JP2006135316A - 半導体ウエハの処理方法及びシステム並びに半導体デバイスの製造方法 - Google Patents

半導体ウエハの処理方法及びシステム並びに半導体デバイスの製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】皮膜の品質を向上させた薄いゲート酸化皮膜のような絶縁皮膜或いは酸化皮膜が形成可能な半導体ウエハの処理方法を提供する。
【解決手段】酸化皮膜をプロセスチャンバ２０４内にて形成するために、ウエハ２１０を加熱するための熱源２１４に加えて、光源２１６により紫外線光等のような光のエネルギをウエハ２１０に照射することにより、皮膜の品質を向上させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、一般に、半導体製造方法に関し、特に処理中に絶縁皮膜を処理する方法に関する。
一般に、半導体デバイスは、最初に、Si、Ge及びGaAs等のバルク材料を、半導体基板或いはウエハとして提供することにより製造される。次に、処理チャンバ或いは反応チャンバ内にて、ドーパントを基板内に導入し、p-型或いはn-型領域を形成する。ドーパントは、熱拡散或いはイオン注入法により導入することができる。後者の方法では、注入されたイオンが、最初は格子間不純物として導入されるが、ドープされた領域が、ドーナ或いはアクセプタとして電気的に活性状態となるためには、格子内の置換型不純物として導入されなければならない。このような活性化処理は、バルクウエハを、６００℃から１３００℃の範囲で加熱することにより達成される。例えば、シリコンウエハを用いた場合、酸化シリコン等の絶縁皮膜が、電気的な界面を提供するように、成長或いは被着される。最後に、アルミニウムのような金属皮膜が、蒸着或いはスパッタリングにより被着される。
例えば、ゲートの絶縁に用いられる、このような薄い酸化物皮膜或いは絶縁皮膜の質は、半導体デバイスの製造技術に於いて、益々重要となってきている。電気的に消去可能なプログラマブルＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭ）、ＤＲＡＭ、或いはより最近の高速ロジックデバイス等のような、広範囲な商用デバイスは、高品質の極めて薄い酸化物皮膜を再現性良く製造し得る能力に強く依存する。このようなデバイスに於いては、速度及び寿命の点で、満足できる性能を発揮するためには、高品質の絶縁皮膜が必要とされている。
現在のゲート絶縁皮膜は、将来のデバイスに於ける必要を必ずしも満足するものとはなっていない。従来のゲート絶縁皮膜の多くは、熱酸化により形成された純粋な酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる。熱成長により形成された酸化シリコンに、高温被着された酸化シリコンを組み合わせたものもある。
半導体デバイスが小型化し、その構造の密度が高まるにつれて、ゲート酸化皮膜は、１５Åから２０Åのオーダの厚さにまで、一層薄いものが求められる。しかしながら、酸化皮膜が薄くなるに従って、特に、低品質の酸化皮膜の場合には、トンネル効果により電流のリークが問題となる。現在の酸化皮膜成長技術では、このような極めて薄い酸化物皮膜を可能とするような高い品質を確保することができない。一般に、酸化物皮膜の品質を向上する１つの方法としては、酸化皮膜を成長させるための温度或いは熱エネルギを高めることがある。その場合問題となるのは、温度を高めるに従って、他のドーパントも拡散することであり、それにより半導体デバイスの特性が悪影響を受ける。その反面、既に比較的低くされた熱エネルギを更に低めると、堆積特性或いは拡散特性が劣化する等の理由により、熱成長した酸化皮膜の特性が劣化する。このように、従来の熱処理では、一定した高品質を及び厚さを有するような酸化皮膜を形成することが困難であった。
