低溫下使矽晶片氧化的方法及其使用的設備的製作方法
2023-05-23 13:21:31 1
專利名稱：低溫下使矽晶片氧化的方法及其使用的設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及在矽上生產集成電路時進行製造步驟時使用的設備和方法，具體來說，本發明涉及利用自由基氧機理進行用於淺溝槽隔離和柵極氧化(gate oxidation)的低溫矽氧化時使用的設備和方法。
現有技術使用高質量和高純度石英爐，其加熱元件能夠將管溫升高到接近矽的熔點。一般的氧化工藝是在O2、N2O或NO的存在下在約900-1100℃的溫度下進行的。一般在約700℃的低溫下用夾持盛放晶片的石英舟的石墨裝卸臂將矽晶片裝入和移出爐。純度和質量的要求使其成為比較昂貴的工藝。
目前沒有為生產目的而在低溫下氧化矽的有效方法。現在有一些已知的低溫下氧化矽的方法，如Togo等人，Impact of Radical Oxynitridationon Characteristics and Reliability of Sub-1.5nm Thick Gate Dielectric FETswith Narrow Channel and Shallow Trench Isolation，IEDM Technical Digest2001，813頁和Togo等人，Controlling Base SiO2Density of Low Leakage1.6nm Gate SiON for High Performance and Highly Reliable n/pFETs，Symposium on VLSI Technology 2001，T07A-3中所述的電子迴旋共振(ECR)等離子體氧化法或Saito等人，Advantage of Radical Oxidation for ImprovingReliability of Ultra-Thin Gate Oxide，2000 Symposium on VLSITechnology，T18-2，2000中所述的利用自由基槽縫天線的等離子體氧化法。上述文獻中所述的方法除產生自由基外還產生大量離子、電子和光子，這些都能損傷矽表面，降低氧化物質量。儘管這些文獻聲稱能夠形成高質量的氧化物，但是目前這些方法都沒有在生產線上採用。在不形成大量離子的條件下進行氧化的輻射誘導自由基氧化工藝有望更好一些。Hirayama等人，Low Temperature Growth of High-Integrity Silicon OxideFilms by Oxygen Radical Generated in High Density Krypton Plasma，IEDMTech.Dig.249頁，1999中描述了Saito等人的技術的變化工藝。上述文獻都需要傳統的非反應室和特殊的晶片夾持工具。
本發明的目的是提供一種低溫氧化矽的方法，該方法不會在矽晶片或形成於其上的氧化層中導入雜質。
本發明的另一個目的是提供在不需要花費改裝費用的條件下在傳統的爐內將矽低溫氧化的方法。
本發明的另一個目的是提供在低於400℃的溫度下在矽基底上形成氧化層的方法，通過在低於750℃的溫度下快速熱退火可以改善MOSFET(金屬氧化物半導體場效應電晶體)柵極氧化物使用的氧化物質量。
發明概述和發明目的是為了使人快速了解本發明的性質。參考本發明的優選實施方案的詳述部分並結合附圖可以更徹底地理解本發明。
在本發明方法的一個實施方案中，該方法還包括使真空室保持約40毫託-90毫託的壓力。
在本發明方法的另一個實施方案中，所說的將氧化氣體導入真空室的步驟包括提供約2sccm-50sccm的氣流。
在本發明方法的另一個實施方案中，該方法包括在所說的形成氧化層的過程中，在矽晶片上施加約5-10伏的負電勢。
在本發明方法的另一個實施方案中，該方法包括在形成所說的氧化層後，在惰性氣氛中在約600℃-750℃的溫度下將矽晶片和氧化層退火約1-10分鐘。
在本發明方法的另一個實施方案中，激發物燈是氙激發物燈，光的波長是172nm。
在本發明方法的另一個實施方案中，光的波長選自126nm、146nm、172nm、222nm和308nm。
