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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bilden
eines dicken Siliziumdioxidfilms auf einem Siliziumsubstrat.
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Technischer
Hintergrund
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Ein
Material, das durch Bilden eines dicken Siliziumdioxidfilms auf
einem Siliziumsubstrat erhalten wurde, ist für die Geräte verwendet worden, die auf
solchen Gebieten wie der Weichphotonik („soff photonics"), die vor allem
die optische Datenübermittlungs-
und -verarbeitungstechnik betrifft, der Komfortphotonik („amenity
photonics") mit
dem Ziel der Verwendung von Licht für eine optische Anzeige und
optischen Input/Output, die für
den Menschen und seine Umgebung einfach zu verwenden sind, und der
Hartphotonik („hard
photonics"), die
nach ultimativen neuen Lichtquellen sucht und eine Technologie zur
Verwendung bei der optischen Messung entwickelt, verwendet werden.
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Ein
Lichtwellenleiter in einer optischen Speichereinheit wird beispielsweise
durch Verlegen einer Kernschicht mit einem Lichtwellenleiterschaltungsmuster
in einem Siliziumdioxidfilm auf einem Siliziumsubstrat gebildet.
In diesem Fall muß der
Siliziumdioxidfilm eine Dicke aufweisen, die zumindest nicht kleiner
als etwas mehr als zehn Mikrometer ist, wenn die Dicke der Kernschicht
beispielsweise so ausgewählt
wird, daß sie
fast dieselbe Größe wie die
einer verbundenen optischen Faser aufweist.
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Ein
typisches Verfahren zum Bilden des Siliziumdioxidfilms auf dem Siliziumsubstrat
kann durch ein bekanntes direktes thermisches Oxidationsverfahren
dargestellt werden. Durch das direkte thermische Oxidationsverfahren
wird der Siliziumdioxidfilm durch direktes thermisches Oxidieren
der Oberfläche des
Siliziumsubstrats gebildet. Die Dicke des gebildeten Films schwankt
im Verhältnis
zu der Oxidationszeit, wenn er eine geringe Dicke aufweist. Da die Oxidationsreaktion
jedoch durch den gebildeten Oxidfilm durchgeführt wird, nimmt die Bildung
des Films mit einer großen
Dicke eine Zeit in Anspruch, die einer Hälfte der Oxidationszeit entspricht.
Es ist daher schwierig, einen Film mit einer Dicke, die so groß wie etwas
mehr als zehn Mikrometer oder mehr ist, zu bilden. Um die Oxidationsgeschwindigkeit
zu erhöhen,
ist deshalb ein Hochdruckoxidationsverfahren in einer oxidierenden
Atmosphäre
von etwas mehr als zehn atm bis zu 25 atm in die Praxis umgesetzt
worden. Dieses Verfahren wird allerdings von solchen Barrieren wie
gesetzlichen Beschränkungen hinsichtlich
hoher Drücke
und hohen Anlagenkosten begleitet. Es ist daher ziemlich schwierig,
eine Siliziumdioxidschicht mit einer Dicke, die so groß wie etwas
mehr als zehn Mikrometer bis zu 100 Mikrometer oder mehr ist, zu
bilden.
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Um
die obigen Probleme zu lösen,
hat der betreffende Anmelder ein Verfahren zum Bilden eines Siliziumdioxidfilms
durch die Abscheidung von Polysilizium (japanische Patentanmeldung
Nr. 342893/2000 „Method
of Forming a Silicon Dioxide Film and Method of Forming Optical
Waveguide") entwickelt.
Mit diesem Verfahren wird eine Siliziumdioxidschicht einer gewünschten
Dicke durch Abscheiden von Polysilizium auf einem Siliziumsubstrat,
gefolgt von einer thermischen Oxidationsbehandlung, um einen Siliziumdioxidfilm
zu bilden, anschließendes
erneutes Abscheiden von Polysilizium auf dem so gebildeten Siliziumdioxidfilm,
gefolgt von einer thermischen Oxidationsbehandlung, um einen Siliziumdioxidfilm
zu bilden, und Wiederholen der obigen Vorgänge gebildet.
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Offenbarung der Erfindung:
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Mit
einer Bildung des Siliziumdioxidfilms durch die Abscheidung von
Polysilizium sind jedoch Probleme verbunden, die verbessert werden
müssen,
wie nachtstehend beschrieben.