純粋な酸化シリコン（ＳｉＯ２）は、形成されたときには集積特性が不十分であり、固有の物理的及び電気的な特性には限界があることから、薄い或いは極めて薄い酸化皮膜或いは絶縁皮膜を必要とするデバイスには適していない。また、ＳｉＯ２は、薄い皮膜として形成されたときには、均一にかつ欠陥なく形成され難いという問題もある。更に、後段ＶＬＳＩ処理では、既に脆弱な集積特性を有する薄いＳｉＯ２の劣化が継続して引き起こされる。しかも、純粋な酸化シリコンの皮膜は、界面形成及び電荷のトラッピングなどにより注入される電荷に暴露されると、劣化する傾向を有する。従って、薄い純粋なＳｉＯ２の皮膜は、将来のデバイスに於いて求められるような薄い皮膜としては、不十分である。
トンネル酸化皮膜では、酸化物内で電荷がトラッピングされることにより、降伏が引き起こされ、酸化皮膜に加わる電界が上昇し、やがて酸化皮膜が印加された電圧に耐えられなくなる。高品質の酸化皮膜は、それよりも時間当たりにトラッピングされる電荷の数が少ないことから、それだけ降伏に至るまでの時間が長くなる。従って、高品質の酸化皮膜が望まれる。
更に、一般に、酸化皮膜はアモルファスであって、酸化物の原子の近いもの同士では同様の構造を有するが、互いに距離が離れるに従って、構造の状態が予測不能となるように、弱い周期性を有する。酸化皮膜はまた、相手の欠落したペアやダングリングボンドを有する場合がある。イオンや電荷が存在すると、ダングリングボンドの存在が問題となり、デバイス間の性能に大きなばらつきができる。
このように、ダングリングボンドは、不活性とされるのが望ましい。その方法の１つとしては、ダングリングボンドを有する皮膜を水素に暴露することである。化学反応により、ダングリングボンドが不活性となる。しかしながら、この反応には高いエネルギが必要であり、そのためには、温度或いは熱エネルギを高めることが必要となる。高温下では酸化物が成長し、薄い筈の酸化皮膜の厚さを増大させてしまうという問題が引き起こされる。
このように、上記したような従来の技術の問題を克服するような、薄い酸化皮膜を形成することのできる方法が望まれている。
本発明のある側面によれば、紫外線光等のような光のエネルギが、絶縁皮膜或いは酸化皮膜を形成する間に及び又はそのような皮膜形成過程の前後に、皮膜に照射される。光源から提供される追加のエネルギは、プロセス温度が低いにも関わらず、高品質の皮膜を形成可能とする。
本発明の或る実施例では、１５０ｎｍから１μｍの範囲の波長を有する光源により、０．１ｍｓから３６００ｓの範囲の時間に渡って、０℃から１３００℃の範囲の温度及び０．００１ｍＴｏｒｒから１０００Ｔｏｒｒの範囲の圧力に於いて、約１Åから１０００Åの厚さを有する薄い酸化皮膜を形成するために、プロセスチャンバ内の半導体ウエハに対して、光エネルギが照射される。照射過程は、従来の薄膜形成過程と同時に、或いはその後に、その場で或いは別のチャンバで実行される。照射過程に関連して用いられるプロセスガスとしては、限定的ではないが、空気、Ｏ２、Ｎ２、ＨＣｌ、ＮＨ３、Ｎ２Ｈ４或いはＨ２Ｏ等がある。
本発明の或る実施例では、プロセスチャンバは、ウエハの上方に設けられたグリッドランプや、複数のランプ等からなる光源を有する。光源は、チャンバ上部の反射器とウエハとの間に配置される。光源は、ハロゲンランプ、水銀ランプ、キセノンランプ、アルゴンランプ、クリプトンランプ或いはカドミウムランプからなり、単一の連続的なランプでも、ランプ群からなるものであっても良い。或る実施例では、ウエハと光源との間には、ウィンドウが配置され、このウィンドウは、フィルタ作用を伴うものであっても、フィルタ作用を伴わないものであっても良い。プロセスガスがプロセスチャンバ内に導入される間に、サセプタ或いはホットプレートのような制御可能な熱源により、ウエハが加熱される。移送機構により、ウエハを、チャンバから出し入れしたり、チャンバ内で移動させることができる。プロセスチャンバ内の圧力は、約０．００１ｍＴｏｒｒから１０００Ｔｏｒｒの範囲で調節することができる。少なくとも１つガス出口／入口ポートにより、プロセスガスをチャンバに導入し、或いはチャンバから排出することができる。プロセスチャンバは、シングルウエハプロセスチャンバでも、ウエハバッチプロセスチャンバであっても良い。
