專利名稱：硅的游離基氧化方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及硅晶片上集成電路的制造，特別是涉及利用硅的氧化反應(yīng)形成低溫、高質(zhì)量的二氧化硅層。
目前還沒有一種低溫硅氧化的有效制造方法。公知的低溫硅氧化方法有例如等離子氧化，由K.Watanabe等人在Controlling the concentration and position ofnitrogen in ultrathin oxynitride films formed by usmg oxygen and nitrogen radicals，Appl.Phys.Lett.76，2940(2000)中所描述；或者使用放射狀的槽孔天線的氧化方法，由Y.Saito等人在Advantage of Radical Oxidation for Improving Reliability ofUltra-Thin Gate Oxide，2000 Symposium on VLSI Technology，T18-2，(2000)中作了描述；和由M.Hirayama等人在Low temperature Growth of High-Integrity SiliconOxide Films by Oxygen Radical Generated in High Density Krypton Plasma，IEDMTech.Dig.p249，(1999)中所描述。這些方法除了產(chǎn)生游離基之外還產(chǎn)生大量的離子，這些離子能夠破壞硅表面，同時降低氧化物層的質(zhì)量。
V.Nayar等人在Atmospheric Pressure，Low Temperature(＜500℃)UV/OzoneOxidation of Silicon，Electronics Letters，26，205(1990)中描述了一種技術(shù)，其中將紫外線(UV)與臭氧結(jié)合以產(chǎn)生氧游離基，然而，在其所用裝置中所采用的常壓使O(1D)因碰撞所致減活而成O(3P)狀態(tài)。由于缺乏O(1D)，嚴(yán)重影響所得結(jié)果。盡管如此，其中卻報(bào)道氧化速率得到提高和氧化物良好地符合化學(xué)計(jì)量。
其他的技術(shù)在R.J.Wilson等人的Speed-Dependent Anisotropy Parameters inthe UV Photodissociation ofOzone，J.Chem.A，101，7593-7599(1997)；和K.Takahashi等人的Wavelength and temperature dependence of the absolute O(1D)production yield from the 305-329 nm photodissociation of ozone，J.Chem.Phys.108，7161(1998)中有所描述。
在低得很多溫度下進(jìn)行氧化反應(yīng)而又不犧牲基底質(zhì)量的能力，將給半導(dǎo)體工業(yè)帶來巨大的利益。在(100)硅(正方平面取向)上的氧化速率實(shí)際上與(111)硅(三角平面取向)相同，因此這種氧化技術(shù)能直接滿足用于淺溝槽隔離的適形氧化的需求。
一種硅的游離基氧化方法，其中硅取半導(dǎo)體純硅晶片形式，該方法包括將硅晶片置于加熱卡盤中，其中加熱卡盤將硅晶片的溫度保持在大約400℃至500℃之間，并將加熱卡盤置于真空室中，該真空室的壓力保持在大約1mTorr至2000mTorr之間；將氧化性氣體引入一個氧氣離解機(jī)構(gòu)中；將氧化性氣體離解成含O(1D)態(tài)氧氣的離解產(chǎn)物；使O(1D)態(tài)氧在加熱的硅晶片上方通過；將硅晶片在真空室中大約保持1分鐘至60分鐘，在晶片上形成一層二氧化硅。
