专利名称：硅的游离基氧化方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及硅晶片上集成电路的制造，特别是涉及利用硅的氧化反应形成低温、高质量的二氧化硅层。
目前还没有一种低温硅氧化的有效制造方法。公知的低温硅氧化方法有例如等离子氧化，由K.Watanabe等人在Controlling the concentration and position ofnitrogen in ultrathin oxynitride films formed by usmg oxygen and nitrogen radicals，Appl.Phys.Lett.76，2940(2000)中所描述；或者使用放射状的槽孔天线的氧化方法，由Y.Saito等人在Advantage of Radical Oxidation for Improving Reliability ofUltra-Thin Gate Oxide，2000 Symposium on VLSI Technology，T18-2，(2000)中作了描述；和由M.Hirayama等人在Low temperature Growth of High-Integrity SiliconOxide Films by Oxygen Radical Generated in High Density Krypton Plasma，IEDMTech.Dig.p249，(1999)中所描述。这些方法除了产生游离基之外还产生大量的离子，这些离子能够破坏硅表面，同时降低氧化物层的质量。
V.Nayar等人在Atmospheric Pressure，Low Temperature(＜500℃)UV/OzoneOxidation of Silicon，Electronics Letters，26，205(1990)中描述了一种技术，其中将紫外线(UV)与臭氧结合以产生氧游离基，然而，在其所用装置中所采用的常压使O(1D)因碰撞所致减活而成O(3P)状态。由于缺乏O(1D)，严重影响所得结果。尽管如此，其中却报道氧化速率得到提高和氧化物良好地符合化学计量。
其他的技术在R.J.Wilson等人的Speed-Dependent Anisotropy Parameters inthe UV Photodissociation ofOzone，J.Chem.A，101，7593-7599(1997)；和K.Takahashi等人的Wavelength and temperature dependence of the absolute O(1D)production yield from the 305-329 nm photodissociation of ozone，J.Chem.Phys.108，7161(1998)中有所描述。
在低得很多温度下进行氧化反应而又不牺牲基底质量的能力，将给半导体工业带来巨大的利益。在(100)硅(正方平面取向)上的氧化速率实际上与(111)硅(三角平面取向)相同，因此这种氧化技术能直接满足用于浅沟槽隔离的适形氧化的需求。
一种硅的游离基氧化方法，其中硅取半导体纯硅晶片形式，该方法包括将硅晶片置于加热卡盘中，其中加热卡盘将硅晶片的温度保持在大约400℃至500℃之间，并将加热卡盘置于真空室中，该真空室的压力保持在大约1mTorr至2000mTorr之间；将氧化性气体引入一个氧气离解机构中；将氧化性气体离解成含O(1D)态氧气的离解产物；使O(1D)态氧在加热的硅晶片上方通过；将硅晶片在真空室中大约保持1分钟至60分钟，在晶片上形成一层二氧化硅。
本发明的一个目的是提供一种在相对较低的温度下快速氧化硅基底而形成二氧化硅层的方法。
本发明的另一目的是提供一种用于进行本发明方法的装置。
本发明进一步的目的是将硅晶片氧化而不导致不希望有的元素的扩散到硅基底中。
上述本发明的概述和目的确保快速理解本发明的实质。通过参考下面本发明优选实施方案的详述并结合附图可以更彻底地理解本发明。
附图简述
图1描述了进行游离基氧的硅氧化装置。
图2描述了本发明装置的一种替换实施方案。
图3描述了使用UV激光进行游离基氧化的本发明装置的一种替换的实施方案。