熱エネルギと共に紫外線光を用いることにより、約１００ｎｍ以下の薄い皮膜として、絶縁皮膜或いは酸化皮膜を、高い品質レベルを確保しつつ形成することができる。低い温度が用いられることにより、好ましくない拡散による影響、電荷トラッピング或いはダングリングボンドを減少させることにより、酸化物の品質を向上させることができる。皮膜の電気的特性も向上する。シリコン−二酸化シリコン界面のような相手の欠落したペアの結合の数が大幅に低減される。本発明の更に別の利点としては、状態の好ましくない電気トラップ／ミッドギャップ密度の低減、好ましくないＳｉ−ＯＨ結合の低減、皮膜内のＨ２Ｏの低減等がある。
図１は、絶縁皮膜を形成するための本発明に基づく方法の実施例を示すフロー図である。ステップ１００では、半導体ウエハが処理チャンバ内に投入される。ウエハは、それに形成される皮膜に応じたものであれば、処理過程の様々な段階のものが混在しているものであっても良い。ステップ１０２では、処理チャンバ内に１つ又は複数のプロセスガスを導入することにより、ゲート酸化皮膜のような絶縁皮膜或いは酸化皮膜が形成される。プロセスガスは、ウエハ上に絶縁皮膜或いは酸化皮膜を形成するために用いられる。この形成プロセスは、化学蒸着(ＣＶＤ)、物理蒸着(ＰＶＤ)又は液体材料を用いたスピンコーティングによる酸化皮膜の成長又は被着からなる。適切なプロセスガスとしては、空気、Ｏ２、Ｎ２、ＨＣｌ、ＮＨ３或いはＨ２Ｏがある。チャンバ内の圧力及び温度は、プロセス及びシステムパラメータに応じて選択される。例えば、圧力は、０．００１ｍＴｏｒｒから１０００Ｔｏｒｒの範囲であって良く、温度は、０℃から１３００℃の範囲であって良い。或る実施例では、温度は８００℃以下であって良い。酸化皮膜の成長或いは被着プロセスは良く知られていることから、特定のプロセスパラメータについての記載を省略する。当業者であれば、皮膜の特定の特性に応じて、適切なプロセスパラメータを選択することができる。本発明の重要な特徴の１つは、薄い絶縁皮膜を形成する間に、皮膜の品質を高めるために温度をそれ程高める必要がないことである。
ステップ１０４では、ウエハに、光又はフォトンエネルギを照射する。或る実施例では、酸化皮膜を形成する間に、照射過程が実行される。別の実施例では、酸化皮膜を形成した後に、例えば、酸化皮膜を形成サイクルの間の硬化処理（ｃｕｒｉｎｇ）の際に、照射過程が実行される。このように、光源は、皮膜を形成する様々な過程に際して、様々な持続時間をもって点滅される。例えば、光源は、皮膜を形成する過程の最初から、皮膜を形成する過程の終了まで、連続的に点灯されたり、或いは、その間の１つ又は複数の時間に於いて点灯される。
更に、或る実施例では、ステップ１０４に於ける照射過程が、その場（同一のチャンバ内）で実行される。別の実施例では、照射過程が、ウエハを、皮膜被着用のチャンバから、同一の装置内の或いは別の装置内の別のチャンバに移送した後に行われるプロセスとして、別のチャンバ内で実行される。或る実施例では、光の波長は、可視領域及び紫外線（ＵＶ）領域に位置する１５０ｎｍから１μｍの範囲である。特に、紫外線は、３ｅＶ以上の比較的高いエネルギを有する。ステップ１０２及びステップ１０４に於いて絶縁皮膜が形成された後、当該半導体デバイスを製造するための必要に応じて、ステップ１０６に於いて処理過程が継続される。