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(1) Oberflächenrauhigkeit
des Siliziumdioxidfilms:
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Der
Siliziumdioxidfilm, gebildet durch die Abscheidung von Polysilizium,
weist ziemlich rauhe Oberflächen
auf. Wenn beispielsweise ein Siliziumdioxidfilm zum Bilden einer
Lichtwellenleiterkernschicht auf diesen Oberflächen abgeschieden wird, liegt
eine rauhe Oberfläche
an der Grenzfläche
vor, was eine Streuung von Licht bewirkt und die Wahrscheinlichkeit
eines zunehmenden optischen Verlusts erhöht. Wenn erforderlich, werden
die Oberflächen
des Siliziumdioxidfilms daher vor dem Bilden der Kernschicht geglättet, um
die Oberflächenrauhigkeit
zu verbessern.
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(2) Produktivität:
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Ein
dicker Film, gebildet durch die Abscheidung von Polysilizium, ist
zum Bilden eines Siliziumdioxidfilms auf einer großen Anzahl
von Wafern günstig.
Die Bildung des Films mit einer Dicke von beispielsweise etwas mehr
als zehn Mikrometern erfordert jedoch eine Dauer von mehreren Tagen,
obgleich dies noch schneller ist als das Verfahren, basierend auf
der direkten thermischen Oxidation. Bei Verwendung eines Gasphasenabscheidungsverfahrens
unter reduziertem Druck, das ein typisches Siliziumfilmabscheidungsverfahren
ist, muß eine
Fertigungsanlage verwendet werden, die unter stark reduziertem Druck
arbeitet. Es hat daher Bedarf an der Bereitstellung eines Produktionssystems
gegeben, das auf geeignete Weise die zahlreichen Anforderungen der
Abnehmer in bezug auf das Bilden des Siliziumdioxidfilms, die gewünschte Lieferzeit
und die Produktionsmenge und anderes erfüllen kann.
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Die
vorliegende Erfindung ist im Hinblick auf die vorstehend erwähnte Tatsache
erreicht worden, und ihr technischer Gegenstand ist es, ein Verfahren zum
Bilden eines Siliziumdioxidfilms bereitzustellen, das die sich wiederholenden
Schritte des Abscheidens einer Siliziumschicht auf einem Siliziumsubstrat und
dann des Unterziehens der Siliziumschicht einer thermischen Oxidationsbehandlung,
um einen Siliziumdioxidfilm einer vorbestimmten Dicke zu bilden, umfaßt, und
das eine geeignete Auswahl der Oberflächenrauhigkeit des gebildeten
Siliziumdioxidfilms und der Wachstumsrate des abgeschiedenen Siliziumfilms
ermöglicht.
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Als
ein Verfahren zum Bilden eines Siliziumdioxidfilms, um den obigen
technischen Gegenstand zu lösen,
wird gemäß der vorliegenden
Erfindung ein Verfahren zum Bilden eines Siliziumdioxidfilms bereitgestellt,
welches die Schritte umfaßt:
einen
Abscheidungsschritt des Abscheidens eines von epitaktischem Silizium
oder amorphem Silizium auf einem Siliziumsubstrat oder auf dem Siliziumdioxidfilm,
welcher auf dem Siliziumsubstrat durch eine thermische Oxidationsbehandlung
gebildet ist, und
einen thermischen Oxidationsschritt des Oxidierens des
Siliziumfilms durch Wärme,
um diesen in einen Siliziumdioxidfilm umzuwandeln,
wobei der
Schritt des Abscheidens und der Schritt der thermischen Oxidation
mehrfach wiederholt werden.
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Der
Siliziumfilm wird durch die Wahl einer von einer Abscheidung von
epitaktischem Silizium oder einer Abscheidung von amorphem Silizium
oder durch die Wahl einer Kombination dieser abgeschieden, so daß die Oberflächenrauhigkeit
und die Wachstumsrate des gebildeten Siliziumdioxidfilms auf geeignete
Weise verändert
werden können.
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Die
Dicke des pro einem Abscheidungsschritt gebildeten Siliziumfilms
ist nicht größer als
5 μm.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen:
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1 ist
eine graphische Darstellung der Schritte eines Verfahrens zum Bilden
eines Siliziumdioxidfilms gemäß der vorliegenden
Erfindung, und
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2 ist
eine Tabelle, die ein Beispiel der Ergebnisse des Experiments zeigt.
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Beste Weise zur Durchführung der
Erfindung:
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Ein
Verfahren zum Bilden eines Siliziumdioxidfilms gemäß der vorliegenden
Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf den Fall des Bildens eines
Siliziumdioxidfilms mit einer Dicke von 15 μm als ein Beispiel ausführlich beschrieben.
