JP4124675B2 - シリコンウェハを低温酸化する方法およびその装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコン上への集積回路の製造に関する。より詳細には、本発明は、シリコンウェハ上に低温・高品質な二酸化シリコン層を提供する方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のシリコン酸化の技術は、Ｏ２、Ｎ２ＯまたはＮＯ等の酸化雰囲気中で長時間にわたる高温（例えば、８００℃を越える温度）を必要とする。このような酸化中には基板内で元素の拡散が生じる。したがって、このような拡散に対応するように、製造シーケンスを調整する必要がある。品質を落とすことなく極めて低温で酸化を実行することができれば、半導体産業に多大な利益をもたらすことになる。
【０００３】
シリコンの熱酸化は、シリコン結晶方位に応じて異なる酸化速度を有する。乾燥Ｏ２雰囲気中、９００℃で１時間の条件の場合、シリコン（１１１）上に成長するシリコン酸化物層は３０ｎｍである。一方、同じ時間で同じ温度の場合、シリコン（１００）上に成長するシリコン酸化物層は約２１ｎｍ程度である。９００℃で１時間湿式酸化を行った場合、シリコン（１１１）上に成長するシリコン酸化物層は約２１５ｎｍであるが、シリコン（１００）上には１５０ｎｍ程度である。浅トレンチ分離のための酸化を考えた場合、シリコン結晶方位に基づくこれらの差は重要となる。
【０００４】
また、高温酸化によってシリコン界面に積層欠陥が生じることが知られている。このような欠陥によるデバイス特性への影響を最小にするために大掛かりなアニーリング工程が必要である。この工程によって、ゲート酸化物を形成するための処理時間および処理コストが増加する。
【０００５】
製造を目的とした低温シリコン酸化を可能にする方法は現在のところ存在しない。プラズマ酸化またはラジアルスロットラインアンテナを用いた酸化等の低温でシリコンを酸化する公知の方法がある（例えば、非特許文献１および２参照。）。非特許文献１には、低イオン照射および高プラズマ濃度によって約４００℃でシリコン上に成長させた酸化物について記載されている。非特許文献２には、ラジアルスロットラインアンテナを用いたプラズマ酸化による酸化物の形成が記載されている。しかしながら、これらの方法は、大量のイオンおよびラジカルを生成する。このようなラジカルは、シリコンの表面にダメージを与え、酸化物の品質を下げる可能性がある。
【０００６】
オゾン（または紫外光を用いたオゾン）を用いた酸化も報告されている（例えば、非特許文献３および４参照。）。しかしながら、このオゾン酸化によって得られる膜の厚さは、自己制御されていることが分かっている。非特許文献３には、２００℃〜５００℃の範囲の温度で紫外光を用いてＮ２Ｏを光解離することが記載されている。非特許文献４には、約４０Å厚の超薄酸化物層が、５００℃未満の温度で紫外光によってＯ３を光解離することによってシリコン基板上に形成されることが記載されている。
【０００７】
オゾンは、紫外光によって光解離され、酸素ラジカルを生成し得る。しかしながら、システムで用いられる雰囲気圧によっては、酸素ラジカルは、衝突して再結合し、オゾンになる可能性がある。したがって、反応性酸素ラジカルが欠損するという深刻な問題が生じる。それにもかかわらず、最新技術のプロセスに比べて、向上した酸化速度および良好な化学量論組成の酸化物が得られる。関連するキセノンエキシマレーザを用いた方法もある。上記方法では、Ｏ２、Ｎ２ＯまたはＮＯをキセノンエキシマレーザによって光解離させ、酸素ラジカルＯ（１Ｄ）またはＯ−イオンを生成する。
【０００８】
【非特許文献１】
Ｈｉｒａｙａｍａら、「Ｌｏｗ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ Ｈｉｇｈ−Ｉｎｔｅｇｒｉｔｙ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｘｉｄｅ Ｆｉｌｍｓ ｂｙ Ｏｘｙｇｅｎ Ｒａｄｉｃａｌ Ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｉｎ Ｈｉｇｈ−Ｄｅｎｓｉｔｙ Ｋｒｙｐｔｏｎ Ｐｌａｓｍａ」、ＩＥＤＭ Ｔｅｃｈ． Ｄｉｇ． ｐ２４９、（１９９９）
【非特許文献２】
Ｓａｉｔｏら、「Ａｄｖａｎｔａｇｅ ｏｆ Ｒａｄｉｃａｌ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆＵｌｔｒａ−Ｔｈｉｎ Ｇａｔｅ Ｏｘｉｄｅ」、２０００ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ ＶＬＳＩ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、Ｔ１８−２（２０００）
【非特許文献３】
Ｉｓｈｉｋａｗａら、「Ｌｏｗ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｉｌｉｃｏｎ ｉｎ Ｎ２Ｏ ｂｙ ＵＶ ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ」、Ｊｐｎ． Ｊ． ｏｆ Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ．、２８、Ｌ１４５３（１９８９）
【非特許文献４】
Ｎａｙｅｒら、「Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ， Ｌｏｗ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ （＜５００℃） ＵＶ／Ｏｚｏｎｅ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｉｌｉｃｏｎ」、Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、２６、２０５（１９９０）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、６００℃未満の温度でシリコン基板上に酸化物層を形成することである。
【００１０】
本発明のさらなる目的は、キセノンエキシマレーザを用いてＯ２またはＯ３を光解離させ、酸素フリーラジカルを提供することである。
【００１１】
本発明のさらなる目的は、微少な負電圧をシリコンウェハに印加することによって酸化物の成長を促進する方法を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明によるシリコンウェハを低温酸化する方法は、真空チャンバに該シリコンウェハを配置する工程と、室温〜３５０℃の範囲の温度で該シリコンウェハを維持する工程と、酸化性ガスを該真空チャンバに導入する工程と、１７２ｎｍの波長を有する光を生成するキセノンレーザを用いて該酸化性ガスを酸素ラジカルに分解し、５〜１０ボルトの範囲の負電位を該シリコンウェハに印加しながら、該酸素ラジカルを該シリコンウェハの上に流す工程と、該シリコンウェハの少なくとも一部の上に酸化物層を形成する工程とを包含し、これにより上記目的を達成する。
