する。湿式ガスを用いた
酸化法としてパイロジェニック酸化法を採用した。更に
は、工程（Ａ）、工程（Ｂ）、工程（Ｄ−１）、工程
（Ｄ−２）、工程（Ｃ）を経て、シリコン酸化膜を形成
した。更には、形成されたシリコン酸化膜に対して、ハ
ロゲン元素を含有する不活性ガス雰囲気（塩酸を含む窒
素ガス雰囲気）中で熱処理（炉アニール処理）を施し
た。尚、工程（Ｄ−２）において、雰囲気温度を工程
（Ｃ）におけるシリコン酸化膜形成時の雰囲気温度まで
昇温するときの雰囲気を、湿式ガスを含む酸化雰囲気と
した。以下、図２〜図５を参照して、実施の形態１のシ
リコン酸化膜の形成方法を説明する。

【００３７】［工程−１００］先ず、シリコン半導体基
板４０に公知の方法でＬＯＣＯＳ構造を有する素子分離
領域を形成する。尚、素子分離領域はトレンチ構造を有
していてもよい。その後、ＲＣＡ洗浄によりシリコン半
導体基板４０の表面の微粒子や金属不純物を除去し、次
いで、０．１％フッ化水素酸水溶液によりシリコン半導
体基板の表面洗浄を行い、シリコン半導体基板４０の表
面を露出させる。尚、シリコン半導体基板の表面は大半
が水素で終端しており、一部がフッ素で終端されている
ので、シリコン半導体基板を大気中に放置しても、シリ
コン酸化膜が生成することはない。

【００３８】［工程−１１０］次に、シリコン半導体基
板４０を、図１に示したシリコン酸化膜成膜装置の基板
搬入出部２０に図示しない扉から搬入し、石英ボート２
４に載置する。尚、処理室１０へガス導入部１２から窒
素ガスを導入し、処理室１０内を窒素ガス雰囲気とし、
且つ、均熱管１６を介してヒータ１４によって処理室１
０内の雰囲気温度を４００゜Ｃに保持する。この状態に
おいては、シャッター１５は閉じておく。

【００３９】［工程−１２０］そして、基板搬入出部２
０へのシリコン半導体基板４０の搬入が完了した後、図
示しない扉を閉め、基板搬入出部２０に非酸化性ガス導
入部２１から１００リットル／分程度の流量の非酸化性
ガス（実施の形態１においては、窒素ガス）を導入し、
ガス排出部２２から排出し、基板搬入出部２０内を非酸
化性ガス雰囲気（窒素ガス雰囲気）とする（図２の
（Ａ）参照）。

【００４０】［工程−１３０］基板搬入出部２０内の酸
素ガス濃度をモニターし、酸素ガス濃度が例えば２０ｐ
ｐｍ以下となったならば、基板搬入出部２０内が十分に
窒素ガス雰囲気となったと判断する。その後、加熱手段
２５であるヒータを作動させて、基板搬入出部２０の雰
囲気を、１１０゜Ｃの非酸化性ガス雰囲気（窒素ガス雰
囲気）とする（図２の（Ｂ）参照）。一方、処理室１０
内を湿式ガス雰囲気としておく。具体的には、燃焼室３
０内で生成した水蒸気を配管３１、ガス流路１１及びガ
ス導入部１２を介して処理室１０内に供給し、ガス排気
部１３から排気する。処理室１０内の雰囲気温度を、均
熱管１６を介してヒータ１４によって４００゜Ｃにす
る。

【００４１】［工程−１４０］こうして、処理室１０内
を湿式ガス雰囲気とした状態で、基板搬入出部２０から
処理室１０にシリコン半導体基板４０を搬入する。具体
的には、シャッター１５を開き（図３の（Ａ）参照）、
エレベータ機構２３を作動させて石英ボート２４を２０
ｃｍ／分の上昇速度で上昇させ、シリコン半導体基板４
０を処理室１０内に搬入する（図３の（Ｂ）参照）。基
板搬入出部２０は１１０゜Ｃの非酸化性ガス雰囲気（窒
素ガス雰囲気）となっているので、処理室１０から流入
しそしてガス排気部２２から排気される湿式ガスが基板
搬入出部２０やシリコン半導体基板４０上で結露するこ
とはない。しかも、処理室１０内を湿式ガス雰囲気とし
た状態で処理室１０にシリコン半導体基板４０を搬入す
るので、シリコン半導体基板４０の表面にドライ酸化膜
が形成されることもない。更には、処理室１０内の雰囲
気温度はヒータ１４によって４００゜Ｃに保持されてい
るので、シリコン半導体基板４０の表面に荒れが発生す
ることを抑制することができる。エレベータ機構２３が
最上昇位置に辿り着くと、石英ボート２４の基部によっ
て処理室１０と基板搬入出部２０との間は連通しなくな
る。

