JP4643168B2

JP4643168B2 - シリコン基板の酸化処理方法

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Publication number: JP4643168B2
Application number: JP2004107878A
Authority: JP
Inventors: 健資山内; 順一塩澤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2011-03-02
Anticipated expiration: 2024-03-31
Also published as: JP2005294551A

Description

本発明は、シリコン系被処理物の酸化処理方法、酸化処理装置および半導体装置の製造方法に関する。

従来、半導体装置の製造工程においてシリコン系被処理物、例えばシリコン基板（シリコンウェハ）の酸化は、１０００℃程度の酸素雰囲気中で加熱する熱酸化法が用いられている。このような温度での酸化は、シリコンウェハ中の不純物が拡散したり、酸化膜中に応力が発生したりする問題がある。

特に、シリコンウェハにドープされた不純物がＡｓ、ＢやＰである場合には、１０００℃までに加熱することにより拡散を生じる。加熱温度を６００℃以下にまで下げることにより不純物の拡散を抑制できるが、酸化速度が遅くなって、酸化膜の形成が困難になる。

このようなことから、酸素（Ｏ₂）分子に高周波やマイクロ波の電力を印加してプラズマ化し、生成された酸素ラジカル（酸素原子）によりシリコンウェハを低温酸化する方法が知られている。酸素原子は、酸素分子と比較して拡散係数が大きいいため、４００℃程度の低温でも実用的な酸化速度が得られる。

酸素ラジカルを用いた低温酸化では、等方的に酸化が進むために、例えばシリコンウェハ上に凸型構造物を形成し、この構造物を酸化する場合、その上部、側壁および底部はいずれもほぼ同じ膜厚の酸化膜が形成される。その結果、凸型構造物の上部や底部を酸化し、側壁の酸化を抑制したい場合には、酸素ラジカルを用いる低温酸化方法では困難である。

一方、従来の熱酸化法では前記シリコンウェハの凸状構造物において上部および底部と側壁で、シリコンの面方位が異なるために酸化速度に差ができ、上部側のシリコン面方位、通常(１００)面、においては選択的に酸化が進む。このため、選択酸化が可能となるが、前述したように高温での酸化による不純物の拡散の課題がある。

本発明は、シリコン基板のようなシリコン系被処理物を１０００℃より低い温度で異方性の酸化を実行し得るシリコン系被処理物の酸化処理方法を提供しようとするものである。

本発明は、シリコン基板のようなシリコン系被処理物を１０００℃より低い温度で異方性の酸化を実現し得る酸化処理装置を提供しようとするものである。

本発明は、シリコン基板の凸部の側部にその上部および周囲の酸化膜の厚さに比べて薄い厚さの酸化膜を形成した半導体装置の製造方法を提供しようとするものである。

本発明の一態様によると、凸部を有するシリコン基板を加熱する工程と、
前記シリコン基板の周囲に酸素比率が０．５〜６体積％の希ガスと酸素の混合ガスのプラズマを発生して酸素ラジカルおよび電子を含む雰囲気に曝して凸部を含むシリコン基板にシリコン酸化膜を形成する工程と、
前記プラズマの発生に前後して前記シリコン基板に直流電圧電源から正電圧を印加することにより、前記プラズマ中の電子が方向性を以って前記凸部上部および前記凸部底部の前記シリコン酸化膜に前記凸部側部に比べて多く引き寄せられて付着し、付着した電子の作用で前記凸部上部および前記凸部底部において前記シリコン酸化膜と前記シリコン基板の間に電界を発生させ、前記シリコン基板のシリコンをイオン化して前記シリコン酸化膜中に拡散させて前記酸素ラジカルによる酸化を促進し、それによって前記凸部上部および前記凸部底部に前記凸部側部に比べて厚いシリコン酸化膜を形成する異方性酸化を行う工程と
を含むことを特徴とするシリコン基板の酸化処理方法が提供される。

ここで、シリコン系被処理物としては例えば溝などが加工された凹凸物品を有するシリコン基板、多結晶シリコンのようなシリコンの凸状構造物が酸化膜を介して形成されたシリコン基板等が挙げられる。

