JPH04243133A

JPH04243133A - 絶縁膜形成方法

Info

Publication number: JPH04243133A
Application number: JP352791A
Authority: JP
Inventors: Hisashi Fukuda; 永福田
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 1991-01-17
Filing date: 1991-01-17
Publication date: 1992-08-31

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】

【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（Ｍｅｔａｌ　　Ｏｘｉｄｅ　　Ｓ
ｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）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．
０μｍ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：「ＭＯＳＬ
ＳＩ製造技術、徳山　　　　巍、橋本哲一編著、日経Ｂ
Ｐ社、Ｐ．８３〜１０９（１９８９）」に示されるよう
に次のようにして行なわれる。

【０００４】この文献に開示されている方法では、まず
、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、或は酸素及び水素の混
合ガス、或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、酸化膜を休み無く連続成長
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
御を行なうためには、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、或は窒素で酸素を希釈して酸化速度を下
げて行なう方法（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
を行なっても、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の結合状
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（Ｄｉｔ）
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ＭＯ
Ｓ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、一般に、形成された酸化膜にストレ
スを印加すると、酸化膜中の未結合手や弱い結合を含む
Ｓｉ−Ｓｉ結合、Ｏ−Ｏ結合の結合が切れ、絶縁膜であ
るＳｉＯ２（二酸化珪素）内に正孔トラップが発生する
ため、Ｃ−Ｖ曲線が負の電圧方向に大きく移動する。ま
た、シリコン酸化膜界面には、ストレスにより新たに界
面準位（Ｄｉｔ）が発生する。そこで、従来の酸化膜形
成方法を用いて、ＭＯＳキャパシタを作製し、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Ｓ
ｉ−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、ＭＯＳキャパシタの電気的特性が悪
くなるという問題がある。

【０００９】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。

【００１０】

【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、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エピタキシャル膜を形成
する工程と、前記エピタキシャル膜形成工程に連続して
、該エピタキシャル膜上に、絶縁膜形成用ガス雰囲気中
で加熱処理を行って絶縁膜を形成する工程とを含むこと
を特徴とする。

【００１１】この発明の実施に当り、好ましくは、エピ
タキシャル膜の構成原子を、炭化シリコン（ＳｉＣ）と
するのが良い。

【００１２】さらに、この発明の実施に当り、好ましく
は、エピタキシャル膜形成用ガスをＣｍＨｎ（ｍ，ｎ≧
１）からなる炭化水素系ガスとするのが良い。

【００１３】また、この発明の実施に当り、好ましくは
、絶縁膜形成ガスを酸化ガスとし、前記絶縁膜を酸化膜
とするのが良い。

【００１４】また、この発明の実施に当り、エピタキシ
ャル膜形成のための加熱処理で加熱温度を少なくとも１
０００℃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】また、この発明の実施に当り、エピタキシ
ャル膜を、下地に対しバンドギャップが僅かに大きく、
原子レベルで見た界面が平坦で、しかも、不純物濃度が
急激に変化している単結晶膜として、形成するのが良い
。

【００１８】また、この発明の実施に当り、好ましくは
、酸化膜をシリコン酸化膜とするのが良い。

【００１９】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。

【００２０】

【作用】上述したこの発明の絶縁膜形成方法によれば、
シリコンの下地上にエピタキシャル膜を成膜し、続いて
、このエピタキシャル膜上に絶縁膜を成膜している。従って、このエピタキシャル絶縁膜中の原子がシリコン
原子と安定に結合し、絶縁膜中の原子がエピタキシャル
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、絶縁膜は膜欠陥の無い高品質の
膜となる。

【００２１】エピタキシャル膜が下地のシリコンと絶縁
膜との間に介在することとなるので、絶縁膜は下地に対
し、僅かながらもエネルギーギャップを生じ、このエネ
ルギーギャップによってホットエレクトロンが下地側に
侵入しないように抑制できる。従って、トランジスタの
特性が劣化する恐れがない。