図２は、本発明の好適実施例に基づく、プロセスリアクタ２００の単純化された断面図である。プロセスリアクタ２００は、アルミニウム等の金属からなり、ロードロックチャンバ等からなるプロセスチャンバ２０４を外囲するシェル２０２を含む。プロセスチャンバ２０４は、石英、シリコンカーバイド、Ａｌ２Ｏ３等の適切な材料からなるプロセス管をなすものであって良い。プロセスを実行するためには、プロセスチャンバ２０４は加圧可能であることを要する。通常、プロセスチャンバ２０４は、約０．００１ｍＴｏｒｒから１０００Ｔｏｒｒの範囲、好ましくは約０．１Ｔｏｒｒから７６０Ｔｏｒｒの範囲の内圧に耐え得るものであることを要する。プロセスチャンバ２０４の開口２０６は、ゲートバルブ２０８により閉じることができる。ゲートバルブ２０８は、例えば、ウエハの処理の間に、開口２０６を閉じ、ウエハをチャンバ２０４から出し入れする際には、開口２０６が閉じられる。ウエハ２１０を、例えばウエハカセットとチャンバ２０４との間で受け渡すために、ロボットアセンブリ或いは他の形式のアセンブリを用いることができる。
プロセスチャンバ２０４内には、処理の間にウエハ２１０を支持するためのウエハサポート２１２が配置されている。ウエハサポート２１２は、固定されているものでも、ウエハ２１０を、プロセスチャンバ２０４内で上下させたり、回転させたりするために可動にされたものでも良い。ウエハサポート２１２は、図示されているように、板状のものでも、或いは個別の隔離部材等、別の形式の支持体からなるものであって良い。プロセスチャンバ２０４内には、更に熱源２１４が、例えばウエハ２１０の下側に配置されている。熱源２１４は、サセプタ、ホットプレート或いはランプ等の任意の形式のものであって良い。ランプが用いられた場合には、単一のランプでも、その上方のウエハを均一に加熱し得るように、ウエハから或いは互いに間隔をおいて配置された複数のランプからなるアレイでも良い。
上記したように、処理の間に、ウエハに対して紫外線エネルギ等の光エネルギを照射するために、ウエハ２１０の上方に、光源２１６が配置されている。光源２１６は、単一の連続的なランプでも、ランプ群からなるものであっても良い。適切なランプの種類としては、ハロゲンランプ、水銀ランプ、キセノンランプ、アルゴンランプ、クリプトンランプ或いはカドミウムランプなどがある。光源の選択は、所望の光エネルギの種類或いは量を含む様々なファクタに基づいてなされる。例えば、タングステンハロゲンランプは、可視光及び紫外線を提供するために選択される。低圧、中圧或いは高圧水銀ランプは、様々な強度比のスペクトル線を提供する。ランプの起動及び動作は、任意の公知の方法により行うことができる。
光の波長或いは周波数は、プロセス及び形成される皮膜の種類などのファクタに基づいて調整される。或る実施例では、光の波長は、１５０ｎｍから１μｍの範囲から選択される。ウエハ２１０に入射される光の量を最大化するために、光源２１６の上方に反射器２１８を配置し、ウエハ２１０に向けて光を反射させている。反射器２１８を、光源２１６の外周に配置することもできる。別の実施例では、反射器２１８は、鏡、コーティングされたプロセスチャンバ２０４の内面或いはそれらの組み合わせからなる別体の反射器からなる。所望に応じて、フィルタを介して或いはフィルタを介することなく、処理過程の間にウエハ２１０に向けて光の透過を許容するウィンドウ２２０が、光源２１６とウエハ２１０との間に設けられる。従って、ウィンドウ２２０は、石英やＺｎＳｅからなる、フィルタ作用を伴う或いはフィルタ作用を伴わないウィンドウからなる。