本發明的另一方面是提供用於低溫氧化矽晶片的設備，其包括其中放置矽晶片的真空室；將氧化氣體導入真空室的歧管(manifold)，氧化氣體選自由N2O、NO、O2和O3組成的組中的氧化氣體；在真空室內置於矽晶片上的激發物燈(excimer lamp)，激發物燈照射氧化氣體和矽晶片，激發物燈發光。
在本發明的一個實施方案中，歧管以約2sccm-50sccm的氣體流速導入氧化氣體。
在本發明的另一個實施方案中，激發物燈是氙激發物燈，光的波長是172nm。
在本發明的另一個實施方案中，該設備還包括用於在矽晶片上施加約5-10伏的電勢的電壓電源。
在本發明的另一個實施方案中，光的波長選自126nm、146nm、172nm、222nm和308nm。
圖2是示出本發明的低溫氧化矽晶片的方法的流程圖。
圖3是經過10分鐘氧化的氧化層與溫度的關係座標圖。
本申請與2002年6月4日申請的發明名稱為A Method of forming ahigh quality gate oxide at low temperature的序列號為10/164919的申請相關。
現在說明本發明的原理。
根據本發明的方法，生成大量活性氧種。可以認為活性氧種是O(1D)亞穩態的自由基氧原子或O-離子。
眾所周知，光解N2O可以生成O(1D)亞穩態的自由基氧原子，即，在產生N2和O的簡單光解步驟中用波長小於195nm的光照射N2O可以生成O(1D)。因為O(1D)態比基態O(3P)的能量高，所以O(1D)態的氧能夠更迅速地氧化矽，因此該方法是一種更有效的氧化方法。還可以用O2、O3、NO形成O(1D)，儘管不同的情況下需要的光子波長不同。
通過分解附著在N2O、O2或O3上的電子可以形成負離子種O-。具體來說，用預定波長的光照射矽晶片，使矽晶片發出光電子。低動能的光電子與分子如N2O撞擊，形成臨時負離子N2O-，然後，N2O-分解成N2和O-。
上述形成的O(1D)亞穩態的自由基氧原子和負氧離子O-與矽有很高的反應性。
為了用本發明的方法氧化矽晶片，需要使用真空室。幾乎在所有基準壓力最高為1×10-5託的真空室中都可以氧化矽晶片。構造真空室的材料可以是多種材料中的任何一種，包括陽極化鋁、不鏽鋼、Teflon_、玻璃、陶瓷、石英和石墨。因此，可以在不花費改裝費用的條件下使用傳統的真空室，建造新真空室時也不需要使用昂貴的非反應性材料(non-reactive materials)。溫度允差並不關鍵，因為氧化可以在低至室溫的溫度下進行，而大量雜質的擴散在溫度達到約600℃+時才會發生。
因此，根據本發明，不需要使用昂貴的特定設備，在低溫下就易於氧化矽晶片。
下面參考附圖詳述本發明。
圖1示出實施本發明方法的設備10。設備10包括真空室12。真空室12具有Teflon_上表面12T、陽極化鋁壁12W和底面12B。建造該真空室的材料可以使用陽極化鋁、不鏽鋼、石英、玻璃、陶瓷及矽氧化技術中不常使用的其它材料。
真空室12具有晶片卡盤18和氙激發物燈14。真空室12內設置有裝卸閘17。晶片16通過裝卸閘17放入真空室12。晶片16被固定在晶片卡盤18中的適當位置處。
可以對晶片16形成圖案以對其特定區域進行氧化，也可以將整個晶片16氧化，因此，晶片16可以包括矽基底。
氙激發物燈14設置在至少要部分氧化的晶片(矽晶片)16的表面上。另外，氙激發物燈14在陶瓷圓筒20內。氙激發物燈14發射波長約為172nm或能量為7.21eV的光，其功率約為3-20mW/cm2。氙激發物燈14可以是較便宜的可商購產品，如Osram Sylvania生產的XeradexTM燈。
在真空室12內設置有入口歧管22、節流閥和渦輪泵24。氧化氣體(如N2O)通過進口歧管22以約2sccm-50sccm的流速導入真空室12，並且通過節流閥和渦輪泵24從真空室12中除去，以此使真空室內的壓力保持為約40毫託-90毫託。
氙激發物燈14是產生大量光子的光源。可以認為光子通過下述機理激發氧化矽的反應1)分解氧化氣體，形成O(3P)和O(1D)自由基和/或2)從矽表面發出光電子，其中，電子和氧化氣體反應，在臨近矽晶片的區域內形成O-離子。
在低於400℃的溫度下進行氧化的情況下，雜質的擴散可以忽略不計。這樣就可以在諸如塑料基底的物體上進行氧化。
圖2是示出本發明的低溫氧化矽晶片的方法的流程圖。下面將結合每一個步驟描述用圖1所示的設備10低溫氧化矽晶片16的方法。