本發(fā)明的一個目的是提供一種在相對較低的溫度下快速氧化硅基底而形成二氧化硅層的方法。
本發(fā)明的另一目的是提供一種用于進(jìn)行本發(fā)明方法的裝置。
本發(fā)明進(jìn)一步的目的是將硅晶片氧化而不導(dǎo)致不希望有的元素的擴(kuò)散到硅基底中。
上述本發(fā)明的概述和目的確?？焖倮斫獗景l(fā)明的實(shí)質(zhì)。通過參考下面本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案的詳述并結(jié)合附圖可以更徹底地理解本發(fā)明。
附圖簡述

圖1描述了進(jìn)行游離基氧的硅氧化裝置。
圖2描述了本發(fā)明裝置的一種替換實(shí)施方案。
圖3描述了使用UV激光進(jìn)行游離基氧化的本發(fā)明裝置的一種替換的實(shí)施方案。
優(yōu)選實(shí)施方案詳述本發(fā)明方法包括產(chǎn)生大量游離基氧原子，特別是O(1D)亞穩(wěn)態(tài)氧原子。公知的通過O3、N2O的光離解作用能夠產(chǎn)生這種氧原子。用波長小于311nm的紫外光照射臭氧也產(chǎn)生O(1D)。同樣，用波長小于195nm的紫外光照射N2O也產(chǎn)生O(1D)。由于這種O(1D)態(tài)具有高于基態(tài)-O(3P)的能量這個事實(shí)，將能更快地形成氧化硅，而且比基態(tài)的氧具有更高的效率。
通過與其他分子碰撞或者與雜質(zhì)反應(yīng)，可以使亞穩(wěn)態(tài)O(1D)容易地減活。因此，重要的是，在到達(dá)待氧化的硅表面之前，這種狀態(tài)的氧不能被消穩(wěn)。這就需要在低壓真空室環(huán)境中進(jìn)行氧化過程，優(yōu)選在襯有石英的裝置中進(jìn)行。
圖1中，由10總括表示的第一個優(yōu)選實(shí)施方案的裝置中包括真空室12，其中有加熱卡盤14。將硅晶片16放置在卡盤14中，在氧化過程中它位于此位置。氧化氣體源18提供一種例如O2、O3、NO或N2O的可以被離解而形成O(1D)態(tài)氧的氣體。在這個實(shí)施方案中，氧離解機(jī)構(gòu)20包括產(chǎn)生紫外線的光源，該光源具有高紫外光密度，例如水銀蒸汽燈或激基締合物燈。泵22提供了一個用于從真空室12中傳送已離解氧化氣體通過和排出已離解氧化氣體的裝置。氣源18將上述任何一種氧化氣體通過石英管24引入真空室12中，該石英管的直徑約1英尺。該管經(jīng)過由光源20照射的區(qū)域。包含O(1D)的光解離產(chǎn)物流過夾持在卡盤中的熱硅晶片的表面。氧化的溫度約低如400℃至500℃之間，然而，氧化速率與1000℃下進(jìn)行的O2熱氧化速率相同。腔室12中的壓力約保持在1mTorr至2000mTorr之間，氧化過程約需時1分鐘至60分鐘。
沿此思路進(jìn)行的其他研究已經(jīng)能產(chǎn)生伴有許多其他激發(fā)態(tài)分子和離子化分子的O(1D)。最相關(guān)的情況是Saito等人在supra中所述者，其中描述了Kr和O2的混合物在等離子體中放電，導(dǎo)致激發(fā)態(tài)Kr*經(jīng)歷共振能量傳遞而形成可離解成O(1D)的O2*。O(1D)連同其他激發(fā)態(tài)分子和離子化分子一起與硅表面反應(yīng)而形成氧化物。