优选实施方案详述本发明方法包括产生大量游离基氧原子，特别是O(1D)亚稳态氧原子。公知的通过O3、N2O的光离解作用能够产生这种氧原子。用波长小于311nm的紫外光照射臭氧也产生O(1D)。同样，用波长小于195nm的紫外光照射N2O也产生O(1D)。由于这种O(1D)态具有高于基态-O(3P)的能量这个事实，将能更快地形成氧化硅，而且比基态的氧具有更高的效率。
通过与其他分子碰撞或者与杂质反应，可以使亚稳态O(1D)容易地减活。因此，重要的是，在到达待氧化的硅表面之前，这种状态的氧不能被消稳。这就需要在低压真空室环境中进行氧化过程，优选在衬有石英的装置中进行。
图1中，由10总括表示的第一个优选实施方案的装置中包括真空室12，其中有加热卡盘14。将硅晶片16放置在卡盘14中，在氧化过程中它位于此位置。氧化气体源18提供一种例如O2、O3、NO或N2O的可以被离解而形成O(1D)态氧的气体。在这个实施方案中，氧离解机构20包括产生紫外线的光源，该光源具有高紫外光密度，例如水银蒸汽灯或激基缔合物灯。泵22提供了一个用于从真空室12中传送已离解氧化气体通过和排出已离解氧化气体的装置。气源18将上述任何一种氧化气体通过石英管24引入真空室12中，该石英管的直径约1英尺。该管经过由光源20照射的区域。包含O(1D)的光解离产物流过夹持在卡盘中的热硅晶片的表面。氧化的温度约低如400℃至500℃之间，然而，氧化速率与1000℃下进行的O2热氧化速率相同。腔室12中的压力约保持在1mTorr至2000mTorr之间，氧化过程约需时1分钟至60分钟。
沿此思路进行的其他研究已经能产生伴有许多其他激发态分子和离子化分子的O(1D)。最相关的情况是Saito等人在supra中所述者，其中描述了Kr和O2的混合物在等离子体中放电，导致激发态Kr*经历共振能量传递而形成可离解成O(1D)的O2*。O(1D)连同其他激发态分子和离子化分子一起与硅表面反应而形成氧化物。
实施本发明方法的另一种结构(第二个优选实施方案)在图2中由30总括表示。装置30包括真空室32，加热卡盘34，硅晶片36，第一氧化气体源38，用于输送氧化气体的石英传送管40，第二等离子气体源42，以及感应耦合等离子发生器44，它由诸如He或Ar之类能发射强UV辐照的气体产生等离子。第一个泵46从真空室32中抽出氧化气体，同时第二个泵48从感应耦合式等离子发生器44中抽出等离子气体。就He而言，典型的操作条件是，压力约30mTorr至70mTorr之间，流速约10sccm，使用功耗约200瓦至700瓦之间、频率为13.56MHz的RF发生器。将氧化性气体从等离子气体中分离出来，同时它不会产生自我放电，因为压力大大高于衰变条件所需的压力。等离子气体和氧化气体之间的光耦合能确保O(1D)的形成。腔室32中的压力保持在大约1mTorr至2000mTorr之间，氧化反应过程约需时1分钟至60分钟。
装置50是本发明的第三个优选实施方案，图3中对此作了描述。装置50包括真空室52，加热卡盘54，硅晶片56，氧化气体源58和石英输送管60。激光器62产生激光束64，通过镜子66将其偏折到管60中，并通过镜子68反射回管60中。泵70将离解的氧化气体从腔室52中抽出。激光束64用于将氧化气体离解成包含O(1D)态氧的离解产物。激光器可以是脉冲式激光器或连续波(CW)式激光器，只要输出的波长短得足以进行所需的光离解作用即可。举例来说，ArF脉冲式激基缔合物激光器产生波长约193nm的紫外线光输出，即足以将N2O分子解离成O(1D)。调节到406.7nm的例如氪离子激光的CW激光器能够光离解O3而形成O(1D)。气流长度和激光路径的长度应当随同气流速率一起优化选择，以达到最大的氧化效率。真空室52中的压力保持在大约1mTorr至2000mTorr之间，氧化过程需时约1分钟至60分钟。
至此，已对硅游离基氧化方法和装置作了公开。在所附权利要求书界定的本发明范围内，对本发明可能进行的另外各种变更和变换，定当为人们理解。
权利要求
1.一种对所容纳硅晶片进行游离基氧化用的装置，包括具有加热卡盘的真空室，该卡盘用于夹持硅晶片，同时将硅晶片的温度保持在大约400℃至500℃之间，；用于提供含氧气体以在真空室中氧化硅晶片的氧化气体源；用于将含氧气体离解成包含O(1D)态氧的离解产物的氧离解机构；用于输送离解产物通过真空室的机构。