【００２２】

【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。

【００２３】尚、図面は発明が理解出来る程度に、各構
成成分の寸法、形状及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、特定の材料及び特
定の数値的条件を挙げて説明するが、これら材料及び条
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。

【００２４】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（主として反応炉及
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。

【００２５】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。

【００２６】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
空排気を行なうための排気手段１２と、ガス供給部１４
と、加熱処理を行なうための加熱部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。

【００２７】図２にも示すようにこの実施例では、反応
炉（チャンバー）１０を例えば本体１０ａ、蓋部材１０
ｂ及び昇降部材１０ｃから構成する。本体１０ａ及び昇
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及び後述の支持体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。

【００２８】本体１０ａ及び昇降部材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２
０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内へ入れ或は反応炉１０外
へ取り出せるようにする。図示例では昇降部材１０ｃ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。

【００２９】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及び昇降部材
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
な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。

【００３０】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。

【００３１】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
以って構成する。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な
えるように配置する。

【００３２】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
過する材料を以って構成し、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。

【００３３】加熱部１６の構成及び配設位置は後述する
加熱処理を行なえる任意好適な構成及び配設位置として
良く、例えば加熱部１６をヒーターを以って構成し、こ
のヒーターを反応炉１０内に設けるようにしても良い。

【００３４】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及び本体１
０ａ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１６
ｂ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。

【００３５】尚、図２において符号２８は反応炉１０及
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及び排気手段１２の間に設けた排気管を示す
。

【００３６】次に図３を参照してこの実施例の真空排気
系及びガス供給系につき説明する。尚、真空排気系及び
ガス供給系を以下に述べる例に限定するものではない。

【００３７】ま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
とを以って構成する。排気手段１２を例えば図示のよう
に配設した排気管３０及びバルブを介して反応炉１０と
連通させて接続する。

【００３８】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（或は圧力ゲージ）であり、
真空計３２ａ及び３２ｄを例えば１〜１０−３（１０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及び３２ｃを例えば１０−３（１０のマイナス
３乗）〜１０−１０（１０のマイナス１０乗）Ｔｏｒｒ
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及び反応炉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１０
内に低真空排気状態及び高真空排気状態を形成する。

【００３９】さらに３８は圧力調整用のニードルバルブ
及び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
。

【００４０】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、酸化性ガス源１４ｃ及びパージ用ガス源例
えば不活性ガス源１４ｄを以って構成する。ガス供給部
１４を例えば図示のように配設した供給管２８及びバル
ブを介して反応炉１０と連通させて接続する。

【００４１】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。

【００４２】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。

【００４３】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。図の横軸は時間及び
縦軸は温度をプロットして示してある。

【００４４】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。

【００４５】又、以下の説明では図２および図３を適宜
参照されたい。

【００４６】この発明では、反応炉内にシリコンの下地
を設置した後、下地の清浄化を行なってから、絶縁膜の
成膜処理を行なう。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。

【００４７】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な
われている如く、化学薬品、純水等を用いて基板１８の
前洗浄を行なう。

【００４８】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
。

【００４９】この予備処理後、基板表面の清浄化処理を
行なう。この清浄化処理は、還元性ガス雰囲気中で、加
熱処理を行なって基板１８を反応炉１０内で清浄化する
。

【００５０】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、まずバルブ４４、４８ｂ、４６ｄ
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。

【００５１】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
の真空排気を行なうためバルブ３８、３６ａ、３６ｅ、
３６ｆ、３４を閉じておいてバルブ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でモニター（監視）しながら真空排
気を行なう。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、３６
ｂを開き、真空計３２ｂで反応炉１０内の圧力をモニタ
ーしながら１×１０−６（１０のマイナス６乗）Ｔｏｒ
ｒまで反応炉１０内を真空排気する。

【００５２】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、次に行な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。

【００５３】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
とによって行なえる。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）Ｔｏｒ
ｒの低真空の減圧状態に維持する。

