CN1841674A - 硅类被处理物的处理方法、装置及半导体器件的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供硅类被处理物的处理方法，包括：将硅类被处理物暴露于包含氧自由基的等离子体气氛中的工序；和在前述等离子体气氛下通过电阻元件将直流电压施加于前述被处理物而进行氧化的工序。
Description
技术领域
本发明，涉及硅类被处理物的处理方法、处理装置及半导体器件的制造方法。
背景技术
从前，在半导体器件的制造工序中硅类被处理物、例如硅基板(以下，称为硅片)的氧化，采用在1000℃左右的氧气氛中进行加热的热氧化法。在如此温度下的氧化，存在硅片中的杂质进行扩散、在氧化膜中产生应力的问题。
特别是，在掺杂于硅片的杂质为As、B或P的情况下，由于加热达到1000℃而发生扩散。虽然通过将加热温度降低至小于或等于600℃能够抑制杂质的扩散，但是氧化速度变慢，氧化膜的形成变得困难。
根据这样的情况，已知施加高频或微波的电功率于氧(O2)分子而进行等离子体化，通过所产生的氧自由基(氧原子)对硅片进行低温氧化的方法。氧原子，因为与氧分子比较扩散系数较大，所以即使在400℃左右的低温也可得到实用性的氧化速度。
在采用氧自由基的低温氧化中，为了各向同性地进行氧化，例如在硅片上形成凸型结构物，在对该结构物进行氧化时，其上部、侧壁及底部都形成大致相同厚度的氧化膜。其结果，在打算对凸型结构物的上部、底部进行氧化而抑制侧壁的氧化的情况下，以采用氧自由基的低温氧化方法就显得困难。
另一方面，用现有的热氧化法则在前述硅片的凸型结构物的上部及底部和侧壁，因为硅的面方位不相同在氧化速度上出现差别，而在上部侧的硅面方位、普通(100)面选择性地进行氧化。因此，虽然可进行选择氧化，但是如前述地存在因在高温下的氧化引起的杂质的扩散的问题。
发明内容
根据本发明的一种方式，提供硅类被处理物的处理方法，其包括：
将硅类被处理物暴露于包含氧自由基的等离子体中的工序；及
在前述等离子体的气氛下通过电阻元件施加直流电压于上述硅类被处理物进行氧化的工序。
根据本发明的另一方式，提供处理装置，其具备：
腔室；
保持构件，其配置于前述腔室内，用于保持硅类被处理物；
在前述腔室内产生包含氧自由基的等离子体的单元；
直流电源，其用于将直流电压供给前述被处理物；及
电阻元件，其配置于前述被处理物和前述直流电源之间。
在此，作为硅类被处理物例如可举出具有加工有槽等的凹凸部的硅基板。并且，硅类被处理物具有：硅基板和形成于该基板之上的绝缘膜和形成于该绝缘膜之上的像多晶硅那样的硅的凸状结构物。
根据本发明的另一方式，提供半导体器件的制造方法，其包括：
将具有凸部的硅基板暴露于包含氧自由基的等离子体中的工序；及
通过在前述等离子体的气氛下通过电阻元件施加直流电压于前述基板进行氧化处理，而在前述凸部的侧部形成厚度比其上部及凸部周围的氧化膜薄的氧化膜的工序。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式的处理装置的概略立体图。
图2是表示通过现有的氧自由基进行的氧化模型的概略图。
图3是表示本发明的实施方式的因施加电场进行的自由基氧化模型的概略图。
图4是表示本发明的实施例1中所用的具有凸部结构的硅片的剖面图。
图5是表示本发明的实施例1中的直流压，与凸部的底部及侧部的氧化膜的厚度，及(侧部的氧化膜的厚度/底部的氧化膜的厚度)之比的关系的特性图。
图6是表示用于对本发明的实施例1及比较例1的倒角(facet)进行说明的具有凸部结构的硅片的剖面图。
图7是表示比较例1中的高频电功率和硅片的氧化速度之关系，及高频电功率和倒角“Facet”之关系的特性图。
