JP2004260182A - 亜酸化窒素を用いるシリコンの低温酸化方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 酸素（１Ｄ）を用いるシリコンの酸化を提供すること。
【解決手段】 シリコン基板の低温酸化方法は、シリコンウェハを真空チャンバ内に配置する工程と、シリコンウェハを約２５℃〜約６００℃の間の温度に維持する工程と、Ｎ２Ｏガスを真空チャンバに導入する工程と、Ｎ２Ｏガスを約１７２ｎｍの波長で光を発生するキセノンレーザを用いて酸素（１Ｄ）に解離し、酸素（１Ｄ）をシリコンウェハ上に流す工程と、シリコンウェハの少なくとも一部分の上に酸化物層を形成する工程とを包含する。
【選択図】 図１

Description

（関連出願）
本願は、２００２年６月４日に出願された、「Ａ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｆｏｒｍｉｎｇ ａ ｈｉｇｈ ｑｕａｌｉｔｙ ｇａｔｅ ｏｘｉｄｅ ａｔ ｌｏｗ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ」という名称の米国特許出願第１０／１６４，９１９号に関連する。
（発明の分野）
本発明は、シリコン上での集積回路の製造、具体的には、シリコンの酸化によって形成される低温、高品質の二酸化シリコン層に関する。
従来のシリコンの酸化の技術では、例えば、Ｏ２、Ｎ２ＯまたはＮＯなどの酸化環境内で長時間、例えば、８００℃よりも高い高温を維持することが必要とされる。このような酸化の間、ＩＣ製造部品の拡散が基板内で起こり、一連の製造過程は、この拡散に対応するように調節される必要がある。膜の品質を犠牲にすることなく、ずっと低い温度で酸化を行うことができれば、本産業界にとって非常に大きな利益となる。（１００）シリコン上での酸化速度は、（１１１）シリコンの酸化速度と、事実上同じであるので、この酸化は、浅溝分離のためのコンフォーマル酸化の需要に対応し得る。低温酸化はまた、高温熱酸化物の代わりとして、従来のＣＭＯＳデバイスのゲート酸化物を提供し得る。
シリコンを製造目的のため低温で酸化する有効な方法は、現在のところは存在しない。低温でシリコンを酸化する公知の方法として、プラズマ酸化または放射状スロット線アンテナを用いる酸化がある。しかし、これらの方法は、シリコン表面に損傷を与え、酸化物の品質を低下させ得る、大量のイオン、およびラジカルを生成する。
非特許文献１は、酸素ラジカルを発生させる、ＵＶとオゾンとの組合せを報告している。しかし、これらのシステムにおいて用いられる気圧は、衝突によって、Ｏ（１Ｄ）が不活性化されてＯ（３Ｐ）状態になることを可能にする。従って、得られる結果は、Ｏ（１Ｄ）が不足していることによって、大幅に悪影響を受ける。それにもかかわらず、向上した酸化速度および化学量論的に良好な酸化物が報告されている。
非特許文献２は、電子サイクロトロン共鳴プラズマを用いた酸素および窒素ラジカルの生成について記載する。
非特許文献３は、マイクロ波励起されたＫｒ／Ｏ２プラズマによる酸素ラジカルの生成について記載する。
非特許文献４も、マイクロ波によるＫｒ／Ｏ２の励起について記載する。
非特許文献５は、レーザを用いたシリコンを酸化させる酸素原子の生成について記載する。