本発明によれば、１０００℃より低い温度で凸状構造物を有するシリコン基板のようなシリコン系被処理物におけるその凸部の上部および底部を選択的に酸化して厚い酸化膜を、その凸部側部にそれら上部および底部より薄い酸化膜を形成する、異方性の酸化が可能なシリコン系被処理物の酸化処理方法、ならびにこの酸化を実現することが可能な酸化処理装置を提供することができる。

以下、本発明の実施形態を詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１は、この第１実施形態に係る酸化処理装置を示す概略斜視図である。

真空チャンバ１は、シリコン系被処理物を酸化処理するための例えば矩形状の処理室２と、この処理室２の上部に連通して配置された例えば円筒状のプラズマ生成室３とから構成されている。前記処理室２は、真空ポンプで真空引きされる排気管（図示せず）が連結されている。ヒータが内蔵された例えば円板状のホルダ４は、前記処理室２内に配置されている。直流電源５は、前記ホルダ４に例えばその正電圧がホルダ４に印加し得るように接続されている。

ガス供給管６は、前記プラズマ生成室３の上部側壁に連結されている。マイクロ波が透過される石英ガラス製の誘電体窓７は、前記プラズマ生成室３の上部に設置されている。方形導波管８は、その導波管８のマイクロ波放出側が前記誘電体窓７に設置されている。前記導波管８は、その内部を伝播するマイクロ波の電界方向に垂直な面（Ｈ面）と、このＨ面に対して垂直方向に伸びるマイクロ波の電界方向に平行な面（Ｅ面）と、マイクロ波導入側と反対側にＨ面およびＥ面に対して垂直で、マイクロ波を反射する反射面とを有する。前記誘電体窓６に対向する前記導波管８のＨ面には、互いに平行する２つのスリット９が開口され、その導波管８に伝播されたマイクロ波は前記スリット９および誘電体窓７を通して前記プラズマ生成室３に放射される。

次に、前述した酸化処理装置を用いてシリコン系被処理物、例えば溝加工により凸部を有するシリコン基板の酸化処理方法を説明する。

前記構造のシリコン基板１０を処理室２内のホルダ４に保持させる。つづいて、ホルダ４のヒータにより前記シリコン基板１０を加熱する。この状態で真空ポンプを作動して真空チャンバ１内のガスを図示しない排気管を通して排気する。同時に、酸素を含むガス（例えば酸素（Ｏ₂）をアルゴン（Ａｒ）で希釈した混合ガス）をガス供給管６を通して前記真空チャンバ１上部のプラズマ生成室３に供給する。

前記真空チャンバ１内が所定の圧力になった時点で図示しないマイクロ波電源からマイクロ波を方形導波管８内に導入することによりマイクロ波をスリット９および誘電体窓７を通して前記プラズマ生成室３に放射する。このマイクロ波の電界によって、ＡｒおよびＯ₂ガスを電離して電子を生成し、プラズマ化して高電子密度（例えば１０¹¹ｃｍ^-3以上）のプラズマを発生させる。この時、プラズマ中にはＡｒイオン、Ｏ₂イオン、Ｏイオン、Ｏ原子（ラジカル）や電子等が生成される。Ｏ原子は、Ｏ₂分子に電子が衝突することで解離して生成される。Ｏ原子は、励起状態にあり、活性化されて反応性が高くなっている。この状態を酸素ラジカルと呼ぶ。

前述したプラズマの発生に前後して直流電圧電源５から直流電圧（例えば正電圧）をホルダ４に印加する。この時、ヒータにより加熱され、かつ正電圧が印加されたシリコン基板１０はプラズマ中で生成された酸素ラジカルと反応し、異方性の酸化がなされる。

このような第１実施形態の異方性の酸化処理方法を酸素ラジカルのみでのシリコン基板の酸化と比較して以下に詳述する。図２は、酸素ラジカルのみでのシリコン基板の酸化を示すモデル図、図３はこの第１実施形態にような異方性の酸化を示すモデル図である。なお、図２、図３のシリコン基板１０は上部１１および側部１２を有し、基板１０表面を底部１３とする凸部１４が形成されている。

