CN102945798B - 超薄氧化层的激光处理生长方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种超薄氧化层的激光处理生长方法，为解决现有超薄氧化层生长厚度难以精确控制等问题而发明。本发明超薄氧化层的激光处理生长方法为在硅片的浅表面引入氧化剂后对该硅片进行激光照射，通过激光给能促使化学反应发生而形成超薄氧化层。氧化剂的引入方法为：将硅片放置在氧化性气氛中；或，对硅片浅表面进行低能离子注入氧元素；亦或，在硅片浅表面内低能离子注入氧元素后将该硅片放置在氧化性气氛中。本发明超薄氧化层的激光处理生长装置包括进气孔、出气孔、密封工艺腔室、载片台、激光器和透明窗口。本发明超薄氧化层的激光处理生长方法及装置结构合理，使用方便，可生成质量好的薄氧化层，适用于多种半导体器件中薄氧化层的制备。

Description

超薄氧化层的激光处理生长方法及装置
技术领域
本发明涉及一种超薄氧化层的激光处理生长方法及装置。
背景技术
在当前主流的半导体CMOS工艺中，由于栅介质层对于器件性能的重要性，对栅氧化层生长过程及氧化层质量的要求和控制都是最为严格的。随着器件尺寸的日益缩小，该薄氧化层的厚度越来越薄，通常已小于10nm。
现有工艺中栅氧化层是通过热生长方式得到的。将硅片加热至1000℃左右，并且向反应容器中通入高纯氧，使得硅表面氧化，生成栅氧化层。由于硅片表面存在约2～3nm的自然氧化层，该层的厚度和质量都是随机性的，不属于工艺上可控制的范围，因此超薄氧化层的生长成为半导体工艺中的一个技术难点。即使不存在自然氧化层因素，热氧化过程中较高温度(例如900℃)下氧化层生长速度很快，造成超薄氧化层生常过程不易精确控制。
而如果温度设置较低(例如800℃或以下)，则硅材料几乎不与氧发生化学反应，又得不到氧化硅介质层。
发明内容
为了克服上述的缺陷，本发明提供一种低温状态下达到良好生长效果的超薄氧化层的激光处理生长方法。
为达到上述目的，一方面，本发明提供一种超薄氧化层的激光处理生长方法，所述方法为在硅片的浅表面层引入氧化剂后对该硅片进行激光照射；所述浅表面为硅片表面0至20nm范围内的部分。
特别是，所述硅片浅表面层引入氧化剂的方法为：将该硅片放置在氧化性气氛中，并在激光照射的过程中保持该氧化性气氛。
特别是，所述硅片浅表面层引入氧化剂的方法为：对该硅片浅表面进行低能离子注入氧化性元素。
特别是，所述硅片浅表面层引入氧化剂的方法为：在该硅片浅表面内低能离子注入氧化性元素，然后将该硅片放置在氧化性气氛中，并在激光照射的过程中保持该氧化性气氛。
进一步，所述低能离子注入的能量小于5keV，剂量范围在5e14cm-2至1e16cm-2之间。
特别是，所述氧化性气氛的气压略高于大气压。
特别是，激光为连续激光或脉冲激光，所述激光的波长范围在248nm至10.6μm之间，激光能量密度范围在100mJ/cm2至10J/cm2之间。
另一方面，本发明提供一种超薄氧化层的激光处理生长装置，所述装置包括设有进气孔和出气孔的密封工艺腔室，所述腔室内设有移动式载片台，对应所述移动式载片台的位置处设有激光器；激光器发出的激光束能照射至移动式载片台上的晶圆片。
特别是，所述腔室上对应所述移动式载片台的位置处设有透明窗口，所述激光器设置在腔室外，通过光路系统将激光束引至透明窗口的上方，进而透过窗口射入腔室内。