【００５４】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なう
（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なう。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なう。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及び反応炉１０内が汚
染される度合を低減出来る。

【００５５】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１００
０℃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。

【００５６】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
なえる。

【００５７】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、次に行な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。

【００５８】次に加熱部１６によって加熱処理を行なう
。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自体及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なう。反応炉１０内を減圧
状態に維持しながら加熱処理を行なうので、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及び
反応炉１０内が汚染される度合を低減できる。

【００５９】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及び不純物との反応性を
向上できる。

【００６０】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のエッチングを行なえばよ
い。

【００６１】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。

【００６２】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
。 ■［エピタキシャル膜の成膜］次に酸化ガス雰囲気中で
加熱処理を行なって基板１８に炭化シリコン（ＳｉＣ）
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を開き原料ガスと
して炭化水素系ガス例えばエチレン（Ｃ２Ｈ４）ガスを
反応炉１０内に供給する（図１のＣ２Ｈ４フロー）。こ
のときＳｉＣ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。

【００６３】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ＳｉＣ単結晶膜５１を形
成する（図４の（Ｃ））。

【００６４】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１０秒間、約１００
０℃に保持するように行なう。この場合、上昇温度を一
定の割合で行なうのが好適であるが、それはエピタキシ
ャル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
のは膜厚の制御性及びまたは品質の良い膜を形成するた
めである。又、加熱温度Ｔ１を約１０００℃としたのは
、Ｃ２Ｈ４ガスに含まれる炭素（Ｃ）が基板１８に容易
に拡散し、結晶性のＳｉＣ膜が形成できる温度であるか
らである。また約１０秒間程度としたのは膜厚の制御性
及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、良質の酸
化膜を形成できる。尚、エピタキシャル膜の膜厚制御は
例えば、温度、時間及び原料ガスの流量を調整すること
によって行なえる。

【００６５】所望の膜厚のエピタキシャル膜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、３
６ａ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）Ｔｏｒ
ｒの高真空に排気する。

【００６６】このようにして、形成すべきエピタキシャ
ル層は、下地のＳｉ層に対して少なくとも０．３ｅＶ以
上、最大でも１．０ｅＶ以下のバンドギャップがあれば
、ホットエレクトロンのＳｉ層への侵入を抑えることが
できる。また、エピタキシャル層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、１×１０１６（１０のプラス１
６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、エピタキシャル膜５１上に絶
縁膜として酸化膜を成膜する。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））。

【００６７】このＳｉＯ２膜５３は、前述したエピタキ
シャル膜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。

【００６８】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１０
０〜１０−２（１０のマイナス２乗）Ｔｏｒｒの低真空
の減圧状態に維持する。

【００６９】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。

【００７０】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℃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いを一定にして
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。

【００７１】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。

【００７２】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。

【００７３】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。

【００７４】図５は、このようにして形成したＳｉＯ２
の酸化膜とＳｉの下地との界面構造を摸式的に示す図で
ある。この図５からも理解できるように、下地基板のＳ
ｉ層上にエピタキシャル成長させたＳｉＣ層が形成され
ており、その上側にＳｉＯ２層が形成されている。この
ような界面層構造であると、Ｓｉ層とＳｉＣ層との間で
はＳｉ−Ｓｉ結合やＳｉ−Ｃ結合といった原子の安定し
た結合状態が発生しており、またＳｉＣ層とＳｉＯ２層
とはＳｉ−Ｃ結合やＳｉ−Ｏ結合といった原子の安定し
た結合状態が発生している。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。