図２に示す酸素ラジカルのみでのシリコン基板の酸化処理方法において、シリコン基板１０をプラズマ１５に曝すと、酸素ラジカル１６は熱運動によりプラズマ１５中を拡散してシリコン基板１０に到達する。一般的に、ラジカルなどの中性粒子はその温度がチャンバの壁の温度とほぼ同じであり、３００〜４００Ｋ程度となり、かつ電気的に中性であるために、電界により加速されない。その結果、その熱運動の方向性はランダムであり、凸部１４を含むシリコン基板１０表面でも方向性を持たずにシリコン基板１０の構成元素であるＳｉ１７の酸化が進む。したがって、凸部１４の上部１１、側部１２および底部１３はほぼ同等の酸化が生じ、形成された酸化膜１８の厚さはほぼ同じになる。

一方、図３に示す直流電圧を印加する第１実施形態の酸化処理方法において、シリコン基板１０はその体積抵抗値が数Ω・ｃｍ程度の半導体であるため、直流電源５からホルダ４を通してシリコン基板１０に印加した正電圧は殆ど降下せずにシリコン基板１０表面に形成される酸化膜１８に加わることになる。この電圧によりプラズマ１５中の電子１９は酸化膜１８に方向性を持って引き寄せられ、凸部１４においてその上部１１および底部１３の酸化膜１８に選択的に付着し、凸部１４の側部１２に対しては付着し難くなる。付着した電子１９により酸化膜１８表面に例えば数Ｖから数１０Ｖの電圧が発生し、酸化膜１８表面とシリコン基板１０との間に電界が発生する。この電界によりシリコン基板１０の構成元素であるＳｉ１７がイオン化して酸化膜１８中に拡散して酸化を促進する。前記電界は、前記電子１９の付着量に比例するため、前記凸部１４の上部１１および底部１３で大きくなり、側部１２で小さくなる。その結果、前記凸部１４の上部１１および底部１３では前記大きな電界による酸化促進効果が表れ、酸化膜１８が厚く形成される。前記凸部１４の側部１２では、電界による酸化促進効果が低く、主にラジカル酸化のみの酸化効果となるため、酸化膜１８が薄く形成される。したがって、このような作用により凸部１４の上部１１および底部１３に厚い酸化膜１８を、凸部１４の側部１２に薄い酸化膜１８を形成する異方性の酸化がなされる。

前記シリコン基板の加熱は、酸素ラジカルによる酸化を採用することによりシリコン基板にドープされた不純物の拡散を生じる１０００℃より十分に低い温度、例えば４００〜６００℃の温度にすることが可能になる。

前記酸素を含むガスは、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンのような希ガスと酸素との混合ガスを用いることが好ましい。特に、この混合ガス中の酸素比率は６体積％以下、より好ましくは０．５〜６体積％の範囲にすることが望ましい。このような酸素比率の混合ガスは、前述した電界に関与する電子をプラズマ中により多く発生させることが可能になり、異方性酸化をより一層実行し易くなる。また、前記希ガスの中で、特にアルゴンは他の希ガスに比べて廉価で電子の生成量を増大できるために好適である。

前記シリコン基板に印加する直流電圧は、酸素比率が１体積％前後の前記混合ガスを用いる場合、２０〜４０Ｖにすることが好ましい。この直流電圧を２０Ｖ未満にすると、異方性酸化が困難になる虞れがある。一方、前記直流電圧が４０Ｖを超えると、形成された酸化膜にピンホール等が発生して膜質を低下させる虞がある。

前記シリコン基板への直流電圧の印加において、正電圧をシリコン基板に印加することが好ましい。このように前記シリコン基板に正電圧を印加することにより前述したプラズマ中の電子に対して効率的に電界を加えることが可能になり、異方性酸化をより一層実行し易くなる。