Ｎａｙｅｒ ｅｔ ａｌ．、「Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ， Ｌｏｗ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ（＜５００℃）ＵＶ／Ｏｚｏｎｅ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｉｌｉｃｏｎ」、Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、２６、２０５、１９９０ Ｗａｔａｎａｂｅ ｅｔ ａｌ．、「Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｉｎ ｕｌｔｒａｔｈｉｎ ｏｘｙｎｉｔｒｉｄｅ ｆｉｌｍｓ ｆｏｒｍｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｏｘｙｇｅｎ ａｎｄ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｒａｄｉｃａｌｓ」、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７６、２９４０、２０００ Ｓａｉｔｏ ｅｔ ａｌ．、「Ａｄｖａｎｔａｇｅ ｏｆ Ｒａｄｉｃａｌ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ Ｒｅｌｉａｂｌｉｔｙ ｏｆ Ｕｌｔｒａ−Ｔｈｉｎ Ｇａｔｅ Ｏｘｉｄｅ」、２０００ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ ＶＬＳＩ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、Ｔ１８−２、２０００ Ｈｉｒａｙａｍａ ｅｔ ａｌ．、「Ｌｏｗ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ Ｈｉｇｈ−Ｉｎｔｅｇｒｉｔｙ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｘｉｄｅ Ｆｉｌｍｓ ｂｙ Ｏｘｙｇｅｎ Ｒａｄｉｃａｌ Ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｉｎ Ｈｉｇｈ Ｄｅｎｓｉｔｙ Ｋｒｙｐｔｏｎ Ｐｌａｓｍａ」、ＩＥＤＭ Ｔｅｃｈ．Ｄｉｇ．、ｐ２４９、１９９９ Ｃｏｕｌｔｅｒ ｅｔ ａｌ．、「Ｎｏｎ−ｔｈｅｒｍａｌ ＳｉＯ２ ｆｉｌｍ ｇｒｏｗｔｈ ｏｎ Ｓｉ（１００） ｕｓｉｎｇ ｌａｓｅｒ−ｇｅｎｅｒａｔｅｄ Ｏ（１Ｄ） ａｎｄ Ｏ（３Ｐ）」、ＡＶＳ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ２００１
本発明の目的は、シリコンの低温酸化方法を提供することである。
本発明の他の目的は、酸素（１Ｄ）を用いるシリコンの酸化を提供することである。
本発明によるあるシリコン基板の低温酸化方法は、シリコンウェハを真空チャンバ内に配置する工程と、該シリコンウェハを約２５℃〜約６００℃の間の温度に維持する工程と、Ｎ２Ｏガスを該真空チャンバに導入する工程と、該Ｎ２Ｏガスを約１７２ｎｍの波長の光を発生させるキセノンレーザを用いてラジカル酸素（１Ｄ）に解離し、該ラジカル酸素（１Ｄ）を該シリコンウェハ上に流す工程と、該シリコンウェハの少なくとも一部分の上に酸化物層を形成する工程とを包含し、それにより、上記目的を達成する。
前記方法は、前記真空チャンバを約２０ｍＴｏｒｒ〜約１Ｔｏｒｒの間の圧力に維持する工程をさらに包含してもよい。
Ｎ２Ｏガスを真空チャンバに導入する前記工程は、約５ｓｃｃｍ〜約５０ｓｃｃｍの間のガス流量を提供する工程を包含してもよい。
シリコンウェハを約２５℃〜約６００℃の間の温度に維持する前記工程は、前記ウェハを前記真空チャンバ内で酸素（１Ｄ）と接触させて約１分から約１００分の間の期間維持する工程を包含してもよい。
約１分から約１００分の間の期間で、約１５Å〜約５０Åの間の厚さを有する酸化物層をシリコンウェハ上に形成する工程をさらに包含してもよい。