【００７５】また、このようにして形成したＳｉＯ２の
酸化膜をＭＯＳ型電界効果トランジスタのゲート酸化膜
として使用した場合、ＳｉＯ２／Ｓｉ界面に、数１０オ
ングストロームの厚みのＳｉＣ層があるため、基板のＳ
ｉに対し、僅かにバンドギャップの大きいエネルギー帯
が存在する。図６の（Ａ）および（Ｂ）は、ＳｉＯ２／
Ｓｉ界面でのバンド図であり、（Ａ）は従来におけるＳ
ｉの下地上に直接ＳｉＯ２膜を形成した場合を示し、（
Ｂ）はこの発明のように、ＳｉＯ２とＳｉとの間にＳｉ
Ｃエピタキシャル層を介在させた場合を示す。図６の（
Ａ）からも理解できるように、従来のＳｉＯ２／Ｓｉ界
面では、チャネル領域で発生したホットエレクトロンは
、ＳｉとＳｉＯ２との間にバンドギャップ差がないので
、容易にＳｉ層に侵入してしまっていた。しかし、図６
の（Ｂ）からも理解できるように、この発明であると、
ＳｉＣ層が介在しているため、チャネル領域で発生した
ホットエレクトロンは、ＳｉとＳｉＣのバンドギャップ
差で生じた障壁により容易にＳｉＯ２層に侵入すること
ができなくなる。そのため従来のＭＯＳ型トランジスタ
でみられた閾値電圧の変動や伝達コンダクタンスの低下
が起きにくくなり、極めて信頼性の高いＭＯＳ型トラン
ジスタが得られるのである。

【００７６】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。

【００７７】上述した実施例では、炭化水素系ガスとし
てエチレンガスを用いたが、その代わりにアセチレンガ
スまたはプロパンガスを用いてＳｉＣ層を形成してもよ
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。

【００７８】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。

【００７９】上述の実施例では、各加熱処理を赤外線ラ
ンプにより行なっているが、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なっても良い
。

【００８０】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。

【００８１】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な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。

【００８２】

【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正常化した後、単
結晶膜形成用の原料ガスを導入し、加熱処理を行い、予
め薄いＳｉＣエピタキシャル層を形成する。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、基板に絶縁膜例えば酸化膜を形成する。従っ
て、形成された絶縁膜中では、不安定な結合をしていた
原子がこの金属元素の原子と結合して安定な結合状態に
変わり、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。

【００８３】また、この発明の形成方法によれば、下地
のＳｉ層と絶縁膜との間に、エピタキシャル層を介在さ
せるので、Ｓｉ層に対し絶縁膜は僅かなエネルギーギャ
ップが存在することとなるので、ホットエレクトロンの
Ｓｉ層への侵入を抑えることができる。このため、ＭＯ
Ｓ型トランジスタにこの発明を適用した場合、閾値電圧
の変動や伝達コンダクタンスの低下の恐れのない、信頼
性の高いトランジスタを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、この発明の絶縁膜形成方法の一実施例
の説明に供する図である。

【図２】図２は、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】図３は、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】図４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る。

【図５】図５は、この発明の絶縁膜形成方法に従って得
られたＳｉＯ２／Ｓｉ界面構造を模式的に示す図である
。

【図６】図６の（Ａ）および（Ｂ）は、従来およびこの
発明の説明に供する、エネルギーバンド図である。

【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：酸化ガス源１４ｄ：不活性ガス源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：ＳｉＣ単
結晶膜５３：ＳｉＯ２膜５５：絶縁膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　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エピタキシャル膜を形成する工
程と、前記エピタキシャル膜形成工程に連続して、該エ
ピタキシャル膜上に、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記載の絶縁膜形成方法におい
て、前記エピタキシャル膜の構成原子を、炭化シリコン
（ＳｉＣ）とす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、前記エピタキシャル膜形成用ガスをＣｍＨｎ（ｍ，
ｎ≧１）からなる炭化水素系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、前記絶縁膜形成ガスを酸化ガスとし、前記絶縁膜を
酸化膜とする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、エピタキシャル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６】　　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７】　　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。
【請求項８】　　請求項１に記載のエピタキシャル膜を
、下地に対しバンドギャップが僅かに大きく、原子レベ
ルで見た界面が平坦で、しかも、不純物濃度が急激に変
化している単結晶膜として、形成することを特徴とする
絶縁膜形成方法。