【００４２】［工程−１５０］次いで、シリコン層（実
施の形態１においては、シリコン半導体基板４０）の表
面からシリコン原子が脱離しない温度（実施の形態１に
おいては、４００゜Ｃ）に雰囲気を保持した状態で、湿
式ガスを用いた酸化法によってシリコン層の表面にシリ
コン酸化膜を形成する。実施の形態１においては、具体
的には、燃焼室３０内で生成した水蒸気を配管３１、ガ
ス流路１１及びガス導入部１２を介して処理室１０内に
供給し、パイロジェニック酸化法によってシリコン半導
体基板４０の表面に厚さ１．２ｎｍのシリコン酸化膜を
形成する（図４の（Ａ）参照）。このシリコン酸化膜の
厚さは２〜３シリコン原子層に相当する厚さであり、シ
リコン半導体基板の表面のステップを考慮しても、保護
膜として機能するのに十分な厚さである。尚、処理室１
０の上方と下方に位置するシリコン半導体基板では処理
室１０内の滞留時間が異なるが、４００゜Ｃでの酸化レ
ートは極端に低く、表面反応によりシリコン酸化膜が形
成された後のシリコン酸化膜の膜厚増加は殆ど無視でき
るほど少なく、シリコン酸化膜の膜厚均一性を確保する
ことができる。基板搬入出部２０においては、内部の湿
式ガスを窒素ガスによって完全に排出した後、加熱手段
２５の作動を停止する。

【００４３】［工程−１６０］その後、処理室１０内へ
の湿式ガスの供給を継続しながら、シリコン酸化膜成膜
装置の処理室１０内の雰囲気温度を、均熱管１６を介し
てヒータ１４によって所望の温度（実施の形態１におい
ては、８００゜Ｃ）まで昇温する（図４の（Ｂ）参
照）。尚、処理室１０内への湿式ガスの供給を中止し、
不活性ガス（窒素ガス）をガス導入部１２から処理室１
０内に供給しながら、シリコン酸化膜成膜装置の処理室
１０内の雰囲気温度を、均熱管１６を介してヒータ１４
によって所望の温度まで昇温してもよい。［工程−１５
０］にてシリコン層の表面には保護膜としてのシリコン
酸化膜が既に形成されているので、このような操作を行
っても、シリコン層（シリコン半導体基板４０）の表面
に荒れが発生することはない。

【００４４】［工程−１７０］所望の温度（実施の形態
１においては、８００゜Ｃ）に処理室１０内の雰囲気温
度が達した後、この所望の温度に雰囲気を保持した状態
にて、湿式ガスを用いた酸化法によって、更にシリコン
酸化膜を形成する。具体的には、燃焼室３０内で生成し
た水蒸気を配管３１、ガス流路１１及びガス導入部１２
を介して処理室１０内に供給し続け、パイロジェニック
酸化法によってシリコン半導体基板４０の表面に総厚
４．０ｎｍのシリコン酸化膜を形成する（図５参照）。

【００４５】［工程−１８０］その後、湿式ガスの供給
を中止し、窒素ガスをガス導入部１２から処理室１０内
に導入しつつ、均熱管１６を介して処理室１０の雰囲気
温度をヒータ１４によって８５０゜Ｃまで昇温する。次
いで、塩酸を０．１容量％含有する窒素ガスをガス導入
部１２から処理室１０内に導入し、３０分間、熱処理を
行う。

【００４６】［工程−１９０］以上により、シリコン半
導体基板４０の表面でのシリコン酸化膜の形成が完了す
る。以降、処理室１０内を窒素ガス雰囲気とし、エレベ
ータ機構２３を動作させて石英ボート２４を下降させ、
次いで、基板搬入出部２０からシリコン半導体基板４０
を搬出する。

