(57)【要約】【課題】シリコンウェハおよび上に形成された酸化物層に不純物が入らない、シリコンを低温酸化する方法を提供する。【解決手段】シリコンウェハを低温酸化する方法は、シリコンウェハを真空チャンバに配置する工程と、シリコンウェハを約室温〜４００℃の範囲の温度に維持する工程と、酸化性ガスを真空チャンバに導入する工程であって、酸化性ガスは、Ｎ２Ｏと、ＮＯと、Ｏ２と、Ｏ３とからなる酸化ガス群から選択される、工程と、エキシマランプが発する光を酸化性ガスおよびシリコンウェハに照射して、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であって、酸化性ガスを光解離させる工程と、シリコンウェハから光電子を放出させ、光電子と酸化性ガスとを反応させる工程とを包含する、工程とを包含する。【選択図】　図２
2004015048.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコンウェハを低温酸化する方法であって、
該シリコンウェハを真空チャンバに配置する工程と、
該シリコンウェハを約室温〜４００℃の範囲の温度に維持する工程と、
酸化性ガスを該真空チャンバに導入する工程であって、該酸化性ガスは、Ｎ２Ｏと、ＮＯと、Ｏ２と、Ｏ３とからなる酸化ガス群から選択される、工程と、
エキシマランプが発する光を該酸化性ガスおよび該シリコンウェハに照射して、該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であって、該酸化性ガスを光解離させる工程と、該シリコンウェハから光電子を放出させ、該光電子と該酸化性ガスとを反応させる工程とを包含する、工程と
を包含する、シリコン基板を低温酸化する方法。
【請求項２】
前記真空チャンバを約４０ｍＴｏｒｒ〜９０ｍＴｏｒｒの範囲の圧力に維持する工程をさらに包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記酸化ガスを真空チャンバに導入する工程は、約２ｓｃｃｍ〜５０ｓｃｃｍの範囲のガスフローを提供する工程を包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記形成する工程の間に、約５〜１０ボルトの範囲の負電位を前記シリコンウェハに印加する工程を包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記形成する工程の後に、約６００℃〜７５０℃の範囲の温度で、約１〜１０分間にわたって不活性雰囲気中で前記シリコンウェハと前記酸化物層とをアニーリングする工程を包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記エキシマランプは、キセノンエキシマランプであり、前記光の波長は１７２ｎｍである、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記光の波長は、１２６ｎｍ、１４６ｎｍ、１７２ｎｍ、２２２ｎｍおよび３０８ｎｍからなる群から選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
シリコンウェハを低温酸化する装置であって、
該シリコンウェハが配置される真空チャンバと、
該真空チャンバ内に酸化性ガスを導入するマニホルドであって、該酸化性ガスは、Ｎ２Ｏと、ＮＯと、Ｏ２と、Ｏ３とからなる酸化ガス群から選択される、マニホルドと、
該真空チャンバ内の該シリコンウェハ上に位置し、該酸化性ガスおよび該シリコンウェハを照射するエキシマレーザであって、該エキシマレーザが発する、エキシマレーザと
を備える、装置。
【請求項９】
前記マニホルドは、約２ｓｃｃｍ〜５０ｓｃｃｍの範囲のガス流量で前記酸化性ガスを導入する、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記エキシマランプは、キセノンエキシマランプであり、前記光の波長は１７２ｎｍである、請求項８に記載の装置。
【請求項１１】
約５〜１０ボルトの電圧を前記シリコンウェハに印加する電圧源をさらに備える、請求項８に記載の装置。
【請求項１２】
前記光の波長は、１２６ｎｍ、１４６ｎｍ、１７２ｎｍ、２２２ｎｍおよび３０８ｎｍからなる群から選択される、請求項８に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコン上に集積回路を製造する際の製造工程を実行する装置および方法に関する。より詳細には、本発明は、ラジカル酸素機構を用いて、浅トレンチ分離用、および、ゲート酸化用の低温シリコン酸化を実行する装置および方法に関する。
【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、基板および酸化ツール（すなわち、ウェハを保持するために用いられる機構）内、および、これら基板と酸化ツールとの間で元素の拡散が生じる。高純度石英構成要素と、グラファイト製ロードアームと、炉および炉の表面の他の構成要素とを用いて、このような拡散に対応するように、環境を調整する必要がある。ツールに多額の費用をかけることなく、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】
従来技術では、シリコンの融点近傍まで管の温度を上昇させることができる加熱素子を備えた高品質かつ高純度の石英炉を用いている。典型的な酸化プロセスは、Ｏ２、Ｎ２ＯまたはＮＯの存在下で、約９００℃〜１１００℃の範囲で行われる。シリコンウェハは、低温（典型的には約７００℃）時に、グラファイト製ローダを用いて炉内に挿入され、取り出される。このグラファイト製ローダは、ウェハを保持する石英ボートを保持する。品質および純度が必要とされるため、このプロセスは、比較的高価なプロセスとなる。