前記方法は、４０ｍＴｏｒｒ〜９０ｍＴｏｒｒの範囲の圧力で前記真空チャンバを維持する工程をさらに包含してもよい。
前記酸化性ガスは、２ｓｃｃｍ〜５０ｓｃｃｍの範囲のガス流量で前記真空チャンバに導入されてもよい。
前記酸化性ガスは、Ｏ ２ およびＯ ３ からなる酸化性ガス群から選択されてもよい。
前記方法は、前記酸化物層を形成した後に、６００℃〜７５０℃の範囲の温度で、１〜１０分間、不活性雰囲気中で前記シリコンウェハおよび前記酸化物層をアニールする工程をさらに包含してもよい。
本発明によるシリコンウェハを低温酸化する装置は、真空チャンバに該シリコンウェハを配置する手段と、室温〜３５０℃の範囲の温度で該シリコンウェハを維持する手段と、酸化性ガスを該真空チャンバに導入する手段と、１７２ｎｍの波長を有する光を生成するキセノンレーザを用いて該酸化性ガスを酸素ラジカルに分解し、５〜１０ボルトの範囲の負電位を該シリコンウェハに印加しながら、該酸素ラジカルを該シリコンウェハの上に流す手段と、該シリコンウェハの少なくとも一部の上に酸化物層を形成する手段とを含み、これにより上記目的を達成する。
前記装置は、４０ｍＴｏｒｒ〜９０ｍＴｏｒｒの範囲の圧力で前記真空チャンバを維持する手段をさらに含んでもよい。
前記酸化性ガスは、２ｓｃｃｍ〜５０ｓｃｃｍの範囲のガス流量で前記真空チャンバに導入されてもよい。
前記酸化性ガスは、Ｏ ２ およびＯ ３ からなる酸化性ガス群から選択されてもよい。
前記装置は、前記酸化物層を形成した後に、６００℃〜７５０℃の範囲の温度で、１〜１０分間、不活性雰囲気中で前記シリコンウェハおよび前記酸化物層をアニールする手段をさらに含んでもよい。
【００２５】
上述の本発明の課題を解決するための手段および目的は、本発明の本質を素早く理解できるように設けられている。添付の図面とともに以降の発明の好適な実施の形態の詳細な説明を参照すれば、本発明をより完全に理解することができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
（関連出願）
本願は、「Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｌｏｗ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｉｌｉｃｏｎ」と称する２００２年６月４日に出願された米国特許出願第１０／１６４，９２４号に関する。
【００２７】
本発明の原理を説明する。
【００２８】
本発明では、酸化されるシリコン層の表面上または表面近傍に多量の酸素ラジカルを生成する技術が用いられる。ラジカルは、Ｏ２、Ｏ３、または、任意の比率のＯ２とＯ３との混合物のいずれかを光分解することによって生成される。酸素ラジカルを生成するために、本明細書で用いられる光源は、約１７２ｎｍの波長（すなわち、７．２１ｅＶのフォトンエネルギー）で、約３ｍＷ／ｃｍ２〜２０ｍＷ／ｃｍ２の出力の光を効率的に発するキセノンエキシマランプである。
【００２９】
酸素（Ｏ２）の場合、Ｏ−Ｏ結合エネルギーは５．２ｅＶである。したがって、キセノンエキシマランプのフォトンエネルギーは、Ｏ−Ｏ結合を切断して、一対の原子酸素ラジカルを生成するに十分である。
【００３０】
オゾン（Ｏ３）の場合、Ｏ２−Ｏ間の結合は極めて弱く、容易に切断される。１つのオゾン（Ｏ３）から１つの原子酸素ラジカルが生成される。このようにして生成される酸素ラジカルは、シリコンとの反応性が高い。
【００３１】
一方、Ｏ２およびＯ３のイオン化ポテンシャルは、それぞれ、１２．０６ｅＶおよび１２．３ｅＶである。それゆえ、キセノンエキシマランプによる光によって、気相の基底電子状態の種からイオンを生成するには、エネルギーが不十分である。また、酸素原子のイオン化ポテンシャルは１３．６２ｅＶであり、上述したから原子酸素からイオンを生成するのは困難である。Ｏ２／Ｏ３混合物を系に流す場合、オゾンが優先的にシリコン表面に吸着し、高濃度またはほぼ純Ｏ３フローを生成し得ることは、周知である。
【００３２】
このようなイオン化が困難なオゾン等からの酸素イオンの生成について説明する。シリコンの仕事関数は約４．９ｅＶである。したがって、７．２ｅＶのフォトンエネルギーを有する光が、シリコンウェハに衝突すると、２．３ｅＶのエネルギーを有する電子（すなわち、光電子）がシリコンウェハから放出される。これらの電子（光電子）は、シリコンウェハ表面上に存在する高濃度のオゾンによって容易に捕獲され、Ｏ２およびＯ−に分裂する。Ｏ−イオン（酸素イオン）は、シリコンとの反応性が高いことが報告されている。
【００３３】
シリコンウェハ表面上にウェハチャックを介して電位を印加することによって、光電子のエネルギーを制御することができる。負電位は、必要なフォトンエネルギー、および、光電子エネルギーを増加させる。ウェハチャックに適切なバイアスを印加することによって、Ｏ−を形成するためのＯ３の解離電子付着断面が最大となり、その結果、酸化速度が増大し得る。
【００３４】
結晶格子におけるＳｉ−Ｓｉ結合の強度は約３．５ｅＶである。それゆえ、高真空における紫外光によって、結合が切断され、酸化物とシリコンとの界面近傍に薄いアモルファスシリコン層が生成される。一方、Ｓｉ−Ｏ結合は８．３ｅＶであり、この結合は紫外光によって切断されない。この薄いアモルファス層が再結晶化されない場合、キャリア移動度が低下して、デバイス性能が損なわれることになる。不活性ガス雰囲気中で約６００℃〜７５０℃の範囲の温度における、短時間（例えば、１〜１０分）のアニールは、シリコンを再結晶化させ、高キャリア移動度を回復するに十分である。
【００３５】
本発明によれば、Ｏ３およびＯ２を光解離するために、キセノンエキシマレーザを用い、シリコンとの反応性の高い酸素ラジカルまたはＯ−イオン（反応性酸素種）を低温にて生成する。さらに、ウェハチャックに負電位を印加することによって、キセノンエキシマレーザのフォトンエネルギーを制御して、酸化速度を増大させる。
【００３６】
次に、図面を参照して、本発明を詳細に説明する。
【００３７】
図１は、本発明の方法を実行する装置１０を示す。装置１０は真空チャンバ１２を備える。真空チャンバ１２は、テフロン（Ｒ）製の上部表面１２Ｔ、陽極酸化アルミニウム壁１２Ｗおよび下部１２Ｂを有する。真空チャンバを構成する材料は、陽極酸化アルミニウム、ステンレス鋼、石英、ガラス、セラミクス、および、シリコン酸化技術で通常用いられない他の材料であり得る。
【００３８】
真空チャンバ１２は、ウェハ保持チャック１８と、キセノンエキシマランプ１４とを有する。真空チャンバ１２には、ロードロック１７が設けられている。ウェハ１６は、このロードロック１７を介して真空チャンバ１２内に導入され、ウェハ保持チャック１８上の適切な位置に配置される。
