(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロセスガス雰囲気を形成する処理室と、真空紫外光を放射するランプが収容され窒素ガスまたはアルゴンガス雰囲気を形成するランプハウスとが光透過窓により分離されており、該処理室内には被処理物が置かれるステージと、該被処理物に近接して該被処理物と平行なＸＹ−２軸面のＸ方向に移動可能なスリットの形成された遮光マスクが配設され、該ステージは加熱機構を具備し、該ランプハウス内には、円筒状の放電容器の端部に２００ｎｍ以下の真空紫外光を透過する窓部を具備し、該放電容器内部に単一または複数からなるエキシマー生成ガスを封入し、該放電容器を構成する誘電体を介してエキシマー生成ガスを放電せしめ、エキシマー光を該窓部から放射するランプと、該ランプの中心を遮光マスクの隙間に位置させ該ランプを前記被処理物の表面と平行かつ速度可変に移動させる機構とが配設されてなり、該エキシマー光を前記被処理物に部分的に照射するために、該遮光マスクは、該ランプの中心を遮光マスクの隙間に位置させ該ランプを前記被処理物の表面と平行に移動させ、Ｘ方向に移動させるときに該ランプのＸ方向の動きに合わせ移動させることを特徴とするシリコン半導体基板の酸化膜形成をする光処理装置。
【請求項２】
前記ステージが回転機構を備えて成ることを特徴とする請求項１に記載の光処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造プロセスにおけるシリコン半導体基板の酸化絶縁膜形成に使用する光処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
二酸化珪素（ＳｉＯ２）は、禁制帯幅が約９ｅＶと広く、容易に価電子帯の電子を伝導帯に励起できない上に、Ｓｉとの界面のエネルギー障壁高さが電子については、約３．１ｅＶ、正孔に対して３．８ｅＶと高く、容易にＳｉ基板からの電荷を注入することができない。このため、Ｓｉ半導体基板上に形成されたＳｉＯ２絶縁膜は優れた絶縁特性を示す。半導体プロセスにおいて、シリコン半導体基板上に酸化絶縁薄膜を形成する方法としては、熱酸化膜形成法、ＣＶＤ法、ＰＶＤ（スパッタリング）法などがある。
【０００３】
特に熱酸化膜形成法は、現在半導体製造プロセスで最も広く利用されている。ここで熱酸化膜形成は、一般的には、ヒーターにより加熱された石英ガラス製の炉芯管内に半導体基板をセットし、その後（１）窒素ガスをキャリアガスとして所定の濃度の酸素ガスを処理室内に流して酸化処理を行うドライ酸素酸化、（２）窒素ガスをキャリアガスとして加熱水を通して酸素ガスとを供給するウェット酸素酸化、（３）加熱水蒸気（スチーム）による１００％スチーム酸化、（４）スチームとともに窒素ガスを流すスチーム酸化、（５）水素ガスと酸素ガスを燃焼し、生成した純度の高い水蒸気を供給するパイロジェニック酸化、（６）窒素ガスをキャリアガスとして酸素ガスを液体酸素を通して流す酸素分圧酸化、（７）窒素ガスと酸素ガスと一緒に塩素ガスを添加して流す塩酸酸化などがある。
【０００４】
熱酸化膜形成法は、特に良質なＳｉＯ２の絶縁膜が得られる事が知られており、ＭＯＳトランジスタのゲート絶縁膜やキャパシタ絶縁膜には、熱酸化膜形成法によるＳｉＯ２の絶縁膜が用いられている。昨今のＭＯＳトランジスタあるいはキャパシタの微細化あるいは、高密度化、高速化に伴い、このゲート絶縁膜の厚みは、薄膜化かつ高信頼性の傾向にある。
【０００５】
ゲート絶縁膜あるいはキャパシタ絶縁膜に要求される性能として、ピンホールなどの欠陥がなく、絶縁膜としての完全性が高いことが挙げられる。より具体的には、絶縁耐圧が高く、形成されたＳｉＯ２膜とシリコンとの境界面における固定電荷やトラップ等が少ないなどの電気的特性がよく、一定電圧を印加した時の絶縁破壊に至るまでの時間が長く、形成されたＳｉＯ２膜に一定の電流を流し続ける場合に絶縁破壊に至るまでの総電荷量が多いことなどが上げられる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
先に述べた絶縁膜の薄膜化の傾向にともない、上記以外の要求として、Ｓｉ半導体基板全面に均一な膜厚を形成することが不可欠であるが、現状のゲート絶縁膜あるいはキャパシタ絶縁膜の厚みは１０ｎｍを切るところまできている。ここで、原子レベルで観察した場合、例えば単結晶Ｓｉの（１００）面の原子段差は、約０．１８ｎｍとなり、１０ｎｍの絶縁膜の厚みに対して約２％、５ｎｍのそれに対しては約４％となる。昨今の半導体基板径が８〜１２インチにも達する全面で、完全に原子段差をなくすことは技術的に非常に困難である。