【００４７】以上、本発明を発明の実施の形態に基づき
説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。
発明の実施の形態にて説明した各種の条件やシリコン酸
化膜成膜装置の構造は例示であり、適宜変更することが
できる。シリコン酸化膜成膜装置は縦型方式に限定され
るものではなく、横型方式としてもよい。また、発明の
実施の形態にて説明した処理室１０を二重管構造とした
が、必ずしもこれに限定されるものではなく、例えば、
ガス流路１１がガス導入部１２接続された一重管構造の
処理室１０を用いることもできる。シリコン酸化膜の成
膜は、パイロジェニック酸化法だけでなく、純水の加熱
により発生した水蒸気による酸化法、酸素ガス又は不活
性ガスによって加熱純水をバブリングすることで発生し
た水蒸気による酸化法、あるいはこれらの酸化法を併用
した方法とすることができる。また、［工程−１５
０］、［工程−１６０］及び［工程−１７０］における
酸化法や雰囲気の形成法は、同種の方法であっても、異
種の方法であってもよい。発明の実施の形態において
は、専らシリコン半導体基板の表面にシリコン酸化膜を
形成したが、基板の上に形成された絶縁層の上に成膜さ
れたエピタキシャルシリコン層、多結晶シリコン層、あ
るいは非晶質シリコン層の表面にシリコン酸化膜を形成
することもできる。あるいは又、ＳＯＩ構造におけるシ
リコン層の表面にシリコン酸化膜を形成してもよいし、
更には、基板やこれらの層に半導体素子や半導体素子の
構成要素が形成されたシリコン層の表面にシリコン酸化
膜を形成してもよい。発明の実施の形態においては、２
段階の工程でシリコン酸化膜を形成したが、［工程−１
３０］において、処理室１０内の雰囲気を温度７００〜
８００゜Ｃの湿式ガス雰囲気とし、［工程−１５０］及
び［工程−１６０］を省略して、１段階でシリコン酸化
膜を形成してもよい。シリコン酸化膜形成後の熱処理は
必須ではなく、場合によっては省略することができる。

【００４８】発明の実施の形態においては、加熱手段２
５を基板搬入出部２０に配設されたヒータから構成した
が、非酸化性ガス導入部から基板搬入出部内に導入され
る前の非酸化性ガスを加熱するヒータ等の加熱装置とし
てもよいし、これらのヒータを併用した構造とすること
もできる。

【００４９】

【発明の効果】本発明においては、処理室内を湿式ガス
雰囲気とした状態で、基板搬入出部から処理室に基板を
搬入する際に、処理室から基板搬入出部に流入した湿式
ガスがシリコン層上で結露することを確実に防止するこ
とができる。その結果、シリコン層上での結露が発生す
ることを防止でき、ウォーターマークが生じたり、シリ
コン層に形成されるシリコン酸化膜の膜厚が不均一にな
ることを確実に防ぐことができる。しかも、シリコン層
にドライ酸化膜が形成されることがないので、優れた特
性を有するシリコン酸化膜を形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の縦型のシリコン酸化膜成膜装置の模式
的な断面図である。

【図２】発明の実施の形態１におけるシリコン酸化膜の
形成方法を説明するためのシリコン酸化膜成膜装置等の
模式的な断面図である。

【図３】図２に引き続き、発明の実施の形態１における
シリコン酸化膜の形成方法を説明するためのシリコン酸
化膜成膜装置等の模式的な断面図である。

【図４】図３に引き続き、発明の実施の形態１における
シリコン酸化膜の形成方法を説明するためのシリコン酸
化膜成膜装置等の模式的な断面図である。

【図５】図４に引き続き、発明の実施の形態１における
シリコン酸化膜の形成方法を説明するためのシリコン酸
化膜成膜装置等の模式的な断面図である。

【図６】従来のシリコン酸化膜成膜装置の模式的な断面
図である。

【図７】従来のシリコン酸化膜の形成方法を説明するた
めのシリコン酸化膜成膜装置等の模式的な断面図であ
る。

【図８】図７に引き続き、従来のシリコン酸化膜の形成
方法を説明するためのシリコン酸化膜成膜装置等の模式
的な断面図である。

【図９】図８に引き続き、従来のシリコン酸化膜の形成
方法を説明するためのシリコン酸化膜成膜装置等の模式
的な断面図である。

【符号の説明】

１０・・・処理室、１１・・・ガス流路、１２・・・ガ
ス導入部、１３・・・ガス排気部、１４・・・ヒータ、
１５・・・シャッター、１６・・・均熱管、２０・・・
基板搬入出部、２１・・・非酸化性ガス導入部、２２・
・・ガス排気部、２３・・・エレベータ機構、２４・・
・石英ボート、２５・・・加熱手段、３０・・・燃焼
室、３１・・・配管、４０・・・シリコン半導体基板