【００３９】
ウェハ１６をパターニングして、ウェハ１６の特定の領域を酸化してもよいし、または、ウェハ１６全体を酸化してもよい。したがって、ウェハ１６は、シリコン基板を含み得る。
【００４０】
キセノンエキシマランプ１４は、少なくとも部分的に酸化されるウェハ（シリコンウェハ）１６の表面上に配置されている。キセノンエキシマランプ１４は、また、セラミックシリンダ２０内に配置される。このキセノンエキシマランプ１４は、（すなわち、７．２１ｅＶのフォトンエネルギー）で、約３ｍＷ／ｃｍ２〜２０ｍＷ／ｃｍ２の出力の光を発する。キセノンエキシマランプは、比較的低価格の市販の製品（例えば、Ｏｓｒａｍ Ｓｙｌｖａｎｉａが製造しているＸｅｒａｄｅｘＴＭ）であり得る。
【００４１】
真空チャンバ１２には、吸気マニホルド２２と、スロットルバルブおよびターボポンプ２４とが設けられている。吸気マニホルド２２を介して、酸化性ガス（好適な酸化性ガスはＯ２またはＯ３である）が、約２ｓｃｃｍ〜５０ｓｃｃｍの流量で真空チャンバ１２内に導入される。導入された酸化性ガスは、スロットルバルブおよびターボポンプ２４によって真空チャンバ１２から排気される。この場合、約４０ｍＴｏｒｒ〜９０ｍＴｏｒｒの範囲のチャンバ圧が維持される。
【００４２】
キセノンエキシマランプ１４は、大量のフォトン束を生成する光源である。フォトンは、１）Ｏ（３Ｐ）およびＯ（１Ｄ）ラジカルを形成するための酸化性ガスの解離、および／または、２）シリコン表面からの光電子の放出（この光電子は、酸化性ガスと反応して、シリコンウェハに隣接する領域にＯ−イオンを形成する）によってシリコンの酸化を発生させると考えられている。
【００４３】
４００℃未満で行われる酸化の場合、不純物の拡散は無視できる。これにより、プラスチック基板等の材料への酸化が可能となる。
【００４４】
図２は、本発明によるシリコンウェハを低温酸化する方法を示すフローチャートである。次に、図１の装置１０を用いたシリコンウェハ１６の低温酸化のプロセスを工程ごとに説明する。
【００４５】
工程Ｓ２０１：真空チャンバ１２にシリコンウェハ１６を配置する。シリコンウェハ１６は、ウェハ保持チャック１８上の適切な位置に配置される。
【００４６】
工程Ｓ２０２：シリコンウェハ１６を約室温〜３５０℃の温度に維持する。このような温度設定は、加熱可能なウェハ保持チャック１８によって達成される。ウェハ保持チャック１８は、最高約４００℃の温度を発生させることができる。しかしながら、ウェハ保持チャック１８の設計により、ウェハ１６が、チャックと同じ温度に達することはない。温度オフセットは、チャック設定点４００℃で最大で１６０℃程度であり得る。したがって、ウェハ１６は、酸化時には、約室温〜４００℃の範囲の温度で保持され得るが、実際には２４０℃程度の温度を有し得る。ウェハ１６の保持温度は、好ましくは、約室温〜３５０℃であり得る。
【００４７】
工程Ｓ２０３：酸化時に、一様の酸化性ガスフローが真空チャンバ１２に導入される。酸化性ガスは、Ｏ２およびＯ３からなる酸化性ガス群から選択される。真空チャンバ１２内の圧力は、チャンバとポンプ系との間に位置するスロットルバルブによって制御される。真空チャンバ１２内の圧力は、約４０ｍＴｏｒｒ〜９０ｍＴｏｒｒに維持される。酸化性ガスの流量は、約２ｓｃｃｍ〜５０ｓｃｃｍの範囲であり得る。
【００４８】
工程Ｓ２０４：キセノンエキシマランプ１４からの光（レーザ）を酸化性ガスおよびシリコンウェハ１６に照射する。例えば、酸化性ガスがＯ２の場合、キセノンエキシマランプ１４が発する光のフォトンエネルギーによって、Ｏ２は解離され、ラジカル酸素原子Ｏ（１Ｄ）を生成する。その後、このラジカル酸素は、シリコンウェハ１６と反応して酸化物領域（酸化物層）を生成する。また、キセノンエキシマランプ１４が発する光のフォトンエネルギーによって、シリコンウェハ１６の表面から光電子が放出される。光電子は酸化性ガスと反応して、Ｏ−イオンを生成する。このＯ−イオンは、シリコンウェハ１６と反応して酸化物領域（酸化物層）を形成する。
【００４９】
工程Ｓ２０１〜Ｓ２０４によってシリコンウェハ１６上に酸化物層が形成される。
【００５０】
なお、酸化物領域が形成された後、約６００℃〜７５０℃の温度範囲で、約１〜１０分間、不活性雰囲気中でシリコンウェハ１６および上に形成された酸化物領域をアニールしてもよい。これにより、シリコンウェハ１６と酸化物層との界面に生成され得るアモルファスシリコンは再結晶化される。
【００５１】
再度図１を参照して、電圧源（図示せず）を用いて、シリコンウェハ１６に微少な正電位を印加することによって、酸化速度は下がる。実験結果によれば、シリコンウェハ１６に微少な負電位を印加することによって酸化速度が十分に上がることが分かっている。シリコンウェハ１６をウェハ保持チャック１８から電気的に浮遊（絶縁）している場合、光電子の放出時にシリコンウェハ１６の正電位が増加する。シリコンウェハ１６がウェハ保持チャック１８に電気的に接地されている場合、シリコンウェハ１６は電気的に中性となり、酸化プロセスの速度が増大するのが認められた。シリコンウェハ１６に負電位を印加すると、光電子のエネルギーおよび量ともに増大した。これらはともに、酸化速度の増大に寄与し得る。
【００５２】
標準的な１０分間の酸化プロセスの例を説明する。シリコンウェハ１６をウェハ保持チャック１８に接地させた場合、３１Åの厚さを有する酸化物層が形成された。シリコンウェハ１６をウェハ保持チャック１８から絶縁させた場合、同じ時間で、１５Åの厚さを有する酸化物層が形成された。Ｏ３と光電子とが反応して、Ｏ２およびＯ−を形成する確率は、光電子エネルギーが９ｅＶに達するまで光電子エネルギーの増大とともに高くなることが知られている。シリコンウェハ１６をウェハ保持チャック１８に接地させた場合の光電子エネルギーは２．３ｅＶ程度にすぎない。シリコンウェハ１６にウェハ保持チャック１８を介して約５〜１０ボルトの負バイアス（負電位）２６を印加することによって、シリコンウェハ１６が放出する光電子エネルギーは増大し、酸化物の成長速度も増大する。この結果、１０分間の酸化プロセスを約３〜４分間で終了させることができる。なお、このような負電位の印加は、図２の工程Ｓ２０４において行われ得る。
【００５３】
ウェハ表面近傍の酸素量は、真空チャンバ中のＯ２およびＯ３の濃度、真空チャンバの全圧および表面近傍の光分解用光強度に依存している。Ｏ２を用いた酸化は、Ｎ２Ｏを用いた酸化に比べて効率的である。これは、恐らく、Ｎ２Ｏは１分子あたり１酸素原子を生成するが、Ｏ２は１分子あたり２酸素原子を生成することができるからである。得られる酸化物厚は、予想される酸素ラジカル濃度に比例しない。したがって、基板表面における酸化速度はほぼ飽和点に達していると考えられる。
【００５４】
次に、具体的な実験結果を示す。
【００５５】