【０００７】
たとえば文献（半導体プロセス技術  丹呉浩侑編  Ｐ１４０〜１４３）にあるように、熱酸化膜形成は、良質なＳｉＯ２膜が得られる反面、薄膜形成速度が早く、例えば１０ｎｍ程度の厚さのＳｉＯ２膜は、９００℃の乾燥酸素中で約１０分、同温度の水蒸気中で１分程度で得られる。しかし、９００℃という低温では、酸化にともない発生する応力の開放が進まず、シリコン溝（トレンチ）で酸化が遅くなることが知られており、また１分では、厚みの制御が困難である。したがって、今後の微細化に伴い、半導体基板全体にサブナノメータから数ナノメータ程度の均一な薄膜を得ることは従来の熱酸化膜形成では容易ではなかった。
【０００８】
この理由には様々な要因が考えられるが、薄膜であるが故に、短時間に半導体基板を昇温し、半導体基板全体を均一な温度に維持しなければならないこと、また半導体基板表面近房の酸素分子や水分子といった酸化剤の濃度を均一に維持すること、酸化プロセスを所望の厚みで確実に停止させるために、短時間で降温しなければならないこと、また上述したシリコンの酸化による体積膨張にともなう応力発生などが考えられる。
【０００９】
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、熱酸化膜形成のみでは、達成しえなかった半導体基板全面にわたって１０ｎｍ以下の絶縁薄膜の厚みの均一性並びに均質性を被照射物の加熱と同時に半導体基板表面に真空紫外光を照射することにより、達成することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
これら課題を解決するために、請求項１の発明においては、プロセスガス雰囲気を形成する処理室と、真空紫外光を放射するランプが収容され窒素ガスまたはアルゴンガス雰囲気を形成するランプハウスとが光透過窓により分離されており、該処理室内には被処理物が置かれるステージと、該被処理物に近接して該被処理物と平行なＸＹ−２軸面のＸ方向に移動可能なスリットの形成された遮光マスクが配設され、該ステージは加熱機構を具備し、該ランプハウス内には、円筒状の放電容器の端部に２００ｎｍ以下の真空紫外光を透過する窓部を具備し、該放電容器内部に単一または複数からなるエキシマー生成ガスを封入し、該放電容器を構成する誘電体を介してエキシマー生成ガスを放電せしめ、エキシマー光を該窓部から放射するランプと、該ランプの中心を遮光マスクの隙間に位置させ該ランプを前記被処理物の表面と平行かつ速度可変に移動させる機構とが配設されてなり、該エキシマー光を前記被処理物に部分的に照射するために、該遮光マスクは、該ランプの中心を遮光マスクの隙間に位置させ該ランプを前記被処理物の表面と平行に移動させ、Ｘ方向に移動させるときに該ランプのＸ方向の動きに合わせ移動させることを特徴とするシリコン半導体基板の酸化膜形成をする光処理装置とする。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、前記ステージが回転機構を備えて成ることを特徴とする請求項１に記載の光処理装置とする。
【００１３】
【作用】
次に、本発明による作用について説明する。請求項１に記載の本発明によれば、被処理物は、被処理物を置くステージに設置された加熱機構（ヒーター）により加熱がなされると同時に、ランプから放射された真空紫外光によって、被処理物表面近傍のプロセスガス雰囲気が活性化され、また被処理物が適切な温度に保持されていることから、活性化したプロセスガスの処理が精緻にかつ均質に制御される。
【００１４】
被処理物の処理の度合い（例えば、形成される絶縁薄膜の厚み）は、被処理物温度、プロセスガスの分圧、照射された光の放射強度等に依存している。また、前記被処理物の表面と平行かつ速度可変にランプを移動させることによって、被処理物の特定個所の光の照射量が可変できる。従って、予めランプを一定速度で動かし、被処理物の処理の度合いを測定し、この処理度合いと光の照度量から要求される被処理物の照射量分布を既知とし、これを実現することで所望の処理が行える。
【００１５】