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】湿式ガスを用いてシリコン層にシリコン酸
   化膜を形成するためのシリコン酸化膜成膜装置であっ
   て、 （イ）シリコン層を有する基板を収納し、該シリコン層
   にシリコン酸化膜を形成するための処理室と、 （ロ）基板を収納した状態における基板搬入出部内を非
   酸化性ガス雰囲気とするための非酸化性ガス導入部、及
   び、基板搬入出部内のガスを排気するためのガス排気部
   が配設され、基板を処理室に搬入出するための基板搬入
   出部と、 （ハ）処理室と基板搬入出部との間に設けられたシャッ
   ター、を備え、 基板搬入出部内の非酸化性ガス雰囲気温度を、処理室か
   ら基板搬入出部内に流入する湿式ガスがシリコン層上で
   結露せず、且つ、シリコン層の表面からシリコン原子が
   脱離しない温度とするための加熱手段が備えられている
   ことを特徴とするシリコン酸化膜成膜装置。
2. 【請求項２】非酸化性ガスは、窒素ガス又はアルゴンガ
   スであることを特徴とする請求項１に記載のシリコン酸
   化膜成膜装置。
3. 【請求項３】加熱手段は、基板搬入出部内の非酸化性ガ
   ス雰囲気温度を１００゜Ｃ以上３００゜Ｃ以下にするた
   めに、基板搬入出部に配設されたヒータから成ることを
   特徴とする請求項１に記載のシリコン酸化膜成膜装置。
4. 【請求項４】湿式ガスを用いてシリコン層にシリコン酸
   化膜を形成するシリコン酸化膜形成方法であって、 （イ）シリコン層を有する基板を収納し、該シリコン層
   にシリコン酸化膜を形成するための処理室と、 （ロ）基板を収納した状態における基板搬入出部内を非
   酸化性ガス雰囲気とするための非酸化性ガス導入部、及
   び、基板搬入出部内のガスを排気するためのガス排気部
   が配設され、基板を処理室に搬入出するための基板搬入
   出部と、 （ハ）処理室と基板搬入出部との間に設けられたシャッ
   ター、を備え、 基板搬入出部内の非酸化性ガス雰囲気温度を、処理室か
   ら基板搬入出部内に流入する湿式ガスがシリコン層上で
   結露せず、且つ、シリコン層の表面からシリコン原子が
   脱離しない温度とするための加熱手段を備えたシリコン
   酸化膜成膜装置を用い、 （Ａ）シャッターを閉じた状態で基板搬入出部に基板を
   収納した後、基板搬入出部内の雰囲気を、処理室から基
   板搬入出部内に流入する湿式ガスがシリコン層上で結露
   せず、且つ、シリコン層の表面からシリコン原子が脱離
   しない温度の非酸化性ガス雰囲気とする工程と、 （Ｂ）処理室内を湿式ガス雰囲気とした状態でシャッタ
   ーを開き、基板搬入出部から処理室に基板を搬入する工
   程と、 （Ｃ）処理室内で、湿式ガスを用いてシリコン層にシリ
   コン酸化膜を形成する工程、から成ることを特徴とする
   シリコン酸化膜形成方法。
5. 【請求項５】非酸化性ガスは、窒素ガス又はアルゴンガ
   スであることを特徴とする請求項４に記載のシリコン酸
   化膜形成方法。
6. 【請求項６】工程（Ｃ）の後、形成されたシリコン酸化
   膜に熱処理を施すことを特徴とする請求項４に記載のシ
   リコン酸化膜形成方法。
7. 【請求項７】熱処理の雰囲気は、ハロゲン元素を含有す
   る不活性ガス雰囲気であることを特徴とする請求項６に
   記載のシリコン酸化膜形成方法。
8. 【請求項８】ハロゲン元素は塩素であることを特徴とす
   る請求項７に記載のシリコン酸化膜形成方法。
9. 【請求項９】塩素は塩酸の形態であり、不活性ガス中に
   含有される塩酸の濃度は０．０２乃至１０容量％である
   ことを特徴とする請求項８に記載のシリコン酸化膜形成
   方法。
10. 【請求項１０】熱処理は７００乃至９５０゜Ｃの温度で
    行われることを特徴とする請求項４に記載のシリコン酸
    化膜形成方法。
11. 【請求項１１】熱処理は炉アニール処理であることを特
    徴とする請求項１０に記載のシリコン酸化膜形成方法。