以上、本発明に係る第１実施形態によれば凸部を有するシリコン基板のようなシリコン系被処理物を酸素ラジカルを含むプラズマ雰囲気に曝すとともに、前記基板に直流電圧を印加することによって、１０００℃より低い温度（例えば４００〜６００℃℃）で前記シリコン系被処理物の異方性酸化を遂行でき、かつシリコン基板の不純物の拡散を抑制することが可能な酸化処理方法を提供できる。

また、このようなシリコン系被処理物の異方性酸化を実施し得る酸化処理装置を提供できる。

なお、前述した第１実施形態ではプラズマ発生手段としてマイクロ波を真空チャンバのプラズマ生成室の放射させるための導波管を用いたが、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）を用いてもよい。

（実施例１）
図４に示す上部１１および側部１２を有し、基板１０表面を底部１３とする凸部１４が形成されたシリコン基板１０を用意した。このシリコン基板１０を前述した図１に示す酸化処理装置の処理室２内のホルダ４に保持させた。つづいて、前記ホルダ４のヒータにより前記シリコン基板１０を４００℃に加熱した。この状態で真空ポンプを作動して真空チャンバ１内のガスを図示しない排気管を通して排気した。同時に、アルゴン、酸素および水素の混合ガスをガス供給管６を通してアルゴンに対する酸素の比率（Ｏ₂／Ａｒ＋Ｏ₂）が１．４体積％になるように約５１０ｓｃｃｍの流量で前記真空チャンバ１上部のプラズマ生成室３に供給した。真空チャンバ１内の圧力が１５０Ｐａになった時点で前記シリコン基板１０に直流電圧電源５から直流バイアス電圧を印加すると共に、図示しないマイクロ波電源から２ｋＷのマイクロ波を方形導波管８内に導入することによりマイクロ波をスリット９および誘電体窓７を通して前記プラズマ生成室３に放射し、電子密度が３×１０¹¹ｃｍ^-3のプラズマを発生させ、前記シリコン基板１０を５分間酸化処理した。
酸化処理後のシリコン基板１０について、その凸部１４における底部１３の酸化膜の厚さ（ｔ１）および側部１２の酸化膜の厚さ（ｔ２）を測定した。その結果を図５に示す。なお、図５において横軸は直流バイアス電圧、左縦軸に底部および側部の酸化膜の厚さ、右縦軸は（側部の酸化膜の厚さ）／（底部の酸化膜の厚さ）の比を示す。
図５から明らかなようにシリコン基板に直流バイアス電圧を印加すると、図４に示す凸部１４の側部１２に形成される酸化膜の厚さ（ｔ２）は直流バイアス電圧無印加に比べて変化が小さいものの、底部１３に形成される酸化膜の厚さは増大し、異方性の酸化がなされることがわかる。特に、直流バイアス電圧が２０〜４０Ｖの範囲で底部１３に形成される酸化膜の厚さは顕著に増大し、（側部の酸化膜の厚さ）／（底部の酸化膜の厚さ）の比も小さくなって、より高い異方性の酸化がなされる。

（実施例２）
アルゴン、酸素および水素の混合ガス中のアルゴンに対する酸素比率（Ｏ₂／Ａｒ＋Ｏ₂）［Ｒ］を０体積％＜Ｒ≦３０体積％にし、かつ直流バイアス電圧を０Ｖに設定した以外、実施例１と同様な方法によりシリコン基板の酸化処理を行った。このような酸化処理によるシリコン基板における凸部の底部での酸化速度を測定した。その結果を図６に示す。
図６から明らかなように混合ガス中のアルゴンに対する酸素比率が１体積％程度で酸化速度が最大になり、その酸素比率の増大に伴って酸化速度が低下することがわかる。
（第２実施形態）
図７は、この第２実施形態に係る酸化処理装置を示す概略斜視図である。

真空チャンバ２１は、シリコン系被処理物を酸化処理するための例えば矩形状の処理室２２と、この処理室２２の上部に連通して配置された例えば円筒室２３とから構成されている。前記処理室２２は、真空ポンプで真空引きされる排気管（図示せず）が連結されている。ヒータが内蔵された例えば円板状のホルダ２４は、前記処理室２２内に配置されている。