图8是表示实施例1中的高频电功率和硅片的氧化速度之关系，及高频电功率和倒角“Facet”之关系的特性图。
具体实施方式
以下，对本发明的实施方式详细地进行说明。
图1，是表示实施方式的处理装置的概略立体图。
真空腔室1，具有：对硅类被处理物进行氧化处理的例如矩形状的处理室2，和连通于该处理室2的上部所配置的例如圆柱状的等离子体产生室3。前述处理室2，连接着用真空泵抽真空的排气管(未图示出)。内装有加热器的例如圆板状的保持构件4，配置于前述处理室2内。直流电源5，通过电阻元件6连接于前述保持构件4。该电阻元件6，优选具有0.5～1.5MΩ的电阻值。
气体供给管7，连接于前述等离子体产生室3的上部侧壁。可透过微波的石英玻璃制的电介质窗8，位于前述等离子体产生室3的上部那样地配置。矩形波导管9，该波导管9的微波放射侧设置于前述电介质窗8。前述波导管9，具有：垂直于在其内部传导传播的微波的电场方向的面(H面)；对于该H面在垂直方向上延伸的平行于微波的电场方向的面(E面)；和在与微波导入侧相反侧对于H面及E面垂直，对微波进行反射的反射面。在对向于前述电介质窗8的前述波导管9的H面，开设有互相平行的2条缝隙10，传导于该波导管9的微波通过前述缝隙10及电介质窗8辐射到前述等离子体产生室3。
其次，对采用前述的处理装置，对硅类被处理物、例如具有通过槽加工所形成的凸部的硅基板(硅片)进行的氧化处理方法进行说明。
首先，使前述结构的硅片11保持于处理室2内的保持构件4。接着，通过保持构件4的加热器对前述硅片11进行加热。在该状态下使真空泵工作，通过未图示出的排气管排出真空腔室1内的气体。同时，通过气体供给管7供给包含氧的气体(例如用氩(Ar)对氧(O2)进行稀释后的混合气体)于前述真空腔室1的等离子体产生室3。
当前述真空腔室1内达到预定的压力时，通过将微波从未图示出的微波电源导入到矩形波导管9内而使微波通过缝隙10及电介质窗8辐射到前述等离子体产生室3。通过该微波的电场，电离Ar及O2气体而产生电子，等离子化而发生高电子密度(例如大于等于1011cm-3)的等离子体。此时，在等离子体中产生Ar离子、O2离子、O离子、O原子(自由基)及电子。O原子，由电子碰撞O2分子而离解所产生。O原子，处于激发状态，被激活而反应性变高。称该状态为氧自由基。
若相继于前述的等离子体的发生而从直流电压电源5直接施加直流电压于保持构件4，则在自然氧化膜形成于硅片的露出面的情况下会施加不上直流电压。若升高施加的直流电压，则产生绝缘击穿，等离子体变得不稳定(异常的放电)。根据这样的情况所以通过电阻元件6而施加直流电压、例如正的直流电压于保持构件4，就可以直接施加直流电流于硅片11了。从而，通过加热器所加热、并且施加有正的直流电压的硅片11就与等离子体中所产生的氧自由基发生反应，被进行各向异性的氧化。
对用这样的实施方式的方法进行各向异性的氧化处理的情况，和仅以氧自由基对硅片进行氧化处理的情况进行比较而在以下进行详述。图2，是表示仅以氧自由基进行硅基板的氧化的模型图；图3是表示实施方式的各向异性的氧化的模型图。还有，图2、图3的硅片11形成凸部15，该凸部15具有上部12及侧部13，并以硅片11表面作为底部14。
在示于图2的仅以氧自由基进行的硅片的氧化处理方法中，若暴露硅片11于等离子体16，则氧自由基17通过热运动扩散到等离子体16中而到达硅片11。一般来说，自由基等中性粒子的温度与腔室壁的温度大致相同，为300～400K左右，并且为电中性。因此，氧自由基不会被电场加速。其结果，其热运动的方向性是随机无规则的，即使在包括凸部15的硅片11表面也无方向性地进行为硅片11的构成元素的Si18的氧化。从而，在凸部15的上部12、侧部13及底部14，进行大致相同的氧化，所形成的氧化膜19的厚度为大致相同。