步驟S201將矽晶片16置於真空室12內。矽晶片16被固定在晶片卡盤18中的適當位置處。
步驟S202矽晶片16的溫度保持為約室溫至350℃。能夠加熱的晶片卡盤18可以達到這樣的溫度設置。晶片卡盤18可以達到最高約400℃的溫度。但是，因為晶片卡盤18的設計結構使得晶片16不能達到與卡盤相同的溫度。在卡盤的設定溫度是400℃時，溫度偏差可高達160℃。因此，在氧化過程中晶片16的溫度可能保持為約室溫至400℃，但是晶片16的溫度實際上保持為約室溫至300℃。
步驟S203在氧化過程中，將穩定流動的氧化氣體如N2O導入真空室12。氧化氣體選自由N2O、O2、NO和O3組成的組中的氧化氣體。用真空室和泵系統之間的節流閥控制真空室12內的壓力。後面以用N2O作為氧化氣體為例進行說明。真空室12內的壓力範圍約為40毫託-90毫託。氧化氣體的流速範圍約為2sccm-50sccm。
步驟S204用氙激發物燈14發出的光(雷射)照射氧化氣體和矽晶片16的表面。例如，在氧化氣體是N2O的情況下，氙激發物燈14發出的光的光子能量將一些N2O分解，產生自由基氧原子O(1D)和作為N2O的主要副產品的N2。然後，自由基氧與矽晶片16反應，生成氧化區(氧化層)。氙激發物燈14發出的光子(光)還撞擊矽晶片16的表面，使其發出能量約為2eV的光電子。這些低能量的光電子可以被N2O俘獲，形成N2和O-。然後，這些自由基氧和/或負氧離子與矽晶片16反應，生成氧化矽區。
在氧化氣體是O2的情況下，氙激發物燈14發出的光(雷射)照射真空室12內的氣態O2，生成O3，O3優先吸附在矽晶片16表面上的O2上。矽晶片16上的照射1)光解O3，形成O2和O自由基，2)從矽晶片16表面上發出低能量的光電子，這些低能量的光電子被O3俘獲，在分解電子附著反應中形成O2和O-，3)斷開生長的氧化膜界面處的Si-Si鍵，促進氧化物的進一步生長。如此形成的O自由基和O-離子都與矽有很高的反應性。
進行步驟S201-S204，在矽晶片16上形成氧化層。
氧化物生長後必須進行快速熱退火，以使氧化物界面處損傷的矽層再結晶。這要求在約600℃-750℃的溫度下退火約1-10分鐘。在氧化氣體是N2O的情況下，吸附的分子可光解成N2+O自由基或NO+N。從而使最終的氧化膜中有少量氮。從矽晶片16表面發出的光電子可分解性地附著電子，形成N2+O-。光子還再次斷開Si-Si鍵，促進活性O自由基和O-離子形成氧化物，並且需要進行快速熱退火，以完善該氧化物。
如上所述，本發明的一個目的是在低於400℃的溫度下在矽基底上形成氧化層，通過在低於750℃的溫度下快速熱退火改善MOSFET柵極氧化物使用的氧化物質量。因此，在形成所說的氧化層後，在惰性氣氛中在約600℃-750℃的溫度下將氧化後的晶片退火約1-10分鐘，以使矽再結晶。
再次參考圖1，用電壓電源(未示出)在矽晶片16上施加小的正電勢將使氧化速度放慢。實驗證明在矽晶片16上施加小的負電勢就足以加速氧化。當矽晶片16從晶片卡盤18上電漂浮(絕緣)時，在發射光電子的過程中矽晶片16集聚正電勢。當矽晶片16和晶片卡盤18電接地產生中性電勢時，可以觀察到氧化過程加速。在矽晶片16上施加負電勢可增加光電子的能量和數量，這些都有助於提高氧化速度。
下面描述標準十分鐘氧化工藝的一個例子。當矽晶片16和晶片卡盤18電接地時形成厚度為31埃的氧化層。當矽晶片16和晶片卡盤18電絕緣時，在同樣的時間內和同樣的條件下形成厚度為15埃的氧化層。眾所周知只有在光電子能量達到9eV時，O3和光電子反應形成O2和O-的可能性才隨光電子能量的增加而增加。當矽晶片16和晶片卡盤18接地時，光電子能量只有2.3eV。利用晶片卡盤18在矽晶片16上施加約5-10伏的負偏壓(負電勢)26，以增加矽晶片16發射的光電子能量，加速氧化物的生長，使得標準十分鐘氧化工藝能夠在約3-4分鐘內完成。這樣的施加負電勢是在圖2所示的步驟S204中進行的。
O(1D)狀態的氧量取決於導入真空室12的N2O量、氙激發物燈14發出的光強度和矽晶片16表面附近O(1D)的存在時間。在該環境中的曝光時間越長，得到的氧化物越厚。
用O(1D)自由基對矽進行的氧化對溫度的依賴性不高，即使在室溫下也能生成基本的氧化層，在升高的溫度下，可以看到氧化速度的稍微升高。
