專利名稱：在低溫下氧化硅片的方法和用于該方法的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在硅上制作集成電路，特別涉及用于在硅片上提供低溫、高質(zhì)量二氧化硅層的方法和裝置。
硅的熱氧化具有不同的氧化率，這取決于硅的結(jié)晶取向。在900℃的干燥O2氣氛下，1小時內(nèi)在硅(111)上生長30nm的硅氧化層，而在相同溫度下相同時間內(nèi)，在硅(100)上只生長大約21nm。在900℃下濕式氧化1小時，硅(111)上的厚度大約是215nm，但是在硅(100)上只有150nm。這種差別對于淺槽隔離的氧化作用是重要的。
同樣已知高溫氧化會在硅界面引起層積缺陷，并且需要廣泛的退火步驟來將這種缺陷對裝置性能的影響最小化。這就會增加柵氧化物形成工藝的時間和成本。
目前還不存在用于生產(chǎn)目的的、在低溫下氧化硅的可接受方法。已知存在一些在低溫下氧化硅的方法，例如等離子體氧化或者用放射縫線天線(radial slot line antenna)的氧化(見例如Hirayama et al.，Low TemperatureGrowth of High-Integrity Silicon Oxide Films by Oxygen Radical Generated inHigh-Density Krypton Plasma，IEDM Tech.Dig.p249，(1999)(以下稱為文獻1)；和Saito et al.，Advantage of Radical Oxidation for Improving Reliability ofUltra-Thin Gate Oxide，2000 Symposium on VLSI Technology，T18-2，(2000)(以下稱為文獻2))。文獻1描述了在大約400℃，通過低離子轟擊和高等離子體密度在硅上生長的氧化物。文獻2描述了用放射縫線天線的等離子體氧化作用的氧化物形成。但是，這些方法產(chǎn)生了大量離子以及能夠破壞硅表面和劣化氧化物質(zhì)量的自由基。
已經(jīng)報道了使用臭氧、或者臭氧和紫外光的氧化作用(見例如Ishikawaet al.，Low Temperature Thermal Oxidation of Silicon in N2O by UVirradiation，Jpn.J.of Appl.Phys.，28，L1453(1989)(以下稱為文獻3)；和Nayeret al.，Atmospheric Pressure，Low Temperature(＜500℃)UV/Ozone Oxidation ofSilicon，Electronics Letters，26，205(1990)(以下稱為文獻4)，但是發(fā)現(xiàn)所得到的膜在厚度上是受自身限制的。文獻3公開了在200℃-500℃的溫度下使用紫外光的N2O的光離解作用。文獻4公開了在低于500℃的溫度下，通過紫外光對O3的光離解作用，在硅基材上形成大約40埃厚度的超薄氧化物層。
可以用紫外光來光離解臭氧，以產(chǎn)生氧自由基，但是該系統(tǒng)中所使用的大氣壓卻使氧自由基碰撞重組成臭氧。由于缺少反應性的氧自由基，嚴重地阻礙了結(jié)果。但是，得到了優(yōu)于現(xiàn)有方法的、增高的氧化率和良好化學計量的氧化物。在以上確定的方法中，通過氙準分子激光器來光離解O2，N2O，或者NO，以生產(chǎn)氧自由基O(1D)，或者O-離子。
在本發(fā)明方法的一個實施方案中，所述方法還包括將真空室的壓力保持在約40毫托-90毫托。
在本發(fā)明方法的另一個實施方案中，所述的將氧化氣體引入真空室還包括提供約為2sccm-50sccm的氣體流動速率。
在本發(fā)明方法的另一個實施方案中，所述方法包括在形成所述的氧化層以后，在惰性氣氛中、在約600℃-750℃的溫度下退火所述的硅片和氧化層約1-10分鐘。
在本發(fā)明方法的另一個實施方案中，所述方法包括在所述的氧化層形成過程中，將約5-10伏特的負電勢施用于所述的硅片。
在本發(fā)明方法的另一個實施方案中，所述的準分子激光器是氙準分子激光器而且所述光的波長是172nm。