實(shí)施本發(fā)明方法的另一種結(jié)構(gòu)(第二個優(yōu)選實(shí)施方案)在圖2中由30總括表示。裝置30包括真空室32，加熱卡盤34，硅晶片36，第一氧化氣體源38，用于輸送氧化氣體的石英傳送管40，第二等離子氣體源42，以及感應(yīng)耦合等離子發(fā)生器44，它由諸如He或Ar之類能發(fā)射強(qiáng)UV輻照的氣體產(chǎn)生等離子。第一個泵46從真空室32中抽出氧化氣體，同時第二個泵48從感應(yīng)耦合式等離子發(fā)生器44中抽出等離子氣體。就He而言，典型的操作條件是，壓力約30mTorr至70mTorr之間，流速約10sccm，使用功耗約200瓦至700瓦之間、頻率為13.56MHz的RF發(fā)生器。將氧化性氣體從等離子氣體中分離出來，同時它不會產(chǎn)生自我放電，因?yàn)閴毫Υ蟠蟾哂谒プ儣l件所需的壓力。等離子氣體和氧化氣體之間的光耦合能確保O(1D)的形成。腔室32中的壓力保持在大約1mTorr至2000mTorr之間，氧化反應(yīng)過程約需時1分鐘至60分鐘。
裝置50是本發(fā)明的第三個優(yōu)選實(shí)施方案，圖3中對此作了描述。裝置50包括真空室52，加熱卡盤54，硅晶片56，氧化氣體源58和石英輸送管60。激光器62產(chǎn)生激光束64，通過鏡子66將其偏折到管60中，并通過鏡子68反射回管60中。泵70將離解的氧化氣體從腔室52中抽出。激光束64用于將氧化氣體離解成包含O(1D)態(tài)氧的離解產(chǎn)物。激光器可以是脈沖式激光器或連續(xù)波(CW)式激光器，只要輸出的波長短得足以進(jìn)行所需的光離解作用即可。舉例來說，ArF脈沖式激基締合物激光器產(chǎn)生波長約193nm的紫外線光輸出，即足以將N2O分子解離成O(1D)。調(diào)節(jié)到406.7nm的例如氪離子激光的CW激光器能夠光離解O3而形成O(1D)。氣流長度和激光路徑的長度應(yīng)當(dāng)隨同氣流速率一起優(yōu)化選擇，以達(dá)到最大的氧化效率。真空室52中的壓力保持在大約1mTorr至2000mTorr之間，氧化過程需時約1分鐘至60分鐘。
至此，已對硅游離基氧化方法和裝置作了公開。在所附權(quán)利要求書界定的本發(fā)明范圍內(nèi)，對本發(fā)明可能進(jìn)行的另外各種變更和變換，定當(dāng)為人們理解。
權(quán)利要求
1.一種對所容納硅晶片進(jìn)行游離基氧化用的裝置，包括具有加熱卡盤的真空室，該卡盤用于夾持硅晶片，同時將硅晶片的溫度保持在大約400℃至500℃之間，；用于提供含氧氣體以在真空室中氧化硅晶片的氧化氣體源；用于將含氧氣體離解成包含O(1D)態(tài)氧的離解產(chǎn)物的氧離解機(jī)構(gòu)；用于輸送離解產(chǎn)物通過真空室的機(jī)構(gòu)。
2.權(quán)利要求1所述的裝置，其中的含氧氣體是選自O(shè)2、O3、NO或N2O組成的一組含氧氣體。
3.權(quán)利要求1所述的裝置，其中的氧離解機(jī)構(gòu)包括紫外線光源，該光源中包括水銀蒸汽燈。
4.權(quán)利要求1所述的裝置，其中氧離解機(jī)構(gòu)包括紫外線光源，該光源中包括激基締合物燈。
5.權(quán)利要求1所述的裝置，其中氧離解機(jī)構(gòu)包括紫外線光源，該光源中包括感應(yīng)耦合式等離子發(fā)生器。
6.權(quán)利要求5所述的裝置，其中感應(yīng)耦合式等離子發(fā)生器包括等離子氣體源，包括提供選自氦和氬的產(chǎn)生紫外線的等離子氣體氣體源，和在大約13.56MHz的頻率和大約200瓦至700瓦的功率下工作的RF發(fā)生器，其中的感應(yīng)耦合式等離子發(fā)生器在大約30mTorr至70mTorr之間的內(nèi)壓下工作。
7.權(quán)利要求1所述的裝置，其中的氧離解機(jī)構(gòu)包括紫外線光源，該光源中包括激光束發(fā)生器。
8.權(quán)利要求7所述的裝置，其中的激光束發(fā)生器是產(chǎn)生具有大約193nm波長光柵的脈沖式ArF激基締合物激光器。
9.權(quán)利要求7所述的裝置，其中的激光束發(fā)生器是產(chǎn)生具有大約406.7nm波長光柵的連續(xù)波Kr激光器。