本発明による別のシリコン基板の低温酸化方法は、シリコンウェハを、内部に加熱可能なウェハチャックを有する真空チャンバ内に配置する工程と、該シリコンウェハを約２５℃〜約６００℃の間の温度に維持する工程と、Ｎ２Ｏガスを該真空チャンバに導入する工程と、該Ｎ２Ｏガスを約１７２ｎｍの波長の光を発生させるキセノンレーザを用いてラジカル酸素（１Ｄ）に解離し、該ラジカル酸素（１Ｄ）を該シリコンウェハ上に流す工程と、約１分から約１００分の間の期間で、該シリコンウェハの少なくとも一部分の上に酸化物層を形成する工程とを包含し、それにより、上記目的を達成する。
前記真空チャンバを約２０ｍＴｏｒｒ〜約１Ｔｏｒｒの間の圧力に維持する工程をさらに包含してもよい。
Ｎ２Ｏガスを真空チャンバに導入する前記工程は、約５ｓｃｃｍ〜約５０ｓｃｃｍの間のガス流量を提供する工程を包含してもよい。
約１５Å〜約５０Åの間の厚さを有する酸化物層をシリコンウェハ上に形成する工程をさらに包含してもよい。
本発明による別のシリコン基板の低温酸化方法は、シリコンウェハを、少なくとも約３５０℃まで加熱可能なウェハチャックを有する真空チャンバ内に配置する工程と、該シリコンウェハを約２５℃〜約６００℃の間の温度に維持する工程と、Ｎ２Ｏガスを該真空チャンバに導入する工程と、約１分から約１００分の間の期間、該Ｎ２Ｏガスを約１７２ｎｍの波長の光を発生させるキセノンレーザを用いてラジカル酸素（１Ｄ）に解離し、該ラジカル酸素（１Ｄ）を該シリコンウェハ上に流す工程と、該シリコンウェハの少なくとも一部分の上に約１５Å〜約５０Åの間の厚さを有する酸化物層を形成する工程とを包含し、それにより、上記目的を達成する。
前記真空チャンバを約２０ｍＴｏｒｒ〜約１Ｔｏｒｒの間の圧力に維持する工程をさらに包含してもよい。
Ｎ２Ｏガスを真空チャンバに導入する前記工程は、約５ｓｃｃｍ〜約５０ｓｃｃｍの間のガス流量を提供する工程を包含してもよい。
シリコン基板の低温酸化方法は、シリコンウェハを真空チャンバ内に配置する工程と、シリコンウェハを約２５℃〜約６００℃の間の温度に維持する工程と、Ｎ２Ｏガスを真空チャンバに導入する工程と、Ｎ２Ｏガスを約１７２ｎｍの波長の光を発生させるキセノンレーザを用いて酸素（１Ｄ）に解離し、酸素（１Ｄ）をシリコンウェハ上に流す工程と、シリコンウェハの少なくとも一部分の上に酸化物層を形成する工程とを含む。
本発明のこの要旨および目的は、本発明の性質についてのおおまかな理解を可能にするために提供される。本発明のより完全な理解は、以下の本発明の好適な実施形態の詳細な説明を図面と共に参照することによって得ることができる。
Ｎ２Ｏガスを約１７２ｎｍの波長の光を発生させるキセノンレーザを用いてラジカル酸素（１Ｄ）に解離し、解離したラジカル酸素（１Ｄ）をシリコンウェハ上に流すことによって、シリコンを低温で酸化することができる。
本発明の方法は、特に、Ｏ（１Ｄ）準安定状態の大量のラジカル酸素原子を発生させる。Ｏ（１Ｄ）は、Ｎ２Ｏの光解離によって生成され得ることが公知である。１９５ｎｍ未満の波長で照射されるＮ２Ｏは、Ｎ２およびＯが生成される単純な光解離工程においてＯ（１Ｄ）を生成する。Ｏ（１Ｄ）状態がグランドＯ（３Ｐ）状態よりも高エネルギーであるという事実によって、Ｏ（１Ｄ）は、Ｏ（３Ｐ）よりも、速く、かつ高い効率でシリコンを酸化する。関連出願の方法は、酸素のソースガスとしてＯ２／Ｏ３の利用について記載する。本明細書の方法は、Ｎ２Ｏをソースガスとして利用する。Ｎ２Ｏは、酸化物層を形成するが、酸化物層を成長させるためにより長い時間を必要とする。従って、本発明の方法は、酸化物層をよりゆっくりと成長させる工程を提供し、酸化物成長期間を長くすることが望ましい場合において有用である。
本発明の方法において用いられる装置全体を、参照符号１０を付けて図１に示す。１７２ｎｍの波長の光を発するエキシマーランプ１２は、酸化されるシリコンウェハ１６の表面の上の真空チャンバ１４内に配置される。エキシマーランプ１２は、キセノンベースのランプであり、手頃な価格で市販されている。このようなランプのうちの１つとして、Ｏｓｒａｍ Ｓｙｌｖａｎｉａ製のＸｅｒａｄｅｘ（登録商標）ランプがある。