放電管２５は、マイクロ波が導入される水平方向に延びる方形導波管２６の出口端部付近にその水平面に対して垂直に挿入されている。ガス供給管２７は、前記放電管２５の上端に連結されている。前記放電管２５の下端は、ボックス２８を介して水平方向に延びる酸素ラジカル輸送管２９に連結されている。この輸送管２９は、前記真空チャンバ２１の処理室２２側壁に連結されている。

例えば石英ガラスからなる紫外光透過窓３０は、前記円筒室２３の上端に配置されている。紫外光照射手段である複数本、例えば３本の紫外光ランプ３１は、前記透過窓３０上に並べて配置されている。反射ミラー３２は、前記紫外光ランプ３１の上方に配置されている。

前記構造のシリコン基板３３を処理室２２内のホルダ２４に保持させる。つづいて、ホルダのヒータにより前記シリコン基板３３を加熱する。この状態で真空ポンプを作動して真空チャンバ２１、輸送管２９および放電管２５内のガスを図示しない排気管を通して排気する。同時に、酸素を含むガス（例えば酸素（Ｏ₂）をアルゴン（Ａｒ）で希釈した混合ガス）をガス供給管２７を通して前記放電管２５内に供給する。前記放電管２５内等が所定の圧力になった時点で図示しないマイクロ波電源からマイクロ波を方形導波管２６内に導入することによりマイクロ波を前記放電管２５内に放射する。このマイクロ波の電界によって、ＡｒおよびＯ₂ガスを電離して電子を生成し、プラズマ化して高電子密度のプラズマを発生させる。この時、プラズマ中にはＡｒイオン、Ｏ₂イオン、Ｏイオン、Ｏ原子（ラジカル）や電子等が生成される。Ｏ原子は、Ｏ₂分子に電子が衝突することで解離して生成される。Ｏ原子は、励起状態にあり、活性化されて反応性が高くなっている。この状態を酸素ラジカルと呼ぶ。この酸素ラジカルを含む各種イオンは、放電管２５からボックス２９および輸送管２９を移動する。この間、Ａｒイオン、Ｏ₂イオン、Ｏイオンおよび電子からなる荷電粒子は前記放電管２５および輸送管２９の壁面に衝突してエネルギーを失って消滅する。一方、酸素ラジカルは前記放電管２５および輸送管２９の壁面に衝突してエネルギーを失わずに前記処理室２２に導入され、前記シリコン基板３３表面が酸素ラジカルの雰囲気に曝される。

前記酸素ラジカルの前記処理室２２への導入直後に紫外光ランプ３１を点灯させて紫外光を紫外線透過窓３０および円筒室３３を通して前記シリコン基板３３表面に照射する。同時に、紫外光ランプ３１の背面に配置した反射ミラー３２で反射された紫外光も同様に前記シリコン基板３３表面に照射されて、紫外光の効率的な照射がなされる。この時、シリコン基板３３は紫外光を吸収し、電子が励起される。この電子は、シリコン基板３３の表面側のみに現れ、その内部に電界が発生する。この電界を緩和するようにイオン化されたシリコンが基板３３の表面に移動する。ヒータにより加熱されたシリコン基板３３の表面において、前記移動したシリコンイオンと雰囲気中の酸素ラジカルとが反応して酸化膜を形成する。

前述した紫外光ランプ３１等からの紫外光は、シリコン基板の表面に垂直方向に方向性を以って照射される。つまり、紫外光はシリコン基板３３上に形成された凸部の上部および底部にのみに照射される。光の回折の影響により若干凸部の側部にも紫外光は照射されるが、上部および底部に照射される光量と比較して無視できる程度に少ない。したがって、前述した電子励起効果はシリコン基板３３上に形成した凸部の上部および底部のみに表れ、酸化が促進されるため、選択的な酸化、つまり異方性の酸化が可能となる。