圖3示出經過10分鐘氧化的氧化膜的溫度依賴性。
O(1D)態或O-被N2O淬滅或者N2O光解的副產品好像都不影響氧化。因此，氙激發物燈14與矽晶片16的接近度不是特別關鍵。為了達到最佳氧化條件，必須調節壓力和氣體流速。對於本發明的設備的結構來說，約40毫託-90毫託的真空室壓力和約2sccm-50sccm的氣體流速足以完成本發明。
再次參考圖1，氙激發物燈14相對於真空室中矽晶片16的位置不是特別關鍵。但是在設計時要考慮的很重要的一點是氙激發物燈14能夠照射充滿少量N2O的真空室12的空間，使分解副產品能夠和矽晶片16表面相互作用，使矽晶片16表面能夠發出光電子。基於這種考慮，氙激發物燈14可以和矽晶片16成任何角度放置。氣體的淨流應當使矽晶片16處於氣體入口和氙激發物燈14的下遊。將氧化氣體導入真空室12包括導入選自由N2O、NO、O2和O3組成的氧化氣體的氣體，這些氣體被引入真空室的適當的光子所分解。
在本發明中，用氙激發物燈(氙激發物雷射器)光解氧化氣體和/或從矽晶片發出光電子。但是，激發物燈並不局限於氙激發物燈。
隨著激發物燈技術的發展，使用其它波長也是可能的。其它激發物燈產生126nm、146nm、222nm和308nm波長的光，但是，這些激發物燈可能不如波長為172nm的氙激發物燈有效。
至此，本發明已經公開了低溫氧化矽的方法和系統。應當理解的是，在所附的權利要求書定義的本發明的保護範圍內，還可以對本發明進行一些變化和改動。
如上所述，本發明的低溫氧化矽晶片的方法包括將矽晶片置於真空室內；使矽晶片保持在約室溫至400℃的溫度下；將氧化氣體導入真空室；和用激發物燈發射的光照射氧化氣體和矽晶片，產生活性氧種，並且在矽晶片上形成氧化層。氧化氣體選自由N2O、NO、O2和O3組成的組中的氧化氣體。形成氧化物包括光解氧化氣體和從矽晶片中發出光電子，使光電子和氧化氣體相互反應。用激發物燈發射的光照射氧化氣體和矽晶片，易於進行光解和/或光電子發射。從而產生活性氧種，在不使矽晶片經受高溫的條件下就易於進行氧化。
權利要求
1.一種將矽晶片低溫氧化的方法，其包括將矽晶片置於真空室內；使矽晶片保持在約室溫至400℃的溫度下；將氧化氣體導入真空室，氧化氣體選自由N2O、NO、O2和O3組成的組中的氧化氣體；和用激發物燈發射的光照射氧化氣體和矽晶片，產生活性氧種，並且在矽晶片上形成氧化層，其中包括光解氧化氣體和從矽晶片中發出光電子，使光電子和氧化氣體相互反應。
2.根據權利要求1的方法，其中還包括使真空室保持約40毫託-90毫託的壓力。
3.根據權利要求1的方法，其中，所說的將氧化氣體導入真空室的步驟包括提供約2sccm-50sccm的氣流。
4.根據權利要求1的方法，其包括在所說的形成氧化層的過程中，在矽晶片上施加約5-10伏的負電勢。
5.根據權利要求1的方法，其包括在形成所說的氧化層後，在惰性氣氛中在約600℃-750℃的溫度下將矽晶片和氧化層退火約1-10分鐘。
6.根據權利要求1的方法，其中，激發物燈是氙激發物燈，光的波長是172nm。
7.根據權利要求1的方法，其中，光的波長選自126nm、146nm、172nm、222nm和308nm。
8.一種用於將矽晶片低溫氧化的設備，其包括用於在其中放置矽晶片的真空室；將氧化氣體導入真空室的歧管，所述氧化氣體選自由N2O、NO、O2和O3組成的組中的氧化氣體；和在真空室內置於矽晶片上的激發物燈，激發物燈照射氧化氣體和矽晶片，激發物燈發出光。
9.根據權利要求8的設備，其中，歧管以約2sccm-50sccm的氣體流速導入氧化氣體。
10.根據權利要求8的設備，其中，激發物燈是氙激發物燈，光的波長是172nm。
11.根據權利要求8的設備，其還包括用於在矽晶片上施加約5-10伏的電勢的電壓電源。
12.根據權利要求8的設備，其中，光的波長選自126nm、146nm、172nm、222nm和308nm。
全文摘要
本發明提供一種將矽晶片低溫氧化的方法，其包括將矽晶片置於真空室內；使矽晶片保持在約室溫至400℃的溫度下；將氧化氣體導入真空室，氧化氣體選自由N
文檔編號H01L21/316GK1467801SQ0313689
公開日2004年1月14日 申請日期2003年5月23日 優先權日2002年6月4日
發明者大野芳睦, H·雷, B·馬克 申請人:夏普株式會社