Ｎ２Ｏの安定したフローが、吸気口１８を介してチャンバ１４に導入される。チャンバ１４における圧力は、スロットルバルブ２０によって制御される。スロットルバルブ２０は、チャンバとポンプシステムとの間に位置する。ウェハ１６は、加熱チャック２２上に位置する。チャック２２の温度は、約３５０℃まで上昇させることができる。ウェハとチャックとの間の熱連結は、良好ではないので、チャック温度が３５０℃に設定される場合、実際のウェハ温度は３００℃よりも低くなり得る。チャンバ圧は、約２０ｍＴｏｒｒ〜約１Ｔｏｒｒの間の範囲で制御される。Ｎ２Ｏフローは、約５ｓｃｃｍ〜約５０ｓｃｃｍの間で調節される。
（１Ｄ）状態における酸素の量は、チャンバに導入されるＮ２Ｏの量と、エキシマーランプからの光の強度と、ウェハ表面近傍にＯ（１Ｄ）が存在する持続時間との関数である。この環境にさらされる時間が長ければ長いほど、得られるウェハ上の酸化物は厚くなる。ウェハ温度２００℃、Ｎ２Ｏフロー１０ｓｃｃｍ、チャンバ圧５０ｍＴｏｒｒで製造される酸化物層の厚さを、図２に示す。
Ｏ（１Ｄ）ラジカルを用いるシリコンの酸化の温度への依存度は高くなく、実質的に、酸化物は室温でも発生し得る。温度を上昇させると、酸化速度には、わずかな向上が見られる。様々な温度で１０分間酸化した場合の温度依存度を、図３に示す。チャック設計のため、ウェハは、チャックと同じ温度には達しない。チャック設定点４００℃において、ウェハの温度は、チャック設定点よりも５０℃〜１００℃低い。図２および３に示すように、約１５Å〜約５０Åの間の厚さの酸化物層が、ウェハ温度、チャンバ圧、およびＮ２Ｏフローに依存して、約１分から約１００分の間の期間でウェハ上に形成される。
エキシマーランプ技術の進歩によって、別の波長を用いることも可能になる。他のエキシマーは、１２６ｎｍ、１４６ｎｍ、２２２ｎｍ、および３０８ｎｍの光を生成するが、Ｘｅ２が１７２ｎｍで生成する場合と比較するとそれほど効率的ではない。
ランプの現在の形は、ウェハまたはガスボリューム照明のためにより効率的な形になるように変更され得る。さらに、複数の現在のタイプのランプを用いて異なる方向に配向し、より高い光子束が得られ得る。
本発明によるシリコン基板の低温酸化方法は、シリコンウェハを真空チャンバ内に配置する工程と、シリコンウェハを約２５℃〜約６００℃の間の温度に維持する工程と、Ｎ２Ｏガスを真空チャンバに導入する工程と、Ｎ２Ｏガスを約１７２ｎｍの波長で光を発生するキセノンレーザを用いて酸素（１Ｄ）に解離し、酸素（１Ｄ）をシリコンウェハ上に流す工程と、シリコンウェハの少なくとも一部分の上に酸化物層を形成する工程とを含む。
以上、亜酸化窒素を用いるシリコンの低温酸化方法が開示された。この低温酸化方法に対するさらなる変更および改善が、添付の特許請求の範囲に記載の本発明の範囲内で為され得ることが理解され得る。本発明の好ましい実施形態を用いて本発明を例示してきたが、本発明は、この実施形態に限定して解釈されるべきものではない。本発明は、特許請求の範囲によってのみその範囲が解釈されるべきであることが理解される。当業者は、本発明の具体的な好ましい実施形態の記載から、本発明の記載および技術常識に基づいて等価な範囲を実施することができることが理解される。本明細書において引用した特許、特許出願および文献は、その内容自体が具体的に本明細書に記載されているのと同様にその内容が本明細書に対する参考として援用されるべきであることが理解される。
図１は、本発明の方法において低温酸化を達成するために用いられる装置の模式図である。 図２は、本発明の方法を用いた、酸化物の厚さを時間の関数として示すグラフである。 図３は、酸化物の厚さをチャック温度の関数として示すグラフである。