図３は、チャック温度を変数とした酸化物の厚さの比較３０を示す。トレース３２およびトレース３４は、いずれも酸素ラジカルを用いたシリコン酸化の結果である。トレース３２は、４ｓｃｃｍのＯ２フローで、５０ｍＴｏｒｒのチャンバ圧において１０分間酸化した結果である。トレース３４は、１０ｓｃｃｍのＮ２Ｏフローで、５０ｍＴｏｒｒのチャンバ圧において１０分間酸化した結果である。図３から、シリコンの酸化に温度依存性はほとんどないことが分かる。酸化物は実質的に室温でさえ生成される。高温において、酸化物の成長速度にわずかであるが上昇が見られる。
【００５６】
次に、ゲート酸化物に適用するための、薄い酸化膜と熱酸化物との品質を比較した。単一のキャパシタ構造を製造して、バルク電荷トラップ、界面トラップおよび破壊特性を測定した。スパッタリングされたＴｉＮゲート（パターニングおよびエッチング処理済み）を有するｐ型プライムウェハに酸化を行った。次いで、４５０℃で形成ガスアニールを行った。ＨＦエッチングをしてウェハの裏面に形成された酸化物をすべて除去した後、電気測定を行った。
【００５７】
図４は、形成ガスアニール前に測定したＪ−Ｖ（電流密度−電圧）特性４０を示す。トレース４２は、従来の熱酸化の結果である。トレース４４、４６、４８および４９は、２０分間Ｏ２酸化性ガスおよび酸素ラジカルを用いた本発明による方法の結果である。０〜−３Ｖ、０〜−４Ｖ、０〜−５Ｖおよび０〜−６Ｖのシーケンシャルスキャンを行い、応力誘起リーク電流（ＳＩＬＣ）の影響を測定した。この製造条件では、ラジカルによって生成された酸化物は、大きなＳＩＬＣのトレースを示すが、高電界側では低リーク電流を示した。形成ガスアニール後、薄いＴｉＯ２層がＴｉＮゲート上に形成された。このＴｉＯ２層は、正確なＪ−Ｖ特性を得るのを困難にする。
【００５８】
図５は、形成ガスアニール後のＣ−Ｖ（キャパシタンス−電圧）特性５０を示す。チャンバには、１つのランプが備えられている。チャンバ内は約３００℃で約５０ｍＴｏｒｒの圧力で保持された。
【００５９】
トレース５２は、従来の熱酸化の結果である。トレース５４は、６．５分間Ｏ２酸化性ガスによる酸素ラジカルを用いた本発明の方法による結果である。トレース５６は、２０分間Ｏ２酸化性ガスによる酸素ラジカルを用いた本発明の方法による結果である。トレース５８は、Ｎ２Ｏ酸化性ガスによる酸素ラジカルの結果である。いずれのトレースも１００μｍ×１００μｍキャパシタから得られた結果を示す。これらのトレースは、−３ボルト〜１ボルトの範囲を双方向スキャンして得られた。電荷トラップは、ＣＶスキャンのヒステリシスとして現れている。Ｏ２酸化性ガスによる酸素ラジカルによって生成された酸化物（トレース５４および５６）は、熱酸化による酸化物（トレース５２）と同様のヒステリシスの大きさを示す。一方、Ｎ２Ｏ酸化性ガスによって生成された酸化物（トレース５８）のヒステリシスの大きさは、熱酸化による酸化物（トレース５２）および酸素ラジカルによる酸化物（トレース５４および５６）に比べて明らかに大きい。
【００６０】
本明細書中では、酸化性ガスを光解離するため、および／または、シリコンウェハから光電子を放出させるために、キセノンエキシマランプ（キセノンエキシマレーザ）を用いた。しかしながら、エキシマランプは、キセノンエキシマランプに限定されない。
【００６１】
エキシマランプ技術の発展にともなって、別の波長の光を用いることも可能である。他のエキシマランプは、１２６ｎｍ、１４６ｎｍ、２２２ｎｍおよび３０８ｎｍの波長の光を生成し得る。しかしながら、１７２ｎｍで動作するキセノンエキシマと同程度の効率は得られないかもしれない。
【００６２】
別の酸素源も可能である。上述の関連する用途の１つとしてＮ２Ｏの使用を開示してきた。酸化性ガスとしてＮＯもまた可能である。他の候補としてＨ２Ｏ、Ｈ２Ｏ２、ＣＯ、Ｈ２ＣＯおよびＣＯ２が挙げられるが、炭素を含有する化合物は、炭素不純物を生成する可能性があるため、好ましくない。
【００６３】
上述してきたように、酸素およびオゾンから生成されたラジカルを用いたシリコンの低温酸化の方法およびシステムを開示してきた。上掲の特許請求の範囲に規定される発明の範囲内で、上記方法およびシステムのさらなる改変および変更が為され得ることを理解されたい。
【００６４】
【発明の効果】
上述してきたように、本発明によるシリコンウェハを低温酸化する方法は、真空チャンバにシリコンウェハを配置する工程と、約室温〜３５０℃の範囲の温度でシリコンウェハを維持する工程と、酸化性ガスを真空チャンバに導入する工程と、エキシマレーザが発する光を該酸化性ガスに照射して、シリコンウェハ上に反応性酸素種を生成し、酸化物層を形成する工程とを包含する。上記酸化性ガスは、Ｏ２およびＯ３からなる酸化性ガス群から選択される。このような酸化性ガスおよびシリコンウェハにエキシマレーザが発する光を照射することによって、光解離および／または光電子放出が容易に生じる。その結果、反応性酸素種が生成され、シリコンウェハを高温にすることなく、高品質な酸化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法を実行する装置１０
【図２】本発明によるシリコンウェハを低温酸化する方法を示すフローチャート
【図３】チャック温度を変数とした酸化物の厚さの比較３０
【図４】形成ガスアニール前に測定したＪ−Ｖ（電流密度−電圧）特性４０
【図５】形成ガスアニール後のＣ−Ｖ（キャパシタンス−電圧）特性５０
【符号の説明】
１０ 装置
１２ 真空チャンバ
１２Ｂ 下部
１２Ｗ 陽極酸化アルミニウム壁
１２Ｔ 上部表面
１４ キセノンエキシマランプ
１６ シリコンウェハ
１７ ロードロック
１８ ウェハ保持チャック
２０ セラミックシリンダ
２２ マニホルド
２４ ターボポンプ
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコン上への集積回路の製造に関する。より詳細には、本発明は、シリコンウェハ上に低温・高品質な二酸化シリコン層を提供する方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のシリコン酸化の技術は、Ｏ２、Ｎ２ＯまたはＮＯ等の酸化雰囲気中で長時間にわたる高温（例えば、８００℃を越える温度）を必要とする。このような酸化中には基板内で元素の拡散が生じる。したがって、このような拡散に対応するように、製造シーケンスを調整する必要がある。品質を落とすことなく極めて低温で酸化を実行することができれば、半導体産業に多大な利益をもたらすことになる。
【０００３】
シリコンの熱酸化は、シリコン結晶方位に応じて異なる酸化速度を有する。乾燥Ｏ２雰囲気中、９００℃で１時間の条件の場合、シリコン（１１１）上に成長するシリコン酸化物層は３０ｎｍである。一方、同じ時間で同じ温度の場合、シリコン（１００）上に成長するシリコン酸化物層は約２１ｎｍ程度である。９００℃で１時間湿式酸化を行った場合、シリコン（１１１）上に成長するシリコン酸化物層は約２１５ｎｍであるが、シリコン（１００）上には１５０ｎｍ程度である。浅トレンチ分離のための酸化を考えた場合、シリコン結晶方位に基づくこれらの差は重要となる。