前記酸素を含むガスは、酸素単独、またはヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンのような希ガスと酸素との混合ガスを用いることができる。この混合ガス中の酸素比率は、前述した第１実施形態のような制約はなく任意であり、例えば酸素比率が５０〜１００体積％の範囲にすればよい。

前記紫外光は、その照射時に電子を効率的に励起させる目的から、シリコン（Ｓｉ）に吸収される波長域を選択することが好ましい。

以上、本発明に係る第２実施形態によれば凸部を有するシリコン基板のようなシリコン系被処理物を酸素ラジカルを含む雰囲気に曝すとともに、前記基板に紫外光を照射することによって、１０００℃より低い温度（例えば４００〜６００℃）で前記シリコン系被処理物の異方性酸化を遂行でき、かつシリコン基板の不純物の拡散を抑制することが可能な酸化処理方法を提供できる。

以上詳述したように、本発明によれば１０００℃より低い温度で凸状構造物を有するシリコン基板のようなシリコン系被処理物におけるその凸部の上部および底部を選択的に酸化して厚い酸化膜を、その凸部側部にそれら上部および底部より薄い酸化膜を形成する、異方性の酸化が可能な半導体装置の製造プロセスに有用なシリコン系被処理物の酸化処理方法、ならびにこの酸化を実現することが可能な酸化処理装置を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る酸化処理装置を示す概略斜視図。従来の酸素ラジカルによる酸化モデルを示す概略図。本発明の第１実施形態に係る電界印加によるラジカル酸化モデルを示す概略図。本発明の実施例１に用いられる凸部構造を有するシリコン基板を示す断面図。本発明の実施例１における直流バイアス電圧と、凸部の底部および側部の酸化膜の厚さ、並びに（側部の酸化膜の厚さ）／（底部の酸化膜の厚さ）の比との関係を示す特性図。本発明の実施例２におけるアルゴンに対する酸素比率と酸化速度との関係を示す特性図。本発明の第２実施形態に係る酸化処理装置を示す概略斜視図。

符号の説明

１、２１…真空チャンバ、２、２２…処理室、３…プラズマ生成室、２４、４…ホルダ、５…直流電源、６、２７…ガス供給管、８、２６…方形導波管、１０…シリコン基板、１１…上部、１２…側部、１３…底部、１４…凸部、２５…放電管、２９…酸素ラジカル輸送管、３０…紫外光ランプ、３２…反射ミラー。

Claims

凸部を有するシリコン基板を加熱する工程と、
前記シリコン基板の周囲に酸素比率が０．５〜６体積％の希ガスと酸素の混合ガスのプラズマを発生して酸素ラジカルおよび電子を含む雰囲気に曝して凸部を含むシリコン基板にシリコン酸化膜を形成する工程と、
前記プラズマの発生に前後して前記シリコン基板に直流電圧電源から正電圧を印加することにより、前記プラズマ中の電子が方向性を以って前記凸部上部および前記凸部底部の前記シリコン酸化膜に前記凸部側部に比べて多く引き寄せられて付着し、付着した電子の作用で前記凸部上部および前記凸部底部において前記シリコン酸化膜と前記シリコン基板の間に電界を発生させ、前記シリコン基板のシリコンをイオン化して前記シリコン酸化膜中に拡散させて前記酸素ラジカルによる酸化を促進し、それによって前記凸部上部および前記凸部底部に前記凸部側部に比べて厚いシリコン酸化膜を形成する異方性酸化を行う工程と
を含むことを特徴とするシリコン基板の酸化処理方法。
前記凸部は前記シリコン基板溝加工することにより形成されることを特徴とする請求項１記載のシリコン基板の酸化処理方法。
前記凸部を有するシリコン基板はシリコンの凸部が酸化膜を介して形成されたシリコン基板であることを特徴とする請求項１記載のシリコン基板の酸化処理方法。
前記希ガスがアルゴンであることを特徴とする請求項１ないし３いずれか記載のシリコン基板の酸化処理方法。
前記シリコン基板の加熱は４００〜６００℃の温度でなされることを特徴とする請求項１ないし４いずれか記載のシリコン基板の酸化処理方法。