2.权利要求1所述的装置，其中的含氧气体是选自O2、O3、NO或N2O组成的一组含氧气体。
3.权利要求1所述的装置，其中的氧离解机构包括紫外线光源，该光源中包括水银蒸汽灯。
4.权利要求1所述的装置，其中氧离解机构包括紫外线光源，该光源中包括激基缔合物灯。
5.权利要求1所述的装置，其中氧离解机构包括紫外线光源，该光源中包括感应耦合式等离子发生器。
6.权利要求5所述的装置，其中感应耦合式等离子发生器包括等离子气体源，包括提供选自氦和氩的产生紫外线的等离子气体气体源，和在大约13.56MHz的频率和大约200瓦至700瓦的功率下工作的RF发生器，其中的感应耦合式等离子发生器在大约30mTorr至70mTorr之间的内压下工作。
7.权利要求1所述的装置，其中的氧离解机构包括紫外线光源，该光源中包括激光束发生器。
8.权利要求7所述的装置，其中的激光束发生器是产生具有大约193nm波长光栅的脉冲式ArF激基缔合物激光器。
9.权利要求7所述的装置，其中的激光束发生器是产生具有大约406.7nm波长光栅的连续波Kr激光器。
10.一种硅的游离基氧化方法，其中硅取半导体纯硅晶片形式，该方法包括将硅晶片放置在加热卡盘中，其中加热卡盘将硅晶片的温度保持在大约400℃至500℃之间，其中的加热卡盘放置在真空室中，该真空室的压力保持在大约1mTorr至2000mTorr之间；将氧化气体引入氧离解机构中；将氧化气体离解成包含O(1D)态氧的离解产物；将O(1D)态氧通过整个加热的硅晶片表面；和将真空室中的硅晶片保持大约1分钟至60分钟以在晶片上形成一层二氧化硅。
11.权利要求10所述的方法，其中所述的引入步骤包括引入选自O2、O3、NO或N2O中的一种氧化性气体。
12.权利要求10所述的方法，其中所述的将氧化气体离解成离解产物的步骤包括将氧化气体暴露在波长在大约195nm至311nm之间的紫外线辐照中，其中的紫外线辐照是由紫外线光源产生。
13.权利要求12所述的方法，其中所述的将氧化气体离解成离解产物的步骤包括用水银蒸汽灯产生紫外线光源。
14.权利要求12所述的方法，其中所述的将氧化气体离解成离解产物的步骤包括用激基缔合物灯产生紫外线光源。
15.权利要求12所述的方法，其中所述的将氧化气体离解成离解产物的步骤包括用感应耦合式等离子发生器产生紫外线光源。
16.权利要求15所述的方法，其中所述的离解步骤包括提供一种包含等离子气体源的感应耦合式等离子发生器，它包含提供选自氦和氩的产生紫外线的等离子气体气体源，和在大约13.56MHz的频率和大约200瓦至700瓦的功率下工作的RF发生器，其中的感应耦合式等离子发生器在大约30mTorr至70mTorr之间的内压下工作。
17.权利要求12所述的方法，其中所述将氧化气体离解成离解产物的步骤包括用激光束发生器产生紫外线光源。
18.权利要求17所述的方法，其中所述将氧化气体离解成离解产物的步骤包括用包含产生具有大约193nm波长光栅的脉冲ArF激基缔合物激光器的激光束发生器产生紫外线光源。
19.权利要求17所述的方法，其中所述的将氧化气体离解成离解产物的步骤包括用包含产生具有大约406.7nm波长光栅的连续波氪激光器的激光束发生器产生紫外线光源。
全文摘要
一种对所容纳硅晶片进行游离基氧化用的装置包括设有加热卡盘的真空室，该卡盘用于夹持硅晶片同时将硅晶片的温度保持在大约400℃至500℃之间；用于提供含氧气体以在真空室中氧化硅晶片的氧化气体源；用于将含氧气体离解成包含O(1D)态氧的离解产物的氧离解机构；和用于输送离解产物通过真空室的机构。一种硅的游离基氧化方法，其中硅取半导体纯硅晶片形式，包括将硅晶片放置在加热卡盘中，其中加热卡盘将硅晶片的温度保持在大约400℃至500℃之间，而且加热卡盘放置在真空室中，该真空室的压力保持在大约1mTorr至2000mTorr之间；将氧化气体引入到氧离解机构中；将氧化性气体离解成包含O(1D)态氧的离解产物；将O(1D)态氧通过整个加热的硅晶片表面；和将真空室中的硅晶片保持大约1分钟至60分钟，以在晶片上形成一层二氧化硅。
文档编号H01L21/316GK1419272SQ0215585
公开日2003年5月21日 申请日期2002年10月30日 优先权日2001年10月30日
发明者大野芳睦 申请人:夏普公司