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(1) Thermische Oxidation
eines Siliziumsubstrats:
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Ein
Siliziumsubstrat 2, das in 1(a) dargestellt
ist, wird in einem Elektroofen durch Wärme oxidiert, um einen Siliziumdioxidfilm 4 auf
einer Oberfläche
des in 1(b) dargestellten Siliziumsubstrats 2 zu
bilden. Die thermische Oxidation wird gemäß einem Naßoxidationsverfahren, in dem
beispielsweise Wasserdampf verwendet wird, durchgeführt. Die Naßoxidation
kann bei einer Temperatur von 1.080 °C, die weit unter der des Schmelzpunkts
des Siliziumsubstrats 2 liegt, der 1.410 °C beträgt, durchgeführt werden,
ohne daß die
Behandlung unter einem hohen Druck erforderlich ist. In diesem Schritt
der thermischen Oxidation wird der Siliziumdioxidfilm mit einer
Dicke von beispielsweise 2 μm
gebildet.
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(2) Abscheidungsschritt:
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Wie
in 1(c) gezeigt, wird auf dem obigen Siliziumdioxidfilm
4 Polysilizium, epitaktisches Silizium oder amorphes Silizium durch
ein bekanntes chemisches Gasphasenabscheidungsverfahren (CVD-Verfahren)
abgeschieden, um einen Siliziumfilm 6 zu bilden. Als das
chemische Gasphasenabscheidungsverfahren wird ein typisches Gasphasenabscheidungsverfahren
unter reduziertem Druck verwendet. Die Wahl von Polysilizium, epitaktischem
Silizium oder amorphem Silizium und das Gasphasenabscheidungsverfahren
unter reduziertem Druck werden später beschrieben. In diesem
Schritt wird ein abgeschiedener Siliziumfilm mit einer Dicke von beispielsweise
1 μm gebildet.
Die Dicke des Films sollte nicht größer als 5 μm sein, so daß im anschließenden Schritt
der thermischen Oxidation eine hohe Oxidationsgeschwindigkeit erhalten
werden kann.
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(3) Schritt der thermischen
Oxidation:
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Wie
die thermische Oxidation des Siliziumsubstrats in (1) oben, wird
der Siliziumfilm 6 in dem Elektroofen durch Wärme oxidiert,
um, wie in 1(d) gezeigt, einen Siliziumdioxidfilm 8 derselben
Qualität
auf dem ersten Siliziumdioxidfilm 4 zu bilden. Der obige
Siliziumfilm 6 der Dicke von 1 μm wird aufgrund der Ausdehnung
des Volumens durch die thermische Oxidation in den Siliziumdioxidfilm 8 einer
Dicke von 3 μm
umgewandelt.
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(4) Wiederholung des Schritts
des Abscheidens und des Schritts der thermischen Oxidation:
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Wie
in 1(e) und 1(f) gezeigt,
werden der obige Schritt des Abscheidens und der Schritt der thermischen
Oxidation wiederholt, bis ein Siliziumdioxidfilm mit einer vorbestimmten
Dicke T von 15 μm gebildet
ist. Die Filmdicke T von 15 μm
wird durch fünfmaliges
Wiederholen des Schritts des Abscheidens bzw. des Schritts der thermi schen
Oxidation erhalten. Das heißt,
die thermische Oxidation des Substrats einer Dicke von 2 μm + (3 μm × 4) + (1 μm × 1) = 15 μm.
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Der
Endfilm der Dicke von 1 μm
wird durch thermisches Oxidieren des Siliziumfilms mit einer Dicke
von 0,3 μm
gebildet.
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(5) Abscheidung des Siliziums
durch das Gasphasenabscheidungsverfahren unter reduziertem Druck:
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Die
Abscheidung von Polysilizium, epitaktischem Silizium und amorphem
Silizium durch das Gasphasenabscheidungsverfahren unter reduziertem
Druck wird nun unter Bezugnahme auf 2, die ein
Beispiel der Ergebnisse des durch den betreffenden Erfinder durchgeführten Experiments
zeigt, beschrieben.
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(5-1) Abscheidung von
Polysilizium:
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Eine
Abscheidung von Polysilizium ermöglicht
die Bildung eines polykristallinen Siliziumfilms in einer Weise,
wie nachstehend beschrieben.
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Unter
den Bedingungen eines Monosilangases (SiH4)
von 100 %, 80 cm3/min, 570 °C und 100
Pa (0,75 Torr) wuchs der Film bei einer Rate von 0,0020 μm/min, und
die Oberflächenrauhigkeit
RMS nach der thermischen Oxidationsbehandlung betrug 20,5 nm.
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(5-2) Abscheidung von
epitaktischem Silizium:
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Eine
Abscheidung von epitaktischem Silizium ermöglicht die Bildung eines Films
aus polykristallinem Silizium durch das Wachstum von epitaktischem
Silizium in einer Weise, wie nachstehend beschrieben.