在本發(fā)明方法的另一個實施方案中，所述光的波長選自126nm，146nm，172nm，222nm，和308nm。
在本發(fā)明方法的另一個實施方案中，生成反應性氧種的步驟包括將氧化氣體離解成氧自由基；和從硅片射出光電子，導致光電子與氧化氣體反應以生成氧離子。
本發(fā)明的另一個方面提供了一種用于硅片低溫氧化的裝置，其包含用于放置硅片的真空室；用于將氧化氣體引入真空室的歧管(manifold)，該氧化氣體是選自O2和O3的氧化氣體；和位于真空室內(nèi)硅片上的準分子激光器，該激光器照射所述的氧化氣體和硅片，該準分子激光器發(fā)出光。
在本發(fā)明的另一個實施方案中，所述的歧管以約2sccm-50sccm的氣體流動速率引入所述的氧化氣體。
在本發(fā)明的另一個實施方案中，所述的準分子激光器是氙準分子激光器并且所述光的波長是172nm。
在本發(fā)明的另一個實施方案中，所述的裝置還包含將約5-10伏特的電勢施用于所述硅片的電壓電源。
在本發(fā)明的另一個實施方案中，所述光的波長選自126nm，146nm，172nm，222nm，和308nm。
在此提供本發(fā)明的目的和概述的目的，是為了能夠快速理解本發(fā)明的本質(zhì)。通過參考以下對本發(fā)明的詳細描述以及附圖，可以更透徹地理解本發(fā)明。


圖1顯示了用來實施本發(fā)明方法的裝置10。
圖2一幅流程圖，其顯示了本發(fā)明的硅片低溫氧化的方法。
圖3顯示了以夾盤溫度作為變量的氧化物30的厚度比較。
圖4是一張圖表，其顯示在用于形成氧化層的氣體退火之前，所測的J-V(電流密度-電壓)特性曲線40。
圖5是一張圖表，其顯示在用于形成氧化層的氣體退火之后的C-V(電容-電壓)特性曲線50。
發(fā)明詳述本申請涉及于2002年6月4日提交的、序列號為10/164,924的“硅的低溫氧化方法(method for low temperature oxidation of silicon)”。
現(xiàn)在，將對本發(fā)明的原理進行描述。
本發(fā)明中所使用的技術(shù)是為了在所要被氧化的硅層表面上或者表面附近，產(chǎn)生大量的氧自由基。這些自由基是通過光解O2、O3、或者以任何比率的O2和O3的混合物產(chǎn)生的。本發(fā)明使用的、用于產(chǎn)生氧自由基的光源是氙準分子燈，其有效地發(fā)射約172nm波長或者7.21eV光子能量的光，功率為大約3mW/cm2-20mW/cm2。
在氧氣(O2)中，O-O的鍵能是5.2eV，因此光子能量足以將鍵斷裂，產(chǎn)生一對原子氧自由基。
在臭氧(O3)中，O2-O之間的鍵要弱得多，因此更容易斷裂。從一個臭氧(O3)中生成一個原子氧自由基。如此產(chǎn)生的氧自由基與硅具有很高的反應性。
其間，O2和O3的電離電勢分別是12.06eV和12.3eV，因此光子能量不足以從氣相中的基電子態(tài)物種產(chǎn)生離子。氧原子的電離電勢是13.62eV，因此從原子氧中產(chǎn)生離子是不大可能的。眾所周知，當O2/O3混合物流入一個系統(tǒng)中的時候，臭氧被優(yōu)先吸收到硅表面上，使得可以產(chǎn)生更高濃度或者近似純的O3流。
下面將對從不大可能被離子化的臭氧中產(chǎn)生的氧離子進行描述。硅的逸出功大約是4.9eV，因此，當光子能量為7.2eV的光與硅片碰撞的時候，就會從硅片中射出2.3eV光子能量的電子(光電子)。在硅片表面上，被分解成O2和O-的高濃度臭氧將這些電子(光電子)輕易捕獲。據(jù)報道O-離子(氧離子)與硅具有高度的反應性。
通過硅片夾，將電勢施加在硅片表面，這樣能夠控制光電子的能量。負電勢會升高所需的必要的光子能量，同時負電勢也會增加光電子能量。氧化率的增加可能是由于硅片夾適當?shù)钠靡詫3對O-的離解電子附著橫截面最小化。
晶格中的Si-Si鍵能是大約3.5eV，所以極度真空中的紫外光會將鍵斷裂并在接近氧-硅界面處產(chǎn)生一個薄的非晶體硅層。Si-O的鍵能是8.3eV，如此強度的鍵不會被光所斷裂。如果沒有被再結(jié)晶，該薄的非晶體硅層將阻礙載流子遷移率，這樣會損害裝置的性能。在約600℃-750℃的惰性氣體氣氛中，一個短期如1-10分鐘的退火過程，足以使所述的硅再結(jié)晶并且足以恢復高載流子遷移率。