ランプは、円筒形の放電容器の端部に２００ｎｍ以下の真空紫外光を透過する窓部を具備し、該放電容器内部で生成する２００ｎｍ以下の発光波長を有するエキシマー光を該窓面から被処理物に向け、放電容器の長手軸を中心に同心円状の放射照度分布、例えば、中心で最も放射照度が高く中心から離れるにしたがい照度が減少するＧａｕｓｓｉａｎ分布とすることができる。また、ランプハウス内を不活性雰囲気とすることで、ランプハウス内のランプの窓部から放射される真空紫外光が、雰囲気により吸収されることを極力抑え、プロセスガス雰囲気と被処理物の表面に効率的に吸収かつ照射することとなる。
【００１６】
請求項２に記載の発明としたことによって、前記被処理物の表面と平行かつ速度可変にランプを移動させる機構が、被処理物の回転中心から被処理物の円周最端部を結ぶ直線のみに簡素化し、しかも回転中心の径方向に対して、被処理物の特定個所の処理量を可変、または、被処理物の全面の処理量を均一化できる。
【００１８】
なお、真空紫外光の照射に際し、棒状の紫外線ランプを被処理物に平行に配置して使用することが考えられるが、棒状の紫外線ランプを使用すると発生した光の利用効率が極めて悪くなる不具合がある。
【００１９】
そこで、中心照度の強い紫外線ランプとして、本請求項１に記載の「円筒状の放電容器の端部に２００ｎｍ以下の真空紫外光を透過する窓部を具備し、該放電容器内部に単一または複数からなるエキシマー生成ガスを封入し、該放電容器を構成する誘電体を介してエキシマー生成ガスを放電せしめ、エキシマー光を該真空紫外光透過窓から放射するランプ」（以降ヘッドオン型バリアランプと称す）を使用することになる。ヘッドオン型バリアランプを使用すると中心部の強度が強く、発生した光の利用効率が高くなるからである。
【００２０】
しかし、ヘッドオン型バリアランプの場合、同心円状に概ねガウス分布の照度分布を有しており、遮光マスクを使用しての露光が積算光量プロファイルを簡単に計算するために必要である。実際の膜形成においては、一定速度移動の照射では、基板近傍のガス濃度、基板温度分布の存在で、均一な膜形成ができず、所定の積算光量（照射量）分布が半導体基板上で必要である。遮光マスクとヘッドオン型バリアランプを組み合わせて照射する場合、速度可変をして照射することにより、所望の積算光量プロファイルを誤差なく得られるという理由で所定の照射量分布を半導体基板上で達成可能となった。
【００２１】
ここで、ヘッドオン型バリアランプについて説明をする。
図８はヘッドオン型バリアランプ１００（図１のバリアランプ５に相当）の断面図である。放電容器は石英ガラス製の外側管１０２と石英ガラス製の内側管１０１とから構成されており外側管１０２の一端に合成石英ガラス製の窓部１０３を具備している。放電空間１１４内にはキセノン等が封入され、真空紫外光が該窓部  １０３から放出される。
【００２２】
内側管１０１は端部１０４、１０５において密閉構造となっている。外側電極１１２はアルミニウム板を半円板状に曲げた2本の電極部材からなる光反射板を兼ねた円管状電極である。内側電極１１３は外側電極同様にアルミウム板を半円板状に曲げた2本の電極部材からなり、内側電極１１３への電気入力は内側電極の一端に設けられた螺旋状バネ１０６に接続された高電圧リード１０９を通して、電源１１１に接続することにより行われる。
【００２３】
図９は、別形態のヘッドオン型バリアランプの断面図である。内側管を使用せず数本の支柱にコイル状に巻き付けた内部電極１１３、Ｍｏ線１０７、Ｍｏ箔１０８を有している。また、外側電極１１２は図８と同構造である。
電極である。これ以外でも、例えば、特開平7-226190、特開平8-236084等に開示されているようなランプを適用することが可能である。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図１に本発明の第一の実施例を示す。ＸＹ-２軸面で速度可変出来る駆動台４が設置されたランプハウス１は、窒素またはアルゴンの不活性雰囲気に保たれ、バリアランプ５は駆動台４に固定されている。バリアランプ５は、円筒型で、放電容器の端部から図３に示すガウス分布の照度分布を有するエキシマー光を照射できる。
【００２５】