另一方面，在示于图3的施加正的直流电压的实施方式的氧化处理方法中，因为硅片11是其体积电阻值为几Ω·cm左右的半导体，所以从直流电源5施加于硅片11的正的直流电压几乎不下降地加到形成于硅片11表面的氧化膜19上。通过该直流电压，等离子体16中的电子20具有方向性地被吸引到氧化膜19，在凸部15有选择性地附着于其上部12及底部14的氧化膜19上，对于凸部15的侧部13则难以附着。通过附着的电子20在氧化膜19的表面产生例如从几V到几十V的电压，在氧化膜19表面和硅片11之间产生电场。通过该电场为硅片11的构成元素的Si18离子化而扩散到氧化膜19中促进氧化。前述电场，因为正比于前述电子20的附着量，所以在凸部15的上部12及底部14强，而在侧部13则弱。其结果，在前述凸部15的上部12及底部14表现出因前述强的电场引起的氧化促进效果，氧化膜19形成得厚。在前述凸部15的侧部13，因为因电场引起的氧化促进效果低，主要为仅自由基氧化的氧化效果，所以氧化膜19形成得薄。从而，通过这样的作用而进行：在凸部15的上部12及底部14形成厚的氧化膜19、在凸部15的侧部13形成薄的氧化膜19的各向异性的氧化。
并且，通过将前述硅片11暴露于包含氧自由基的等离子体16，并通过电阻元件施加直流电压，能够抑制或防止在其凸部15的溅射现象，而对包括凸部15的硅片11良好地进行各向异性氧化。
在实施方式中，通过采用因氧自由基进行的氧化可以使前述硅片的加热温度比产生掺杂于硅片中的杂质的扩散的1000℃充分地低，例如可以为400～600℃。
优选：包含前述氧的气体，采用如氦、氖、氩、氪、氙那样的稀有气体和氧的混合气体。特别地优选：该混合气体中的氧比率小于或等于6体积％，更理想为0.5～6体积％的范围。如此氧比率的混合气体，可以使参与到前述的电场中的电子更多地在等离子体中产生。因此，更加容易实行各向异性氧化。在前述稀有气体之中，氩相比较于其他的稀有气体因为能够廉价增大电子的产生量所以特别适合。
优选：前述直流电压，通过具有0.5～1.5MΩ的电阻值的电阻元件施加于保持构件(或者硅片)。
优选：供给于前述电阻元件(例如电阻值0.5～1.5MΩ)的直流电压，为-1.0KV～1.0KV，输入-2mA～2mA的电流于硅片。若使输入的电流值不足-2mA，则可能难以进行各向异性氧化。另一方面，若使输入的电流值超过2mA，则有可能在所形成的氧化膜中产生小孔等使膜质降低。
优选：在向前述硅片施加直流电压中，施加正的直流电压于硅片。通过如此地施加正电压于前述硅片可以对于前述的等离子体中的电子有效地施加电场，更加容易实行各向异性氧化。
以上，依照实施方式，通过将具有凸部的硅片那样的硅类被处理物暴露于包含氧自由基的等离子体气氛，并在该气氛下通过电阻元件施加直流电压于前述基板，则即使在硅类被处理物的露出面上形成自然氧化膜，也可以使直流电压直接施加到硅类被处理物上。通过如此的直流电压的施加，可以在比1000℃低的温度(例如400～600℃)、也就是能抑制硅类被处理物的杂质的扩散的温度下进行前述硅类被处理物的各向异性氧化。
并且，依照实施方式能够提供能实施前述硅类被处理物的各向异性氧化的处理装置。
进而，依照实施方式，通过将具有凸部的硅基板(例如硅片)暴露于包含氧自由基的等离子体中，并通过电阻元件施加直流电压，能够在其凸部不产生溅射现象，即不产生凸部的形状变化，而各向异性氧化包括凸部的硅片。这样的各向异性氧化，例如能够应用于半导体器件的制造时的包括槽内面的氧化工序的埋入元件分离区域的形成、栅电极周围的氧化膜形成等。