本发明超薄氧化层的激光处理生长方法为在硅片浅表面层引入氧化剂后对该硅片进行激光照射，实现了在低温状态下通过激光束给能方式进行超薄氧化层的生长，不会增加工艺流程整体的热预算负担，不会对已经制作完成的器件结构产生额外的热应力损伤。本方法中氧化性气氛的气压略高于大气压，此时密闭腔室无需非常高的气密度即可得到工艺要求，降低了设备成本；而且当腔内气压略高时，腔外的杂质不能够进入腔室内部。由于氧化性气氛的各项参数、激光辐照的光照强度以及均匀性等都能够得到精确的控制，因此依据本方法生成的薄氧化层在厚度、均匀性、重复性等方面可以满足更为严格的要求。
本发明超薄氧化层的激光处理生长装置包括密封工艺腔室和激光器，将待生长薄氧化层的硅片放置在移动式载片台上。利用密封工艺腔室保证硅片处于指定的气氛中，通过载片台的移动或者激光束的移动令硅片全表面得到照射，实现了本发明超薄氧化层的激光处理生长方法。本装置结构合理，使用方便，成本低，超薄氧化层生长的工艺可控性好。
附图说明
图1为本发明方法流程示意图。
图2为本发明装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和优选实施例对本发明做详细描述。
优选实施例一：如图1所示，超薄氧化层的激光处理生长方法为：将该硅片放置在氧气气氛中，并在激光照射的过程中保持该氧气气氛；该氧气气氛的气压略高于大气压。此步骤在硅片的浅表面层引入氧化剂，然后对该硅片进行激光照射。激光束斑面积为1mm2，硅片为四吋片，通过移动硅片令整片都得到激光照射。所生长的氧化层达到需求的厚度后停止激光照射。
激光为连续激光，是波长在1μm左右的红外激光，激光能量密度为800mJ/cm2。
在本实施例中，通过将硅片持续放置在氧气气氛中实现对硅片浅表面层氧化剂的引入，这一方法简单易行，成本低，效果良好。然后对该硅片进行激光照射，实现了在低温状态下通过激光束给能方式进行超薄氧化层的生长，不会增加工艺流程整体的热预算负担，不会对已经制作完成的器件结构产生额外的热应力损伤。
优选实施例二：超薄氧化层的激光处理生长方法为：对该硅片浅表面进行低能离子注入氧元素，低能离子注入的能量为4.6keV，剂量为1e15cm-2。此步骤在硅片的浅表面层引入氧化剂，然后对该硅片进行激光照射。激光束斑面积为5mm2，硅片为六吋片，通过移动硅片令整片都得到激光照射。所生长的氧化层达到需求厚度后停止激光照射。
激光为脉冲激光，是波长为10.6μm的CO2激光，激光能量密度为4.5J/cm2。
在本实施例中，通过对硅片浅表面进行低能离子注入氧元素来引入氧化剂，氧元素预先埋入硅材料中，经激光照射给能后氧元素与周围的硅元素反应生成超薄的氧化层，所生成的超薄氧化层在厚度、均匀性、重复性等方面可控性高。
优选实施例三：超薄氧化层的激光处理生长方法为：对该硅片浅表面进行低能离子注入氧元素，低能离子注入的能量为4.6keV，剂量为1e15cm-2。将该硅片放置在氧气气氛中，并在激光照射的过程中保持该氧气气氛；该氧气气氛的气压略高于大气压。此步骤在硅片的浅表面层引入氧化剂，然后对该硅片进行激光照射。激光束斑面积为8mm2，硅片为四吋片，通过移动激光束令整片都得到激光照射。所生长的氧化层达到需求厚度后停止激光照射。
激光为连续激光，是波长在1μm左右的红外激光，激光能量密度为3.5J/cm2。
在本实施例中，通过对硅片浅表面层进行低能离子注入氧元素和将硅片持续放置在氧气气氛中相结合的方法实现对硅片浅表面层氧化剂的引入，结合了优选实施例一和二的优点。由于氧气气氛的各项参数、激光辐照的光照强度以及均匀性等都能够得到精确的控制，因此生成的薄氧化层在厚度、均匀性、重复性等方面可以满足更为严格的要求。