根據(jù)本發(fā)明，將氙準分子激光器用于O2和O3的光離解，并且在低溫下產(chǎn)生與硅具有高反應性的氧自由基或者O-(反應性氧種)。此外，將負電勢施用于硅片夾以控制氙準分子激光器的光子能量來增加氧化率。
接下來，參照附圖對本發(fā)明進行詳細描述。
在圖1中描述了實施本發(fā)明方法所用的裝置10。裝置10包括真空室12。真空室12具有Teflon頂面12T、陽極化處理的鋁壁12W和底部12B。用來構(gòu)建此真空室的材料可以是陽極化的鋁、不銹鋼、石英、玻璃、陶瓷和其它通常不在硅氧化中技術(shù)中使用的材料。
真空室12具有硅片夾盤18和氙準分子燈14。在真空室12內(nèi)裝備有負載鎖17。將晶片16通過負載鎖17放置在真空室內(nèi)。晶片16被固定在硅片夾盤18中。
可以對晶片16進行圖飾以在其特定區(qū)域提供氧化作用，或者可以氧化整個晶片16，因此，晶片16可以含有硅基材。
氙準分子燈14位于至少被部分氧化的晶片(硅片)16的表面上。另外，氙準分子燈14位于陶瓷圓筒20內(nèi)。氙準分子燈14在約172nm的波長或者7.21eV的能量下發(fā)射光，功率為大約3mW/cm2-20mW/cm2。氙準分子燈可以是相對廉價的、可以商購的產(chǎn)品例如Osram Sylvania生產(chǎn)的XeradexTm燈。
在真空室12中裝備有進氣歧管22和節(jié)流閥和渦輪泵24。將優(yōu)選為O2或O3的氧化氣體通過進氣歧管22，以約2sccm-50sccm的流動速率引入到真空室12中，并通過節(jié)流閥和渦輪泵24從真空室12去除，這樣使真空室的壓力處在約40毫托-90毫托。
氙準分子燈14是產(chǎn)生大流量光子的來源。據(jù)信光子能夠通過以下的作用來引發(fā)硅的氧化作用1)離解氧化氣體以形成O(3P)和O(1D)自由基；和/或2)從硅表面射出光電子，在硅表面上電子與氧化氣體反應以在硅片的附近區(qū)域形成O-離子。
在小于400℃的溫度進行氧化的情況下，雜質(zhì)的擴散是可以忽略的。這允許在如塑料基材的物質(zhì)上的氧化。
圖2是一幅流程圖，其顯示了本發(fā)明硅片的低溫氧化方法。接下來，將使用圖1所示的裝置10，對硅片16的低溫氧化方法中的每一步進行描述。
步驟S201將硅片16放置在真空室12中。用硅片夾盤18固定住硅片16。
步驟S202將硅片16保持在大約室溫-350℃之間?？梢酝ㄟ^能夠加熱的硅片夾盤18來得到此設定溫度。硅片夾盤18能夠產(chǎn)生高達約400℃的溫度。但是，由于硅片夾盤18的結(jié)構(gòu)，晶片16無法達到與夾盤相同的溫度。在400℃的夾盤給定點，溫度偏移可以高達160℃。因此，硅片16可以在氧化過程中被保持在約室溫-400℃，但是實際的最高溫度只有240℃。硅片16的保持溫度優(yōu)選為約室溫-350℃。
步驟S203在氧化過程中，將穩(wěn)定的氧化氣體流引入到真空室12中。氧化氣體選自O2和O3。通過真空室和泵系統(tǒng)之間的節(jié)流閥來控制真空室12中的壓力。真空室12中的壓力范圍為約40毫托-90毫托。氧化氣體的流動速率范圍是約2sccm-50sccm。
步驟S204用來自氙準分子燈14的光(激光)來照射所述的氧化氣體和硅片16。例如，當氧化氣體是O2的情況下，用發(fā)出自氙準分子燈14的光的光子能量將O2離解，產(chǎn)生自由基氧原子O(1D)。隨后，自由基氧原子與硅片16反應以產(chǎn)生氧化區(qū)域(氧化層)。此外，光電子通過發(fā)出自氙準分子燈14的光的光子能量，從硅片16表面發(fā)射出來。該光電子與氧化氣體反應以產(chǎn)生O-離子。此O-離子與硅片16反應以形成氧化區(qū)域(氧化層)。
通過實施S201到S204的步驟，在硅片16上形成氧化層。
在氧化區(qū)域形成以后，還可以在大約600℃-750℃的溫度將硅片16和其上所形成的氧化區(qū)域在惰性氣體氣氛中退火大約1-10分鐘。這樣，可能在硅片16與氧化層的界面產(chǎn)生的非結(jié)晶硅，可以被再結(jié)晶。