还有，虽然在前述的实施方式中，作为等离子体产生单元采用了用于使微波辐射到真空腔室的等离子体产生室的波导管，但是，也可以采用感应耦合等离子体(ICP；Inductively Coupled Plasma)。
以下，对本发明的实施例进行说明。
(实施例1)
准备示于图4的形成有具有上部12及侧部13、并以表面作为底部14的凸部15的硅片11。使该硅片11保持于示于前述的图1的处理装置的处理室2内的保持构件4上。接着，通过前述保持构件4的加热器将前述硅片11加热到400℃。在该状态下使真空泵工作，通过未图示出的排气管排出真空腔室1内的气体。同时，通过气体供给管7，以约510sccm的流量将氩、氧及氢的混合气体以对于氩的氧的比率(O2/Ar+O2)成为1.4体积％的方式，供给到前述真空腔室1上部的等离子体产生室3中。当真空腔室1内的压力达到150Pa时，通过1.5MΩ的电阻元件6从直流电压电源5将-1.0KV～1.0KV的直流电压施加到前述硅片11上。相继于该施加通过将2kW的微波从未图示出的微波电源导入到矩形波导管9内而使微波通过缝隙10及电介质窗8辐射到前述等离子体产生室3，并使电子密度为3×1011cm-3的等离子体产生，对前述硅片11进行5分钟氧化处理。
对于氧化处理后的硅片11，测定示于图4的凸部15中的底部14的氧化膜的厚度(t1)及侧部13的氧化膜的厚度(t2)。将其结果示于图5。还有，在图5中横轴表示施加于电阻元件的直流电压；左纵轴表示底部及侧部的氧化膜的厚度，右纵轴表示(侧部的氧化膜的厚度)/(底部的氧化膜的厚度)之比。
如从图5所明了地，可知：若施加直流偏置电压于硅片，则虽然形成于示于图4的凸部15的侧部13的氧化膜的厚度(t2)相比较于不施加直流偏置电压变化较小，但是形成于底部14的氧化膜的厚度增大，出现各向异性的氧化。特别是，在直流偏置电压(供给电阻元件的直流偏置电压)为-1.0KV～1.0KV的范围，形成于底部14的氧化膜的厚度显著地增大，(侧部的氧化膜的厚度)/(底部的氧化膜的厚度)之比也变小，出现更高的各向异性的氧化。
并且，作为比较例1，除了在前述的实施例1中代替直流电压而从高频电源将13.56MHz的高频电功率直接施加于保持构件4之外，实施同样的氧化处理。研究一下高频电功率和硅片的氧化速度的关系，及高频电功率和氧化处理后的硅片凸部的上部肩部的通过溅射所削去的量的关系。在此，通过溅射所削去的量，根据示于图6的氧化处理后的硅片11的凸部15的上部肩部的倒角“Facet”＝A/B求得。其结果示于图7。
进而，研究一下在前述的实施例1的氧化处理中直流电压(来自直流电源的供给电压)和硅片的氧化速度的关系，及直流电压和氧化处理后的硅片凸部的上部肩部的通过溅射所削去的量(倒角“Facet”＝A/B)的关系。其结果示于图8。
可知：如从图7所明了地，在直接施加高频电功率于硅片的比较例1，虽然氧化速度伴随于高频电功率的增加而增加，但是倒角也增加，凸部的形状发生变化。这是因为，在等离子体中产生的离子被通过高频电场所形成的自偏置电位吸引向硅片侧，该受吸引的离子与晶片发生碰撞而引起溅射的缘故。特别是，凸部的上部角溅射产生量大，容易削去，形状容易变形。
相对于此，如图8中所示地在通过1.5MΩ的电阻元件施加直流电压于硅片的实施例1，能够不发生异常的放电而产生等离子体，能够实行前述的各向异性的氧化。特别是，通过施加直到-1KV的直流电压虽然氧化速度增加，但是倒角基本不发生变化而为一定。这意味着，直流电压的施加几乎不发生溅射现象。从而，与高频电功率的施加不同，可以使凸部的形状不发生变化而进行各向异性的氧化。