本発明は、様々なプロセスチャンバ及びプロセスを用いて実施することができる。例えば、プロセスチャンバは、急速熱処理のためのシングルウエハチャンバであっても、或いは複数ウエハチャンバであっても良い。処理の種類も、熱アニール、ドーパント拡散、熱酸化、窒化、化学蒸着等様々であって良く、このような薄い絶縁皮膜を形成する過程の間に、光エネルギを照射することにより、形成される皮膜の品質を向上させる。
光エネルギを用いることの１つの利点は、サセプタ或いはホットプレートのような熱エネルギに比較して、エネルギレベルが高いことである。熱エネルギは効率が低いことから、電子エネルギに変換されたときに、そのエネルギレベルが低い。それに対して、可視光スペクトルの光エネルギは１ｅＶ以上のエネルギレベルに対応し、紫外線光スペクトルの光エネルギは３ｅＶ以上のエネルギレベルに対応する。このように、熱エネルギに加えて、光の形式をなす高エネルギが処理の間にウエハに提供される。光は、酸化皮膜或いは絶縁皮膜を成長させないが、そのような皮膜の品質を向上させる。それ以外の利点としては、電荷のトラッピングを抑制し、ダングリングボンドを減少させ或いは回避し、製造されたデバイスの特性を改善できることがある。
上記したような本発明の実施例は、単なる例示であって、本発明を何ら限定するものではない。例えば、上記した説明は、酸化皮膜或いは絶縁皮膜に関するものであったが、半導体の処理間に形成される他の種類の皮膜についても、本発明に基づいて光を照射することにより、有益な結果を得ることができる。このように、当業者であれば、本発明の広い概念から逸脱することなく、様々な変形変更を加えることができる。従って、添付の請求の範囲は、本発明の真の技術範囲内の様々な変形変更を包含するものである。
ウエハ上に絶縁皮膜を形成するための本発明に基づく方法の実施例を示すフロー図である。 図１に示された本発明の方法を実施するのに適する半導体ウエハの処理システムの一実施例を単純化して示す側面図である。
符号の説明
２００ プロセスリアクタ ２０２ シェル
２０４ プロセスチャンバ ２０６ 開口
２０８ ゲートバルブ ２１０ ウエハ
２１２ ウエハサポート ２１４ 熱源
２１６ 光源 ２１８ 反射器
２２０ ウィンドウ

Claims (33)

  1. 半導体ウエハの処理方法であって、
    プロセスチャンバ内に半導体基板を配置する過程と、
    前記プロセスチャンバ内にプロセスガスを導入する過程と、
    前記基板上に絶縁皮膜を形成する間に前記基板を加熱する過程と、
    前記絶縁皮膜の質を向上するために前記基板に光を照射する過程とを有することを特徴とする半導体ウエハの処理方法。
  2. 前記絶縁皮膜が酸化皮膜からなることを特徴とする請求項１に記載の処理方法。
  3. 前記酸化皮膜が約１Åから１０００Åの厚さを有する薄い酸化皮膜からなることを特徴とする請求項２に記載の処理方法。
  4. 前記光照射過程が、前記基板の上方に配置された光源により行われることを特徴とする請求項１に記載の処理方法。
  5. 前記光が、紫外線光からなることを特徴とする請求項１に記載の処理方法。
  6. 前記加熱過程が熱加熱からなることを特徴とする請求項１に記載の処理方法。
  7. 前記プロセスチャンバ内に第２の半導体基板を配置する過程と、
    前記第２の基板上に絶縁皮膜を形成する間に前記第２の基板に光を照射する過程とを更に有することを特徴とする請求項１に記載の処理方法。
  8. 前記加熱過程により、前記絶縁皮膜が成長することを特徴とする請求項１に記載の処理方法。
  9. 前記光照射過程が、前記絶縁皮膜を形成する間に行われることを特徴とする請求項１に記載の処理方法。
  10. 前記光照射過程が、前記絶縁皮膜を形成した後に行われることを特徴とする請求項１に記載の処理方法。
  11. 前記絶縁皮膜を形成した後であって、前記光照射過程を行う前に、前記基板を第２のプロセスチャンバ内に移送する過程を有することを特徴とする請求項１に記載の処理方法。