又根據(jù)圖1，通過使用電壓電源(未顯示)來將小正電勢施用于硅片16，這減緩了氧化作用。通過實驗，已經(jīng)證實將小負電勢施用于硅片16足以加速氧化。當硅片16從硅片夾盤18被電浮起(絕緣)時，硅片16的正電勢在光電子噴射過程中被累積起來。當硅片16被電著陸到硅片夾盤的時候，產(chǎn)生中和電勢，觀察到氧化過程增加。將負電勢施加到硅片16會同時增加光電子的能量和數(shù)量，這兩者有助于增高氧化率。
下面將描述標準10分鐘氧化過程的一個實例。當硅片16著陸到硅片夾盤的時候，形成了一層厚度為31埃的氧化層。當將硅片16與硅片夾盤絕緣的時候，在相同條件和相同時間下形成了厚度為15埃的氧化層。已知O3與光電子反應形成O2和O-的概率隨著光電子能量增加，直到光電子能量達到9eV。當硅片16著陸到硅片夾盤18的時候，光電子能量僅為2.3eV。將大約5-10伏特的負偏壓(負電勢)26通過硅片夾盤18施加到硅片16上以增加發(fā)出自硅片16的光電子能量和加速氧化物的生長，這使得標準10分鐘氧化過程在大約3-4分鐘內(nèi)完成。這種負電勢施加在圖2所示的步驟S204中進行。
硅片表面附近的氧量由真空室內(nèi)O2和O3的密度、真空室內(nèi)的總壓力、和表面附近的光解光強度決定。使用O2的氧化作用要比使用N2O的氧化作用更有效，這可能是因為每分子N2O產(chǎn)生一個氧原子，而每分子O2產(chǎn)生兩個氧原子。所得到的氧化物厚度并不與所預期的氧自由基濃度成比例，因此認為在基材表面，氧化率接近飽和點。
接下來，將對實驗的結(jié)果進行描述。
在圖3中，描述了將夾盤溫度作為變量的氧化物厚度的比較，通常為30。痕跡線32和34都是使用氧自由基的硅氧化作用的結(jié)果。痕跡線32是在50毫托的室壓下、4sccm的O2流氧化10分鐘的結(jié)果。痕跡線34是在50毫托的室壓下、10sccm的N2O流氧化10分鐘的結(jié)果?？梢詮膱D3中看出，硅的氧化不是非常溫度依賴的，即使在室溫下也能產(chǎn)生主要的氧化物。在高溫下，觀察到生長率的少量增加。
比較薄氧化膜的質(zhì)量與熱氧化物的柵氧化物應用。制造簡單的電容器結(jié)構(gòu)以確定容積電荷俘獲、界面俘獲、和擊穿特性。對帶有濺射的TiN柵的p型原始片進行氧化作用，所述的TiN柵被圖飾并被蝕刻。接下來，在450℃進行合成氣體的退火。在用HF蝕刻去除任何形成在硅片背部的氧化物以后，進行電測量。
圖4顯示了在合成氣體退火之前，所測的J-V(電流密度-電壓)特性曲線，通常為40。痕跡線42是傳統(tǒng)熱氧化作用的結(jié)果，而痕跡線44、46、48和49是使用O2氧化氣體和氧自由基氧化20分鐘的本發(fā)明方法的結(jié)果。進行0--3伏特、0--4伏特、0--5伏特和0--6伏特的順序掃描以確定壓力誘導的漏瀉電流(SILC)的影響。在這種制造條件中，自由基氧化物顯示出較高的SILC標志，但是在稍高的電場中顯示出較低的漏瀉。在合成氣體退火以后，在TiN柵上形成了一個薄TiO2層，這樣很難獲得準確的J-V特性曲線。
在圖5中顯示了在后的FGA C-V(電容-電壓)特性曲線，通常為50。在真空室中裝備了一個燈，其壓力維持在約50毫托，其溫度在大約300℃。
痕跡線52是傳統(tǒng)的熱氧化作用，而痕跡線54是通過O2氧化氣體，依照本發(fā)明方法用氧自由基氧化6.5分鐘的結(jié)果；痕跡線56是通過O2氧化氣體，依照本發(fā)明方法用氧自由基氧化20分鐘的結(jié)果。痕跡線58是通過N2O氧化氣體用氧自由基得到的結(jié)果。所有的痕跡線顯示了來自100μm×100μm的電容器的結(jié)果。這些結(jié)果是通過-3伏特-1伏特的雙向掃描而得到的。在CV掃描中發(fā)現(xiàn)電荷俘獲滯后。通過O2氧化氣體用氧自由基產(chǎn)生的氧化物(痕跡線54和56)證實了滯后量度幅度與熱氧化物(痕跡線52)的幅度類似，而由N2O氧化氣體所產(chǎn)生的氧化物(痕跡線58)的滯后幅度明顯地大于通過熱氧化作用(痕跡線52)和通過氧自由基(痕跡線54和56)得到的氧化物的滯后幅度。