符号の説明
１０ 低温酸化装置
１２ エキシマーランプ
１４ 真空チャンバ
１６ シリコンウェハ
１８ 吸気口
２０ スロットルバルブ
２２ 加熱チャック

Claims (12)

  1. シリコン基板の低温酸化方法であって、
    シリコンウェハを真空チャンバ内に配置する工程と、
    該シリコンウェハを約２５℃〜約６００℃の間の温度に維持する工程と、
    Ｎ２Ｏガスを該真空チャンバに導入する工程と、
    該Ｎ２Ｏガスを約１７２ｎｍの波長の光を発生させるキセノンレーザを用いてラジカル酸素（１Ｄ）に解離し、該ラジカル酸素（１Ｄ）を該シリコンウェハ上に流す工程と、
    該シリコンウェハの少なくとも一部分の上に酸化物層を形成する工程と
    を包含する、方法。
  2. 前記真空チャンバを約２０ｍＴｏｒｒ〜約１Ｔｏｒｒの間の圧力に維持する工程をさらに包含する、請求項１に記載の方法。
  3. Ｎ２Ｏガスを真空チャンバに導入する前記工程は、約５ｓｃｃｍ〜約５０ｓｃｃｍの間のガス流量を提供する工程を包含する、請求項１に記載の方法。
  4. シリコンウェハを約２５℃〜約６００℃の間の温度に維持する前記工程は、前記ウェハを前記真空チャンバ内で酸素（１Ｄ）と接触させて約１分から約１００分の間の期間維持する工程を包含する、請求項１に記載の方法。
  5. 約１分から約１００分の間の期間で、約１５Å〜約５０Åの間の厚さを有する酸化物層をシリコンウェハ上に形成する工程をさらに包含する、請求項１に記載の方法。
  6. シリコン基板の低温酸化方法であって、
    シリコンウェハを、内部に加熱可能なウェハチャックを有する真空チャンバ内に配置する工程と、
    該シリコンウェハを約２５℃〜約６００℃の間の温度に維持する工程と、
    Ｎ２Ｏガスを該真空チャンバに導入する工程と、
    該Ｎ２Ｏガスを約１７２ｎｍの波長の光を発生させるキセノンレーザを用いてラジカル酸素（１Ｄ）に解離し、該ラジカル酸素（１Ｄ）を該シリコンウェハ上に流す工程と、
    約１分から約１００分の間の期間で、該シリコンウェハの少なくとも一部分の上に酸化物層を形成する工程と
    を包含する、方法。
  7. 前記真空チャンバを約２０ｍＴｏｒｒ〜約１Ｔｏｒｒの間の圧力に維持する工程をさらに包含する、請求項６に記載の方法。
  8. Ｎ２Ｏガスを真空チャンバに導入する前記工程は、約５ｓｃｃｍ〜約５０ｓｃｃｍの間のガス流量を提供する工程を包含する、請求項６に記載の方法。
  9. 約１５Å〜約５０Åの間の厚さを有する酸化物層をシリコンウェハ上に形成する工程をさらに包含する、請求項７に記載の方法。
  10. シリコン基板の低温酸化方法であって、
    シリコンウェハを、少なくとも約３５０℃まで加熱可能なウェハチャックを有する真空チャンバ内に配置する工程と、
    該シリコンウェハを約２５℃〜約６００℃の間の温度に維持する工程と、
    Ｎ２Ｏガスを該真空チャンバに導入する工程と、
    約１分から約１００分の間の期間、該Ｎ２Ｏガスを約１７２ｎｍの波長の光を発生させるキセノンレーザを用いてラジカル酸素（１Ｄ）に解離し、該ラジカル酸素（１Ｄ）を該シリコンウェハ上に流す工程と、
    該シリコンウェハの少なくとも一部分の上に約１５Å〜約５０Åの間の厚さを有する酸化物層を形成する工程と
    を包含する、方法。
  11. 前記真空チャンバを約２０ｍＴｏｒｒ〜約１Ｔｏｒｒの間の圧力に維持する工程をさらに包含する、請求項１０に記載の方法。
  12. Ｎ２Ｏガスを真空チャンバに導入する前記工程は、約５ｓｃｃｍ〜約５０ｓｃｃｍの間のガス流量を提供する工程を包含する、請求項１０に記載の方法。
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