  12. 前記加熱過程及び前記光照射過程が、その場（ｉｎ ｓｉｔｕ）で行われることを特徴とする請求項１に記載の処理方法。
  13. プロセスチャンバ内にて半導体デバイスを製造するための方法であって、
    前記プロセスチャンバ内に半導体基板を配置する過程と、
    前記基板上に絶縁皮膜を形成する過程と、
    前記絶縁皮膜の質を向上するために前記基板に光を照射する過程とを有することを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
  14. 前記絶縁皮膜が酸化皮膜からなることを特徴とする請求項１３に記載の製造方法。
  15. 前記酸化皮膜が約１Åから１００００Åの厚さを有する薄い酸化皮膜からなることを特徴とする請求項１３に記載の製造方法。
  16. 前記光照射過程が、前記基板の上方に配置された光源により行われることを特徴とする請求項１３に記載の製造方法。
  17. 前記光が、１５０ｎｍから１μｍの範囲の波長を有することを特徴とする請求項１３に記載の製造方法。
  18. 前記絶縁皮膜形成過程が、前記基板を加熱し、少なくとも１つのプロセスガスを前記プロセスチャンバ内に導入する過程を含むことを特徴とする請求項１３に記載の製造方法。
  19. 前記加熱過程が熱加熱からなることを特徴とする請求項１８に記載の製造方法。
  20. 前記加熱過程により、前記絶縁皮膜が成長することを特徴とする請求項１８に記載の製造方法。
  21. 前記光照射過程が、前記絶縁皮膜を形成する間に行われることを特徴とする請求項１３に記載の製造方法。
  22. 前記光照射過程が、前記絶縁皮膜を形成した後に行われることを特徴とする請求項１３に記載の製造方法。
  23. 前記絶縁皮膜を形成した後であって、前記光照射過程を行う前に、前記基板を第２のプロセスチャンバ内に移送する過程を有することを特徴とする請求項１３に記載の製造方法。
  24. 前記加熱過程及び前記光照射過程が、その場（ｉｎ ｓｉｔｕ）で行われることを特徴とする請求項１３に記載の製造方法。
  25. 半導体ウエハの処理システムであって、
    プロセスチャンバと、
    前記プロセスチャンバ内にプロセスガスを導入するように構成されたガス配給システムと、
    処理される間の前記ウエハを支持するためのウエハサポートと、
    前記ウエハの下方に配置された加熱要素と、
    前記ウエハの上方に配置された照射光源とを有することを特徴とする処理システム。
  26. 前記基板上に絶縁皮膜を形成するように前記プロセスガスを選択することを特徴とする請求項２５に記載の処理システム。
  27. 前記光源が、ハロゲンランプ、水銀ランプ、キセノンランプ、アルゴンランプ、クリプトンランプ或いはカドミウムランプからなる群から選択されることを特徴とする請求項２５に記載の処理システム。
  28. 前記光源が、複数のランプを含むことを特徴とする請求項２５に記載の処理システム。
  29. 前記加熱要素が、熱加熱要素からなることを特徴とする請求項２５に記載の処理システム。
  30. 前記ウエハと前記光源との間に配置されたウィンドウを更に有することを特徴とする請求項２５に記載の処理システム。
  31. 前記ウィンドウがフィルタ作用を伴うウィンドウからなることを特徴とする請求項３０に記載の処理システム。
  32. 前記光源の上方に配置された反射器を更に有することを特徴とする請求項２５に記載の処理システム。
  33. 前記光源及び前記加熱要素が、いずれも前記ウエハ上に前記絶縁皮膜を形成する間に作動可能にされていることを特徴とする請求項２５に記載の処理システム。
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