在此，將氙準分子燈(氙準分子激光器)用于光離解氧化氣體和/或用于從硅片發(fā)射光電子。但是，準分子燈并不限于氙準分子燈。
隨著準分子燈技術(shù)的進步，備選波長的使用成為可能。其它的準分子燈在126nm，146nm，222nm，和308nm產(chǎn)生光，但是這些燈可能不象在172nm工作的氙準分子燈那樣有效。
備用氧源是可能的。在一個上述確定的相關(guān)申請中已經(jīng)公開了使用N2O。也可以將NO用作氧化氣體。其它可能的候選氣體是H2O，H2O2，CO，H2CO，和CO2，但是，由于含碳化合物可能會產(chǎn)生碳污染，因此不大可能將它們作為候選氣體。
這樣，本發(fā)明已經(jīng)公開了使用產(chǎn)生自氧氣和臭氧的自由基來進行硅低溫氧化的方法和系統(tǒng)。應該認識到在附加權(quán)利要求所限定的發(fā)明范圍內(nèi)，可以作出其它的變體和變型。
如上所述，依照本發(fā)明的硅片低溫氧化方法包括將硅片放入真空室中；將硅片保持在大約室溫-350℃；將氧化氣體引入所述真空室；和用發(fā)出自準分子激光器的光來照射此氧化氣體和硅片以產(chǎn)生反應性氧種并在硅片上形成氧化層。所述的氧化氣體選自O2和O3。通過用發(fā)出自準分子激光器的光來照射氧化氣體和硅片，很容易進行光離解和/或光電子發(fā)射。作為結(jié)果，產(chǎn)生了反應性氧種，而且，可以不將硅片置于高溫下而進行高質(zhì)量的氧化。
權(quán)利要求
1.一種硅片的低溫氧化方法，其包括將硅片放置在真空室內(nèi)；將硅片保持在室溫-350℃；將氧化氣體引入所述真空室，該氧化氣體選自O2和O3；和用發(fā)出自準分子激光器的光來照射所述氧化氣體和硅片，以產(chǎn)生反應性氧種并在硅片上形成氧化層。
2.權(quán)利要求1的方法，其還包括將真空室的壓力保持在40毫托-90毫托。
3.權(quán)利要求1的方法，其中所述的將氧化氣體引入真空室還包括提供2sccm-50sccm的氣體流動速率。
4.權(quán)利要求1的方法，其包括在形成所述的氧化層以后，在惰性氣氛中、在600℃-750℃的溫度下將所述的硅片和氧化層退火1-10分鐘。
5.權(quán)利要求1的方法，其包括在所述的氧化層形成過程中，將5-10伏特的負電勢施用于所述的硅片上。
6.權(quán)利要求1的方法，其中所述的準分子激光器是氙準分子激光器，而且所述光的波長是172nm。
7.權(quán)利要求1的方法，其中所述光的波長選自126nm，146nm，172nm，222nm，和308nm。
8.權(quán)利要求1的方法，其中產(chǎn)生反應性氧種的步驟包括將氧化氣體離解成氧自由基；和從硅片射出光電子，導致光電子與氧化氣體反應生成氧離子。
9.一種用于硅片低溫氧化的裝置，其包含用于放置硅片的真空室；用于將氧化氣體引入真空室的歧管，該氧化氣體是選自O2和O3的氧化氣體；和位于真空室內(nèi)硅片上的準分子激光器，該激光器照射所述的氧化氣體和硅片，該準分子激光器發(fā)出光。
10.權(quán)利要求9的裝置，其中所述的歧管以2sccm-50sccm的氣體流動速率引入所述的氧化氣體。
11.權(quán)利要求9的裝置，其中所述的準分子激光器是氙準分子激光器，并且所述光的波長是172nm。
12.權(quán)利要求9的裝置，其還包括用于將5-10伏特的電勢施用于所述硅片的電壓電源。
13.權(quán)利要求9的裝置，其中所述光的波長選自126nm，146nm，172nm，222nm，和308nm。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種硅片的低溫氧化的方法，其包括將硅片放置在真空室中；將硅片保持在大約室溫－350℃；將選自O
文檔編號H01L21/02GK1467800SQ0313101
公開日2004年1月14日 申請日期2003年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月4日
發(fā)明者大野芳睦, 李宗霑 申請人:夏普株式會社