【０００４】
また、高温酸化によってシリコン界面に積層欠陥が生じることが知られている。このような欠陥によるデバイス特性への影響を最小にするために大掛かりなアニーリング工程が必要である。この工程によって、ゲート酸化物を形成するための処理時間および処理コストが増加する。
【０００５】
製造を目的とした低温シリコン酸化を可能にする方法は現在のところ存在しない。プラズマ酸化またはラジアルスロットラインアンテナを用いた酸化等の低温でシリコンを酸化する公知の方法がある（例えば、非特許文献１および２参照。）。非特許文献１には、低イオン照射および高プラズマ濃度によって約４００℃でシリコン上に成長させた酸化物について記載されている。非特許文献２には、ラジアルスロットラインアンテナを用いたプラズマ酸化による酸化物の形成が記載されている。しかしながら、これらの方法は、大量のイオンおよびラジカルを生成する。このようなラジカルは、シリコンの表面にダメージを与え、酸化物の品質を下げる可能性がある。
【０００６】
オゾン（または紫外光を用いたオゾン）を用いた酸化も報告されている（例えば、非特許文献３および４参照。）。しかしながら、このオゾン酸化によって得られる膜の厚さは、自己制御されていることが分かっている。非特許文献３には、２００℃〜５００℃の範囲の温度で紫外光を用いてＮ２Ｏを光解離することが記載されている。非特許文献４には、約４０Å厚の超薄酸化物層が、５００℃未満の温度で紫外光によってＯ３を光解離することによってシリコン基板上に形成されることが記載されている。
【０００７】
オゾンは、紫外光によって光解離され、酸素ラジカルを生成し得る。しかしながら、システムで用いられる雰囲気圧によっては、酸素ラジカルは、衝突して再結合し、オゾンになる可能性がある。したがって、反応性酸素ラジカルが欠損するという深刻な問題が生じる。それにもかかわらず、最新技術のプロセスに比べて、向上した酸化速度および良好な化学量論組成の酸化物が得られる。関連するキセノンエキシマレーザを用いた方法もある。上記方法では、Ｏ２、Ｎ２ＯまたはＮＯをキセノンエキシマレーザによって光解離させ、酸素ラジカルＯ（１Ｄ）またはＯ−イオンを生成する。
【０００８】
【非特許文献１】
Ｈｉｒａｙａｍａら、「Ｌｏｗ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ Ｈｉｇｈ−Ｉｎｔｅｇｒｉｔｙ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｘｉｄｅ Ｆｉｌｍｓ ｂｙ Ｏｘｙｇｅｎ Ｒａｄｉｃａｌ Ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｉｎ Ｈｉｇｈ−Ｄｅｎｓｉｔｙ Ｋｒｙｐｔｏｎ Ｐｌａｓｍａ」、ＩＥＤＭ Ｔｅｃｈ． Ｄｉｇ． ｐ２４９、（１９９９）
【非特許文献２】
Ｓａｉｔｏら、「Ａｄｖａｎｔａｇｅ ｏｆ Ｒａｄｉｃａｌ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆＵｌｔｒａ−Ｔｈｉｎ Ｇａｔｅ Ｏｘｉｄｅ」、２０００ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ ＶＬＳＩ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、Ｔ１８−２（２０００）
【非特許文献３】
Ｉｓｈｉｋａｗａら、「Ｌｏｗ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｉｌｉｃｏｎ ｉｎ Ｎ２Ｏ ｂｙ ＵＶ ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ」、Ｊｐｎ． Ｊ． ｏｆ Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ．、２８、Ｌ１４５３（１９８９）
【非特許文献４】
Ｎａｙｅｒら、「Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ， Ｌｏｗ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ （＜５００℃） ＵＶ／Ｏｚｏｎｅ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｉｌｉｃｏｎ」、Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、２６、２０５（１９９０）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、６００℃未満の温度でシリコン基板上に酸化物層を形成することである。
【００１０】
本発明のさらなる目的は、キセノンエキシマレーザを用いてＯ２またはＯ３を光解離させ、酸素フリーラジカルを提供することである。
【００１１】
本発明のさらなる目的は、微少な負電圧をシリコンウェハに印加することによって酸化物の成長を促進する方法を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明によるシリコンウェハを低温酸化する方法は、真空チャンバに該シリコンウェハを配置する工程と、室温〜３５０℃の範囲の温度で該シリコンウェハを維持する工程と、酸化性ガスを該真空チャンバに導入する工程と、１７２ｎｍの波長を有する光を生成するキセノンレーザを用いて該酸化性ガスを酸素ラジカルに分解し、５〜１０ボルトの範囲の負電位を該シリコンウェハに印加しながら、該酸素ラジカルを該シリコンウェハの上に流す工程と、該シリコンウェハの少なくとも一部の上に酸化物層を形成する工程とを包含し、これにより上記目的を達成する。
前記方法は、４０ｍＴｏｒｒ〜９０ｍＴｏｒｒの範囲の圧力で前記真空チャンバを維持する工程をさらに包含してもよい。
前記酸化性ガスは、２ｓｃｃｍ〜５０ｓｃｃｍの範囲のガス流量で前記真空チャンバに導入されてもよい。
前記酸化性ガスは、Ｏ ２ およびＯ ３ からなる酸化性ガス群から選択されてもよい。
前記方法は、前記酸化物層を形成した後に、６００℃〜７５０℃の範囲の温度で、１〜１０分間、不活性雰囲気中で前記シリコンウェハおよび前記酸化物層をアニールする工程をさらに包含してもよい。
本発明によるシリコンウェハを低温酸化する装置は、真空チャンバに該シリコンウェハを配置する手段と、室温〜３５０℃の範囲の温度で該シリコンウェハを維持する手段と、酸化性ガスを該真空チャンバに導入する手段と、１７２ｎｍの波長を有する光を生成するキセノンレーザを用いて該酸化性ガスを酸素ラジカルに分解し、５〜１０ボルトの範囲の負電位を該シリコンウェハに印加しながら、該酸素ラジカルを該シリコンウェハの上に流す手段と、該シリコンウェハの少なくとも一部の上に酸化物層を形成する手段とを含み、これにより上記目的を達成する。