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Unter
den Bedingungen eines Monosilangases (SiH4)
von 20 %, 1.200 cm3/min, 1000 °C und 5320
Pa (40 Torr) wuchs der Film bei einer Rate von 1,06 μm/min, und
die Oberflächenrauhigkeit
RMS nach der thermischen Oxidationsbehandlung betrug 0,15 nm.
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(5-3) Abscheidung von
amorphem Silizium:
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Eine
Abscheidung von amorphem Silizium ermöglicht die Bildung eines amorphen
Films in einer Weise, wie nachstehend beschrieben.
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Unter
den Bedingungen eines Monosilangases (SiH4)
von 100 %, 80 cm3/min, 520 °C und 100
Pa (0,75 Torr) wuchs der Film bei einer Rate von 0,0013 μm/min, und
die Oberflächenrauhigkeit
RMS nach der thermischen Oxidationsbehandlung betrug 0,4 bis 0,7
nm. Es war möglich,
einen Film über
einen ziemlich großen
Bereich zu bilden.
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Folglich
kann, wenn eine Verbesserung der Oberflächenrauhigkeit des Siliziumdioxidfilms
während
des Bildens des Siliziumdioxidfilms einer vorbestimmten Dicke T
(15 μm)
erforderlich wird, der Siliziumfilm durch die Wahl von entweder
epitaktischem Silizium oder amorphem Silizium abgeschieden werden.
Zur Beschleunigung der Wachstumsrate des Siliziumfilms kann ein
epitaktisches Silizium gewählt werden.
Die Abscheidung von epitaktischem Silizium kann unter auf ein ziemlich
geringes Maß reduziertem
Druck durchgeführt
werden, weshalb die Vorrichtung ziemlich einfach ist. Wenn amorphes
Silizium abgeschieden wird, kann ein Film über einen ziemlich großen Bereich
gebildet werden.
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Nachstehend
werden Funktionen des vorstehend erwähnten Verfahrens zum Bilden
des Siliziumdioxidfilms beschrieben.
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(1) Oberflächenrauhigkeit
und Wachstumsrate des Siliziumdioxidfilms:
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Die
Abscheidung von epitaktischem Silizium oder die Abscheidung von
amorphem Silizium ermöglicht
die Verbesserung der Oberflächenrauhigkeit
des Siliziumdioxidfilms, was bei der Abscheidung von Polysilizium
ein Problem dargestellt hat. Das heißt, die Oberflächenrauhigkeit
(RMS) wird erheblich verbessert, und zwar im Fall von epitaktischem Silizium
auf 0,15 nm und im Fall von amorphem Silizium auf 0,4 bis 0,7 nm
im Vergleich zu 20,5 nm im Fall von Polysilizium. Ferner wird die
Wachstumsrate des Siliziumfilms erheblich verbessert, und zwar auf 1,06 μm/min, wenn
epitaktisches Silizium abgeschieden wird, im Vergleich zu 0,0020 μm/min, wenn
Polysilizium abgeschieden wird. Durch Abscheidung von epitaktischem
Silizium kann somit die Zeit für
das Filmwachstum verkürzt
werden.
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(2) Produktivität:
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Eines
von Polysilizium, epitaktischem Silizium oder amorphem Silizium
wird in geeigneter Weise zur Abscheidung ausgewählt, um auf dem Siliziumsubstrat
je nach den Anforderungen, wie der Herstellung in großen Mengen,
der Herstellung in kleinen Mengen, der zur Verwendung zur Verfügung stehenden
Anlage, der gewünschten
Lieferzeit, der gewünschten
Oberflächenbeschaffenheit
und den zu bildenden Oberflächengrößen, einen
dicken Siliziumdioxidfilm zu bilden.
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(3) Kombination von Siliziumabscheidungen:
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Ferner
kann während
des Bildens eines dicken Siliziumdioxidfilms in geeigneter Weise
Polysilizium, epitaktisches Silizium oder amorphes Silizium gegebenenfalls
in einer geeigneten Kombination abgeschieden werden.
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Gemäß dem Verfahren
zum Bilden eines Siliziumdioxidfilms, das durch die vorliegende
Erfindung bereitgestellt wird, kann ein Siliziumdioxidfilm mit einer
vorbestimmten Dicke durch Wiederholen der Schritte des Abscheidens
einer Siliziumschicht auf einem Siliziumsubstrat und dann des Unterziehens
der abgeschiedenen Siliziumschicht einer thermischen Oxidationsbehandlung,
um einen Siliziumdioxidfilm zu bilden, gebildet werden, und ferner
können
die Oberflächenrauhigkeit
des gebildeten Siliziumdioxidfilms und die Wachstumsrate des abgeschiedenen
Siliziumfilms in geeigneter Weise ausgewählt werden.