10.一種硅的游離基氧化方法，其中硅取半導(dǎo)體純硅晶片形式，該方法包括將硅晶片放置在加熱卡盤中，其中加熱卡盤將硅晶片的溫度保持在大約400℃至500℃之間，其中的加熱卡盤放置在真空室中，該真空室的壓力保持在大約1mTorr至2000mTorr之間；將氧化氣體引入氧離解機(jī)構(gòu)中；將氧化氣體離解成包含O(1D)態(tài)氧的離解產(chǎn)物；將O(1D)態(tài)氧通過整個加熱的硅晶片表面；和將真空室中的硅晶片保持大約1分鐘至60分鐘以在晶片上形成一層二氧化硅。
11.權(quán)利要求10所述的方法，其中所述的引入步驟包括引入選自O(shè)2、O3、NO或N2O中的一種氧化性氣體。
12.權(quán)利要求10所述的方法，其中所述的將氧化氣體離解成離解產(chǎn)物的步驟包括將氧化氣體暴露在波長在大約195nm至311nm之間的紫外線輻照中，其中的紫外線輻照是由紫外線光源產(chǎn)生。
13.權(quán)利要求12所述的方法，其中所述的將氧化氣體離解成離解產(chǎn)物的步驟包括用水銀蒸汽燈產(chǎn)生紫外線光源。
14.權(quán)利要求12所述的方法，其中所述的將氧化氣體離解成離解產(chǎn)物的步驟包括用激基締合物燈產(chǎn)生紫外線光源。
15.權(quán)利要求12所述的方法，其中所述的將氧化氣體離解成離解產(chǎn)物的步驟包括用感應(yīng)耦合式等離子發(fā)生器產(chǎn)生紫外線光源。
16.權(quán)利要求15所述的方法，其中所述的離解步驟包括提供一種包含等離子氣體源的感應(yīng)耦合式等離子發(fā)生器，它包含提供選自氦和氬的產(chǎn)生紫外線的等離子氣體氣體源，和在大約13.56MHz的頻率和大約200瓦至700瓦的功率下工作的RF發(fā)生器，其中的感應(yīng)耦合式等離子發(fā)生器在大約30mTorr至70mTorr之間的內(nèi)壓下工作。
17.權(quán)利要求12所述的方法，其中所述將氧化氣體離解成離解產(chǎn)物的步驟包括用激光束發(fā)生器產(chǎn)生紫外線光源。
18.權(quán)利要求17所述的方法，其中所述將氧化氣體離解成離解產(chǎn)物的步驟包括用包含產(chǎn)生具有大約193nm波長光柵的脈沖ArF激基締合物激光器的激光束發(fā)生器產(chǎn)生紫外線光源。
19.權(quán)利要求17所述的方法，其中所述的將氧化氣體離解成離解產(chǎn)物的步驟包括用包含產(chǎn)生具有大約406.7nm波長光柵的連續(xù)波氪激光器的激光束發(fā)生器產(chǎn)生紫外線光源。
全文摘要
一種對所容納硅晶片進(jìn)行游離基氧化用的裝置包括設(shè)有加熱卡盤的真空室，該卡盤用于夾持硅晶片同時將硅晶片的溫度保持在大約400℃至500℃之間；用于提供含氧氣體以在真空室中氧化硅晶片的氧化氣體源；用于將含氧氣體離解成包含O(1D)態(tài)氧的離解產(chǎn)物的氧離解機(jī)構(gòu)；和用于輸送離解產(chǎn)物通過真空室的機(jī)構(gòu)。一種硅的游離基氧化方法，其中硅取半導(dǎo)體純硅晶片形式，包括將硅晶片放置在加熱卡盤中，其中加熱卡盤將硅晶片的溫度保持在大約400℃至500℃之間，而且加熱卡盤放置在真空室中，該真空室的壓力保持在大約1mTorr至2000mTorr之間；將氧化氣體引入到氧離解機(jī)構(gòu)中；將氧化性氣體離解成包含O(1D)態(tài)氧的離解產(chǎn)物；將O(1D)態(tài)氧通過整個加熱的硅晶片表面；和將真空室中的硅晶片保持大約1分鐘至60分鐘，以在晶片上形成一層二氧化硅。
文檔編號H01L21/316GK1419272SQ0215585
公開日2003年5月21日 申請日期2002年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月30日
發(fā)明者大野芳睦 申請人:夏普公司