前記装置は、４０ｍＴｏｒｒ〜９０ｍＴｏｒｒの範囲の圧力で前記真空チャンバを維持する手段をさらに含んでもよい。
前記酸化性ガスは、２ｓｃｃｍ〜５０ｓｃｃｍの範囲のガス流量で前記真空チャンバに導入されてもよい。
前記酸化性ガスは、Ｏ ２ およびＯ ３ からなる酸化性ガス群から選択されてもよい。
前記装置は、前記酸化物層を形成した後に、６００℃〜７５０℃の範囲の温度で、１〜１０分間、不活性雰囲気中で前記シリコンウェハおよび前記酸化物層をアニールする手段をさらに含んでもよい。
【００２５】
上述の本発明の課題を解決するための手段および目的は、本発明の本質を素早く理解できるように設けられている。添付の図面とともに以降の発明の好適な実施の形態の詳細な説明を参照すれば、本発明をより完全に理解することができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
（関連出願）
本願は、「Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｌｏｗ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｉｌｉｃｏｎ」と称する２００２年６月４日に出願された米国特許出願第１０／１６４，９２４号に関する。
【００２７】
本発明の原理を説明する。
【００２８】
本発明では、酸化されるシリコン層の表面上または表面近傍に多量の酸素ラジカルを生成する技術が用いられる。ラジカルは、Ｏ２、Ｏ３、または、任意の比率のＯ２とＯ３との混合物のいずれかを光分解することによって生成される。酸素ラジカルを生成するために、本明細書で用いられる光源は、約１７２ｎｍの波長（すなわち、７．２１ｅＶのフォトンエネルギー）で、約３ｍＷ／ｃｍ２〜２０ｍＷ／ｃｍ２の出力の光を効率的に発するキセノンエキシマランプである。
【００２９】
酸素（Ｏ２）の場合、Ｏ−Ｏ結合エネルギーは５．２ｅＶである。したがって、キセノンエキシマランプのフォトンエネルギーは、Ｏ−Ｏ結合を切断して、一対の原子酸素ラジカルを生成するに十分である。
【００３０】
オゾン（Ｏ３）の場合、Ｏ２−Ｏ間の結合は極めて弱く、容易に切断される。１つのオゾン（Ｏ３）から１つの原子酸素ラジカルが生成される。このようにして生成される酸素ラジカルは、シリコンとの反応性が高い。
【００３１】
一方、Ｏ２およびＯ３のイオン化ポテンシャルは、それぞれ、１２．０６ｅＶおよび１２．３ｅＶである。それゆえ、キセノンエキシマランプによる光によって、気相の基底電子状態の種からイオンを生成するには、エネルギーが不十分である。また、酸素原子のイオン化ポテンシャルは１３．６２ｅＶであり、上述したから原子酸素からイオンを生成するのは困難である。Ｏ２／Ｏ３混合物を系に流す場合、オゾンが優先的にシリコン表面に吸着し、高濃度またはほぼ純Ｏ３フローを生成し得ることは、周知である。
【００３２】
このようなイオン化が困難なオゾン等からの酸素イオンの生成について説明する。シリコンの仕事関数は約４．９ｅＶである。したがって、７．２ｅＶのフォトンエネルギーを有する光が、シリコンウェハに衝突すると、２．３ｅＶのエネルギーを有する電子（すなわち、光電子）がシリコンウェハから放出される。これらの電子（光電子）は、シリコンウェハ表面上に存在する高濃度のオゾンによって容易に捕獲され、Ｏ２およびＯ−に分裂する。Ｏ−イオン（酸素イオン）は、シリコンとの反応性が高いことが報告されている。
【００３３】
シリコンウェハ表面上にウェハチャックを介して電位を印加することによって、光電子のエネルギーを制御することができる。負電位は、必要なフォトンエネルギー、および、光電子エネルギーを増加させる。ウェハチャックに適切なバイアスを印加することによって、Ｏ−を形成するためのＯ３の解離電子付着断面が最大となり、その結果、酸化速度が増大し得る。
【００３４】
結晶格子におけるＳｉ−Ｓｉ結合の強度は約３．５ｅＶである。それゆえ、高真空における紫外光によって、結合が切断され、酸化物とシリコンとの界面近傍に薄いアモルファスシリコン層が生成される。一方、Ｓｉ−Ｏ結合は８．３ｅＶであり、この結合は紫外光によって切断されない。この薄いアモルファス層が再結晶化されない場合、キャリア移動度が低下して、デバイス性能が損なわれることになる。不活性ガス雰囲気中で約６００℃〜７５０℃の範囲の温度における、短時間（例えば、１〜１０分）のアニールは、シリコンを再結晶化させ、高キャリア移動度を回復するに十分である。
【００３５】
本発明によれば、Ｏ３およびＯ２を光解離するために、キセノンエキシマレーザを用い、シリコンとの反応性の高い酸素ラジカルまたはＯ−イオン（反応性酸素種）を低温にて生成する。さらに、ウェハチャックに負電位を印加することによって、キセノンエキシマレーザのフォトンエネルギーを制御して、酸化速度を増大させる。
【００３６】
次に、図面を参照して、本発明を詳細に説明する。
【００３７】
図１は、本発明の方法を実行する装置１０を示す。装置１０は真空チャンバ１２を備える。真空チャンバ１２は、テフロン（Ｒ）製の上部表面１２Ｔ、陽極酸化アルミニウム壁１２Ｗおよび下部１２Ｂを有する。真空チャンバを構成する材料は、陽極酸化アルミニウム、ステンレス鋼、石英、ガラス、セラミクス、および、シリコン酸化技術で通常用いられない他の材料であり得る。
【００３８】
真空チャンバ１２は、ウェハ保持チャック１８と、キセノンエキシマランプ１４とを有する。真空チャンバ１２には、ロードロック１７が設けられている。ウェハ１６は、このロードロック１７を介して真空チャンバ１２内に導入され、ウェハ保持チャック１８上の適切な位置に配置される。
【００３９】
ウェハ１６をパターニングして、ウェハ１６の特定の領域を酸化してもよいし、または、ウェハ１６全体を酸化してもよい。したがって、ウェハ１６は、シリコン基板を含み得る。
【００４０】
キセノンエキシマランプ１４は、少なくとも部分的に酸化されるウェハ（シリコンウェハ）１６の表面上に配置されている。キセノンエキシマランプ１４は、また、セラミックシリンダ２０内に配置される。このキセノンエキシマランプ１４は、（すなわち、７．２１ｅＶのフォトンエネルギー）で、約３ｍＷ／ｃｍ２〜２０ｍＷ／ｃｍ２の出力の光を発する。キセノンエキシマランプは、比較的低価格の市販の製品（例えば、Ｏｓｒａｍ Ｓｙｌｖａｎｉａが製造しているＸｅｒａｄｅｘＴＭ）であり得る。
【００４１】
真空チャンバ１２には、吸気マニホルド２２と、スロットルバルブおよびターボポンプ２４とが設けられている。吸気マニホルド２２を介して、酸化性ガス（好適な酸化性ガスはＯ２またはＯ３である）が、約２ｓｃｃｍ〜５０ｓｃｃｍの流量で真空チャンバ１２内に導入される。導入された酸化性ガスは、スロットルバルブおよびターボポンプ２４によって真空チャンバ１２から排気される。この場合、約４０ｍＴｏｒｒ〜９０ｍＴｏｒｒの範囲のチャンバ圧が維持される。