对于本领域的技术人员而言可对本发明进行附加的改良和变更。因而，本发明不限于上述的详细的内容和代表性的实施方式。在不脱离从技术方案及其等同内容所表达的主要观点的主旨或范围内可进行各种变更。
Claims (21)
1.一种硅类被处理物的处理方法，其特征在于，包括：
将硅类被处理物暴露于包含氧自由基的等离子体气氛中的工序；及
在上述等离子体气氛下，通过电阻元件向上述被处理物施加直流电压进行氧化的工序。
2.按照权利要求1所述的硅类被处理物的处理方法，其特征在于：
上述硅类被处理物，是具有加工有槽等的凹凸部的硅基板。
3.按照权利要求1所述的硅类被处理物的处理方法，其特征在于：
上述硅类被处理物，具有：硅基板、形成于该基板之上的绝缘膜和形成于该绝缘膜之上的硅的凸状结构物。
4.按照权利要求1所述的硅类被处理物的处理方法，其特征在于：
上述等离子体，通过将微波的电场施加于包含氧的气体中而产生。
5.按照权利要求4所述的硅类被处理物的处理方法，其特征在于：
上述包含氧的气体，是从氦、氖、氩、氪、氙的组所选择的至少一种稀有气体和氧的混合气体。
6.按照权利要求5所述的硅类被处理物的处理方法，其特征在于：
上述混合气体中的氧比率，小于或等于6体积％。
7.按照权利要求5所述的硅类被处理物的处理方法，其特征在于：
上述混合气体中的氧比率，为0.5～6体积％。
8.按照权利要求5所述的硅类被处理物的处理方法，其特征在于：
上述稀有气体是氩。
9.按照权利要求1所述的硅类被处理物的处理方法，其特征在于：
上述被处理物，被加热至400～600℃的温度。
10.按照权利要求1所述的硅类被处理物的处理方法，其特征在于：
上述电阻元件，具有0.5～1.5MΩ的电阻值。
11.按照权利要求1所述的硅类被处理物的处理方法，其特征在于：
上述施加于被处理物的直流电压，是正的直流电压。
12.一种处理装置，其特征在于，具备：
腔室；
保持构件，其配置于上述腔室内，用于保持硅类被处理物；
在上述腔室内产生包含氧自由基的等离子体的单元；
直流电源，其用于向上述被处理物供给直流电压；及
电阻元件，其配置于上述被处理物和上述直流电源之间。
13.按照权利要求12所述的处理装置，其特征在于：
上述电阻元件，具有0.5～1.5MΩ的电阻值。
14.一种半导体器件的制造方法，其特征在于，包括：
将具有凸部的硅基板暴露于包含氧自由基的等离子体中的工序；及
通过在前述等离子体气氛下，通过电阻元件将直流电压施加于上述基板进行氧化处理，在上述凸部的侧部形成厚度比其上部及凸部周围的氧化膜薄的氧化膜的工序。
15.按照权利要求14所述的半导体器件的制造方法，其特征在于：
上述等离子体，通过将微波的电场施加于包含氧的气体而产生。
16.按照权利要求15所述的半导体器件的制造方法，其特征在于：
上述包含氧的气体，是从氦、氖、氩、氪、氙的组所选择的至少一种稀有气体和氧的混合气体。
17.按照权利要求16所述的半导体器件的制造方法，其特征在于：
上述混合气体中的氧比率，小于或等于6体积％。
18.按照权利要求16所述的半导体器件的制造方法，其特征在于：
上述混合气体中的氧比率，为0.5～6体积％。
19.按照权利要求16所述的半导体器件的制造方法，其特征在于：
上述稀有气体是氩。
20.按照权利要求14所述的半导体器件的制造方法，其特征在于：
上述基板，被加热至400～600℃的温度。
21.按照权利要求14所述的半导体器件的制造方法，其特征在于：
上述电阻元件，具有0.5～1.5MΩ的电阻值。
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