また、ランプハウス１に隣接し、被処理物を配置する処理室２は、所定の濃度の酸素分圧を保つための処理ガスを流せ、且つ、減圧に排気出来るような構造になっている。被処理物である半導体基板は、ヒータ８１を内蔵したステージ８に乗せられ450℃程度に加熱され、透過窓３を通して、約120mm離れたバリアランプ５からエキシマー光を照射することが出来る。尚、半導体基板７と数mm離れて幅３０mmの遮光マスク６が配置され、ランプ５のX方向の動きに合わせ移動させるが、これはエキシマー光を部分的に照射するためのものである。
【００２６】
図２は遮光マスク６の隙間に半導体基板７のＢ部を位置させ、バリアランプ５の中心を遮光マスク６の隙間に位置させ、バリアランプ５を速度可変させながら移動させることを示している。Ａ部は半導体基板７の中心を通る領域、Ｂ部は半導体基板７の端部を通る領域である。図中、半導体基板、ステージは便宜上実線で示している。
【００２７】
処理室内には、シリコン半導体基板上に酸化膜を形成するためのプロセスガスとして酸化剤が使用され、具体的にはバッファガスとして窒素を利用し、酸化剤として乾燥酸素、水蒸気、またこれらにさらに塩素ガス添加した雰囲気ガスが処理ガス供給口２１から導入され、処理ガス排気口２２から排出され、所定の濃度の酸素分圧雰囲気（例えば５乃至３０％）を形成する。
【００２８】
図４（ａ）、（ｂ）は、均一な酸化絶縁膜を形成するために必要な基板上のＡ部、Ｂ部の照射量分布で、図５（ａ）、（ｂ）は、要求される照射量分布を実現するためのランプの各位置での照射時間（1/ランプの移動速度）を示し、図６（ａ）、（ｂ）は図５（ａ）、（ｂ）の照射時間で実際に照射することで得られた照射量分布を示したものである。なお、ランプの移動速度の可変は、基板表面近傍のプロセスガス雰囲気と基板の温度とを関連付けて行われる。
【００２９】
図７に本発明の第二の実施例を示す。ランプハウス１内の駆動台４は、１軸であり、処理室２のステージ８は等速で回転させることが出来る。８２は回転台である。要求される照射量分布は、基板中心を中心として径方向に対称な分布であり、図４（ａ）と同じである。この場合、ランプのＸ方向の各位置での照射時間を図５（ａ） に示された値に径の距離の２乗をかけた時間とすると、実際に得られる照射量分布は、図６（ａ）と同様になった。
【００３０】
具体的な結果としては、実施例１においては、ピンホールなどの欠陥がなく、シリコン半導体基板上に１０ｎｍ以下の絶縁薄膜を厚さのバラツキが±７％以内の均一な膜（酸化膜）を実現でき、実施例２においては、厚さのバラツキが±５％以内の均一な膜（酸化膜）を実現できた。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によって、熱酸化膜形成のみでは、達成しえなかった１０ｎｍ以下の絶縁薄膜の厚みの均一性、均質性をシリコン半導体基板を加熱するのと同時に半導体基板表面に真空紫外光を照射することにより、半導体基板全面にわたって絶縁薄膜の厚みの均一化することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の光処理装置の第一の実施例の構成を示す模式図である。
【図２】  第一の実施例におけるシリコン半導体基板と遮光マスクの移動を説明する図である。
【図３】  バリアランプの放射照度分布を示す図である。
【図４】  均一な酸化絶縁膜を形成する照射量分布図である。
【図５】  要求される照射量分布を実現するためのランプの各位置での照射時間（1/移動スピード）を示す図である。
【図６】  図５の照射時間で実際に得られる照射量分布を示した図である。
【図７】  本発明の光処理装置の第二の実施例の構成を示す模式図である。
【図８】  ヘッドオン型バリアランプの断面図である。
【図９】  別形態のヘッドオン型バリアランプの断面図である。
【符号の説明】
１  ランプハウス
２  処理室
２１処理ガス供給口
２２処理ガス排気口
３  透過窓
４  駆動台
５  バリアランプ
６  遮光マスク
７  半導体基板
８  ステージ
８１ヒータ
８２回転台
１００  ヘッドオン型バリアランプ
１０１内側管
１０２外側管
１０３窓部
１０４端部
１０５端部
１０６バネ
１０７Ｍｏ線
１０８Ｍｏ箔
１０９高電圧リード
１１０高電圧リード
１１１電源
１１２外側電極
１１３内側電極
１１４放電空間
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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