【００４２】
キセノンエキシマランプ１４は、大量のフォトン束を生成する光源である。フォトンは、１）Ｏ（３Ｐ）およびＯ（１Ｄ）ラジカルを形成するための酸化性ガスの解離、および／または、２）シリコン表面からの光電子の放出（この光電子は、酸化性ガスと反応して、シリコンウェハに隣接する領域にＯ−イオンを形成する）によってシリコンの酸化を発生させると考えられている。
【００４３】
４００℃未満で行われる酸化の場合、不純物の拡散は無視できる。これにより、プラスチック基板等の材料への酸化が可能となる。
【００４４】
図２は、本発明によるシリコンウェハを低温酸化する方法を示すフローチャートである。次に、図１の装置１０を用いたシリコンウェハ１６の低温酸化のプロセスを工程ごとに説明する。
【００４５】
工程Ｓ２０１：真空チャンバ１２にシリコンウェハ１６を配置する。シリコンウェハ１６は、ウェハ保持チャック１８上の適切な位置に配置される。
【００４６】
工程Ｓ２０２：シリコンウェハ１６を約室温〜３５０℃の温度に維持する。このような温度設定は、加熱可能なウェハ保持チャック１８によって達成される。ウェハ保持チャック１８は、最高約４００℃の温度を発生させることができる。しかしながら、ウェハ保持チャック１８の設計により、ウェハ１６が、チャックと同じ温度に達することはない。温度オフセットは、チャック設定点４００℃で最大で１６０℃程度であり得る。したがって、ウェハ１６は、酸化時には、約室温〜４００℃の範囲の温度で保持され得るが、実際には２４０℃程度の温度を有し得る。ウェハ１６の保持温度は、好ましくは、約室温〜３５０℃であり得る。
【００４７】
工程Ｓ２０３：酸化時に、一様の酸化性ガスフローが真空チャンバ１２に導入される。酸化性ガスは、Ｏ２およびＯ３からなる酸化性ガス群から選択される。真空チャンバ１２内の圧力は、チャンバとポンプ系との間に位置するスロットルバルブによって制御される。真空チャンバ１２内の圧力は、約４０ｍＴｏｒｒ〜９０ｍＴｏｒｒに維持される。酸化性ガスの流量は、約２ｓｃｃｍ〜５０ｓｃｃｍの範囲であり得る。
【００４８】
工程Ｓ２０４：キセノンエキシマランプ１４からの光（レーザ）を酸化性ガスおよびシリコンウェハ１６に照射する。例えば、酸化性ガスがＯ２の場合、キセノンエキシマランプ１４が発する光のフォトンエネルギーによって、Ｏ２は解離され、ラジカル酸素原子Ｏ（１Ｄ）を生成する。その後、このラジカル酸素は、シリコンウェハ１６と反応して酸化物領域（酸化物層）を生成する。また、キセノンエキシマランプ１４が発する光のフォトンエネルギーによって、シリコンウェハ１６の表面から光電子が放出される。光電子は酸化性ガスと反応して、Ｏ−イオンを生成する。このＯ−イオンは、シリコンウェハ１６と反応して酸化物領域（酸化物層）を形成する。
【００４９】
工程Ｓ２０１〜Ｓ２０４によってシリコンウェハ１６上に酸化物層が形成される。
【００５０】
なお、酸化物領域が形成された後、約６００℃〜７５０℃の温度範囲で、約１〜１０分間、不活性雰囲気中でシリコンウェハ１６および上に形成された酸化物領域をアニールしてもよい。これにより、シリコンウェハ１６と酸化物層との界面に生成され得るアモルファスシリコンは再結晶化される。
【００５１】
再度図１を参照して、電圧源（図示せず）を用いて、シリコンウェハ１６に微少な正電位を印加することによって、酸化速度は下がる。実験結果によれば、シリコンウェハ１６に微少な負電位を印加することによって酸化速度が十分に上がることが分かっている。シリコンウェハ１６をウェハ保持チャック１８から電気的に浮遊（絶縁）している場合、光電子の放出時にシリコンウェハ１６の正電位が増加する。シリコンウェハ１６がウェハ保持チャック１８に電気的に接地されている場合、シリコンウェハ１６は電気的に中性となり、酸化プロセスの速度が増大するのが認められた。シリコンウェハ１６に負電位を印加すると、光電子のエネルギーおよび量ともに増大した。これらはともに、酸化速度の増大に寄与し得る。
【００５２】
標準的な１０分間の酸化プロセスの例を説明する。シリコンウェハ１６をウェハ保持チャック１８に接地させた場合、３１Åの厚さを有する酸化物層が形成された。シリコンウェハ１６をウェハ保持チャック１８から絶縁させた場合、同じ時間で、１５Åの厚さを有する酸化物層が形成された。Ｏ３と光電子とが反応して、Ｏ２およびＯ−を形成する確率は、光電子エネルギーが９ｅＶに達するまで光電子エネルギーの増大とともに高くなることが知られている。シリコンウェハ１６をウェハ保持チャック１８に接地させた場合の光電子エネルギーは２．３ｅＶ程度にすぎない。シリコンウェハ１６にウェハ保持チャック１８を介して約５〜１０ボルトの負バイアス（負電位）２６を印加することによって、シリコンウェハ１６が放出する光電子エネルギーは増大し、酸化物の成長速度も増大する。この結果、１０分間の酸化プロセスを約３〜４分間で終了させることができる。なお、このような負電位の印加は、図２の工程Ｓ２０４において行われ得る。
【００５３】
ウェハ表面近傍の酸素量は、真空チャンバ中のＯ２およびＯ３の濃度、真空チャンバの全圧および表面近傍の光分解用光強度に依存している。Ｏ２を用いた酸化は、Ｎ２Ｏを用いた酸化に比べて効率的である。これは、恐らく、Ｎ２Ｏは１分子あたり１酸素原子を生成するが、Ｏ２は１分子あたり２酸素原子を生成することができるからである。得られる酸化物厚は、予想される酸素ラジカル濃度に比例しない。したがって、基板表面における酸化速度はほぼ飽和点に達していると考えられる。
【００５４】
次に、具体的な実験結果を示す。
【００５５】
図３は、チャック温度を変数とした酸化物の厚さの比較３０を示す。トレース３２およびトレース３４は、いずれも酸素ラジカルを用いたシリコン酸化の結果である。トレース３２は、４ｓｃｃｍのＯ２フローで、５０ｍＴｏｒｒのチャンバ圧において１０分間酸化した結果である。トレース３４は、１０ｓｃｃｍのＮ２Ｏフローで、５０ｍＴｏｒｒのチャンバ圧において１０分間酸化した結果である。図３から、シリコンの酸化に温度依存性はほとんどないことが分かる。酸化物は実質的に室温でさえ生成される。高温において、酸化物の成長速度にわずかであるが上昇が見られる。
【００５６】
次に、ゲート酸化物に適用するための、薄い酸化膜と熱酸化物との品質を比較した。単一のキャパシタ構造を製造して、バルク電荷トラップ、界面トラップおよび破壊特性を測定した。スパッタリングされたＴｉＮゲート（パターニングおよびエッチング処理済み）を有するｐ型プライムウェハに酸化を行った。次いで、４５０℃で形成ガスアニールを行った。ＨＦエッチングをしてウェハの裏面に形成された酸化物をすべて除去した後、電気測定を行った。
【００５７】