优选实施例四：超薄氧化层的激光处理生长装置包括设有进气孔和出气孔的密封工艺腔室，腔室内设有移动式载片台，腔室内对应移动式载片台的位置处设有激光器；激光器发出的激光束能照射至移动式载片台上的晶圆片。
操作步骤：(1)向硅片2的浅表面层低能离子注入氧元素，引入氧化剂。(2)打开工艺腔室1，将硅片2放置到移动式载片台4之上。在放置硅片期间，工艺腔室1中经过气体入口5通入氮气作为保护性气体。(3)关闭工艺腔室，通过气体入口5向腔室1中通入氧气，使得腔室内部形成氧化性气氛。当氧气充入工艺腔室时，原先腔室中的氮气，通过气体出口6被排出。(4)打开激光器光路上的快门挡板，令激光光束3照射到硅片的表面。(5)启动移动式载片台4进行二维扫描，开始硅片表面超薄氧化层的生长。扫描可以多遍进行，直至硅片全部表面都覆盖满一薄层的二氧化硅。(6)关闭激光快门挡板；换用氮气充入工艺腔室，并且排出氧气；打开工艺腔室1的门，取出加工好的硅片2。
本实施例超薄氧化层的激光处理生长装置结构合理，使用方便，成本低，所得到的产品性能良好。
优选实施例五：如图2所示，超薄氧化层的激光处理生长装置包括设有进气孔和出气孔的密封工艺腔室，腔室内设有移动式载片台；腔室上对应移动式载片台的位置处设有石英材料制成的透明窗口，激光器设置在腔室外对应移动式载片台的位置处。通过光路系统将激光束引至透明窗口的上方，进而透过窗口射入腔室内。
操作步骤：(1)打开工艺腔室1，将硅片2放置到移动式载片台4之上。在放置硅片期间，工艺腔室1中由气体入口5通入氮气作为保护性气体。(2)关闭工艺腔室，通过气体入口5向腔室1中通入氧气，使得腔室内部形成氧化性气氛。当氧气充入工艺腔室时，原先腔室中的氮气通过气体出口6被排出。(3)打开激光器光路上的快门挡板，令激光光束3透过工艺腔室顶部的透明窗口7后照射到硅片2的表面。(4)移动光路上反射镜令激光束相对于硅片2做二维扫描运动，硅片表面开始生长超薄氧化层。扫描可以多遍进行，直至硅片全部表面都覆盖满一薄层的二氧化硅。(5)关闭激光快门挡板；换用氮气充入工艺腔室，并且排出氧气；打开工艺腔室1的门，取出加工好的硅片2。
本优选实施例与优选实施例四相比增加了透明窗口、且激光器设置在腔室外，这样可以减小腔室的体积，令装备的生产和使用更加方便，而且不影响薄氧化层的生长。
以上，仅为本发明的较佳实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求所界定的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种超薄氧化层的激光处理生长方法，其特征在于，所述方法为在硅片的浅表面引入氧化剂后对该硅片进行激光照射；所述浅表面为硅片表面0至20nm范围内的部分；
所述硅片浅表面层引入氧化剂的方法为：在该硅片浅表面内低能离子注入氧元素，然后将该硅片放置在氧化性气氛中，并在激光照射的过程中保持该氧化性气氛；
所述低能离子注入的能量小于5keV，剂量范围在5e14cm-2至1e16cm-2之间。
2.根据权利要求1所述超薄氧化层的激光处理生长方法，其特征在于，激光为连续激光或脉冲激光，所述激光的波长范围在248nm至10.6μm之间，激光能量密度范围在100mJ/cm2至10J/cm2之间。
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