図４は、形成ガスアニール前に測定したＪ−Ｖ（電流密度−電圧）特性４０を示す。トレース４２は、従来の熱酸化の結果である。トレース４４、４６、４８および４９は、２０分間Ｏ２酸化性ガスおよび酸素ラジカルを用いた本発明による方法の結果である。０〜−３Ｖ、０〜−４Ｖ、０〜−５Ｖおよび０〜−６Ｖのシーケンシャルスキャンを行い、応力誘起リーク電流（ＳＩＬＣ）の影響を測定した。この製造条件では、ラジカルによって生成された酸化物は、大きなＳＩＬＣのトレースを示すが、高電界側では低リーク電流を示した。形成ガスアニール後、薄いＴｉＯ２層がＴｉＮゲート上に形成された。このＴｉＯ２層は、正確なＪ−Ｖ特性を得るのを困難にする。
【００５８】
図５は、形成ガスアニール後のＣ−Ｖ（キャパシタンス−電圧）特性５０を示す。チャンバには、１つのランプが備えられている。チャンバ内は約３００℃で約５０ｍＴｏｒｒの圧力で保持された。
【００５９】
トレース５２は、従来の熱酸化の結果である。トレース５４は、６．５分間Ｏ２酸化性ガスによる酸素ラジカルを用いた本発明の方法による結果である。トレース５６は、２０分間Ｏ２酸化性ガスによる酸素ラジカルを用いた本発明の方法による結果である。トレース５８は、Ｎ２Ｏ酸化性ガスによる酸素ラジカルの結果である。いずれのトレースも１００μｍ×１００μｍキャパシタから得られた結果を示す。これらのトレースは、−３ボルト〜１ボルトの範囲を双方向スキャンして得られた。電荷トラップは、ＣＶスキャンのヒステリシスとして現れている。Ｏ２酸化性ガスによる酸素ラジカルによって生成された酸化物（トレース５４および５６）は、熱酸化による酸化物（トレース５２）と同様のヒステリシスの大きさを示す。一方、Ｎ２Ｏ酸化性ガスによって生成された酸化物（トレース５８）のヒステリシスの大きさは、熱酸化による酸化物（トレース５２）および酸素ラジカルによる酸化物（トレース５４および５６）に比べて明らかに大きい。
【００６０】
本明細書中では、酸化性ガスを光解離するため、および／または、シリコンウェハから光電子を放出させるために、キセノンエキシマランプ（キセノンエキシマレーザ）を用いた。しかしながら、エキシマランプは、キセノンエキシマランプに限定されない。
【００６１】
エキシマランプ技術の発展にともなって、別の波長の光を用いることも可能である。他のエキシマランプは、１２６ｎｍ、１４６ｎｍ、２２２ｎｍおよび３０８ｎｍの波長の光を生成し得る。しかしながら、１７２ｎｍで動作するキセノンエキシマと同程度の効率は得られないかもしれない。
【００６２】
別の酸素源も可能である。上述の関連する用途の１つとしてＮ２Ｏの使用を開示してきた。酸化性ガスとしてＮＯもまた可能である。他の候補としてＨ２Ｏ、Ｈ２Ｏ２、ＣＯ、Ｈ２ＣＯおよびＣＯ２が挙げられるが、炭素を含有する化合物は、炭素不純物を生成する可能性があるため、好ましくない。
【００６３】
上述してきたように、酸素およびオゾンから生成されたラジカルを用いたシリコンの低温酸化の方法およびシステムを開示してきた。上掲の特許請求の範囲に規定される発明の範囲内で、上記方法およびシステムのさらなる改変および変更が為され得ることを理解されたい。
【００６４】
【発明の効果】
上述してきたように、本発明によるシリコンウェハを低温酸化する方法は、真空チャンバにシリコンウェハを配置する工程と、約室温〜３５０℃の範囲の温度でシリコンウェハを維持する工程と、酸化性ガスを真空チャンバに導入する工程と、エキシマレーザが発する光を該酸化性ガスに照射して、シリコンウェハ上に反応性酸素種を生成し、酸化物層を形成する工程とを包含する。上記酸化性ガスは、Ｏ２およびＯ３からなる酸化性ガス群から選択される。このような酸化性ガスおよびシリコンウェハにエキシマレーザが発する光を照射することによって、光解離および／または光電子放出が容易に生じる。その結果、反応性酸素種が生成され、シリコンウェハを高温にすることなく、高品質な酸化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法を実行する装置１０
【図２】本発明によるシリコンウェハを低温酸化する方法を示すフローチャート
【図３】チャック温度を変数とした酸化物の厚さの比較３０
【図４】形成ガスアニール前に測定したＪ−Ｖ（電流密度−電圧）特性４０
【図５】形成ガスアニール後のＣ−Ｖ（キャパシタンス−電圧）特性５０
【符号の説明】
１０ 装置
１２ 真空チャンバ
１２Ｂ 下部
１２Ｗ 陽極酸化アルミニウム壁
１２Ｔ 上部表面
１４ キセノンエキシマランプ
１６ シリコンウェハ
１７ ロードロック
１８ ウェハ保持チャック
２０ セラミックシリンダ
２２ マニホルド
２４ ターボポンプ
Claims (10)
- シリコンウェハを低温酸化する方法であって、
真空チャンバに該シリコンウェハを配置する工程と、
室温〜３５０℃の範囲の温度で該シリコンウェハを維持する工程と、
酸化性ガスを該真空チャンバに導入する工程と、
１７２ｎｍの波長を有する光を生成するキセノンレーザを用いて該酸化性ガスを酸素ラジカルに分解し、５〜１０ボルトの範囲の負電位を該シリコンウェハに印加しながら、該酸素ラジカルを該シリコンウェハの上に流す工程と、
該シリコンウェハの少なくとも一部の上に酸化物層を形成する工程と
を包含する、方法。 - ４０ｍＴｏｒｒ〜９０ｍＴｏｒｒの範囲の圧力で前記真空チャンバを維持する工程をさらに包含する、請求項１に記載の方法。
- 前記酸化性ガスは、２ｓｃｃｍ〜５０ｓｃｃｍの範囲のガス流量で前記真空チャンバに導入される、請求項１に記載の方法。
- 前記酸化性ガスは、Ｏ ２ およびＯ ３ からなる酸化性ガス群から選択される、請求項１に記載の方法。
- 前記酸化物層を形成した後に、６００℃〜７５０℃の範囲の温度で、１〜１０分間、不活性雰囲気中で前記シリコンウェハおよび前記酸化物層をアニールする工程をさらに包含する、請求項１に記載の方法。
- シリコンウェハを低温酸化する装置であって、
真空チャンバに該シリコンウェハを配置する手段と、
室温〜３５０℃の範囲の温度で該シリコンウェハを維持する手段と、
酸化性ガスを該真空チャンバに導入する手段と、
１７２ｎｍの波長を有する光を生成するキセノンレーザを用いて該酸化性ガスを酸素ラジカルに分解し、５〜１０ボルトの範囲の負電位を該シリコンウェハに印加しながら、該酸素ラジカルを該シリコンウェハの上に流す手段と、
該シリコンウェハの少なくとも一部の上に酸化物層を形成する手段と
を含む、装置。 - ４０ｍＴｏｒｒ〜９０ｍＴｏｒｒの範囲の圧力で前記真空チャンバを維持する手段をさらに含む、請求項６に記載の装置。
- 前記酸化性ガスは、２ｓｃｃｍ〜５０ｓｃｃｍの範囲のガス流量で前記真空チャンバに導入される、請求項６に記載の装置。
- 前記酸化性ガスは、Ｏ ２ およびＯ ３ からなる酸化性ガス群から選択される、請求項６に記載の装置。
- 前記酸化物層を形成した後に、６００℃〜７５０℃の範囲の温度で、１〜１０分間、不活性雰囲気中で前記シリコンウェハおよび前記酸化物層をアニールする手段をさらに含む、請求項６に記載の装置。
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