【０００４】
製造を目的とした低温でシリコンを酸化する効果的な方法は、現在のところ存在しない。電子サイクロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマ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１〜２参照。）。また、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もある（例えば、非特許文献３参照。）。非特許文献１〜３に記載される方法は、ラジカルに加えて、多量のイオン、電子およびフォトンを生成する。このラジカルは、シリコン表面にダメージを与え、酸化物の品質を劣化させ得る。非特許文献１〜３では良質の酸化物を形成することが述べられているが、これらの方法のいずれも、現時点では、流れ作業での使用には適応していない。実質的にイオンを形成することなく酸化を行う放射誘起ラジカル酸化プロセスが期待されている。非特許文献３に記載される技術の改変もある（例えば、非特許文献４参照。）。非特許文献１〜４のいずれも、従来の非反応性チャンバと、特化されたウェハ保持ツールとを必要とする。
【０００５】
【非特許文献１】
Ｔｏｇｏら、「Ｉｍｐａｃｔ　ｏｆ　Ｒａｄｉｃａｌ　Ｏｘｙｎｉｔｒｉｄａｔｉｏｎ　ｏｎ　Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ａｎｄ　Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｓｕｂ−１．５ｎｍ　Ｔｈｉｃｋ　Ｇａｔｅ　Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ　ＦＥＴｓ　ｗｉｔｈ　Ｎａｒｒｏｗ　Ｃｈａｎｎｅｌ　ａｎｄ　Ｓｈａｌｌｏｗ　Ｔｒｅｎｃｈ　Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ」、ＩＥＤＭ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｄｉｇｅｓｔ　２００１、ｐ．８１３
【非特許文献２】
Ｔｏｇｏら、「Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ　Ｂａｓｅ　ＳｉＯ２　Ｄｅｎｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｌｏｗ　Ｌｅａｋａｇｅ　１．６ｎｍ　Ｇａｔｅ　ＳｉＯＮｆｏｒ　Ｈｉｇｈ　Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ａｎｄ　Ｈｉｇｈｌｙ　Ｒｅｌｉａｂｌｅ　ｎ／ｐＦＥＴｓ」、Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ　ｏｎ　ＶＬＳＩ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　２００１、Ｔ０７Ａ＿３
【非特許文献３】
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４】
Ｈｉｒａｙａｍａら、「Ｌｏｗ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｇｒｏｗｔｈ　ｏｆ　Ｈｉｇｈ−Ｉｎｔｅｇｒｉｔｙ　Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｏｘｉｄｅ　Ｆｉｌｍｓ　ｂｙ　Ｏｘｙｇｅｎ　Ｒａｄｉｃａｌ　Ｇｅｎｅｒａｔｅｄ　ｉｎ　Ｈｉｇｈ　Ｄｅｎｓｉｔｙ　Ｋｒｙｐｔｏｎ　Ｐｌａｓｍａ」、ＩＥＤＭ　Ｔｅｃｈ．　Ｄｉｇ．　１９９９、ｐ２４９
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、シリコンウェハおよび上に形成された酸化物層に不純物が入らない、シリコンを低温酸化する方法を提供することである。
【０００７】
本発明のさらなる目的は、費用をかけて改良することなく従来の炉を用いてシリコンの低温酸化を提供することである。
【０００８】
本発明のさらなる目的は、４００℃未満の温度でシリコン基板上に酸化物層を形成し、かつ、７５０℃未満の温度の高速熱アニールを用いて、ＭＯＳＦＥＴゲート酸化物用途向けの酸化物品質を改善する方法を提供することである。
【０００９】
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本発明の好適な実施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。
【００１０】
【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、該シリコンウェハを真空チャンバに配置する工程と、該シリコンウェハを約室温〜４００℃の範囲の温度に維持する工程と、酸化性ガスを該真空チャンバに導入する工程であって、該酸化性ガスは、Ｎ２Ｏと、ＮＯと、Ｏ２と、Ｏ３とからなる酸化ガス群から選択される、工程と、エキシマランプが発する光を該酸化性ガスおよび該シリコンウェハに照射して、該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であって、該酸化性ガスを光解離させる工程と、該シリコンウェハから光電子を放出させ、該光電子と該酸化性ガスとを反応させる工程とを包含する、工程とを包含し、これにより上記課題を解決する。
【００１１】
上記方法は、前記真空チャンバを約４０ｍＴｏｒｒ〜９０ｍＴｏｒｒの範囲の圧力に維持する工程をさらに包含してもよい。
【００１２】
前記酸化ガスを真空チャンバに導入する工程は、約２ｓｃｃｍ〜５０ｓｃｃｍの範囲のガスフローを提供する工程を包含してもよい。
【００１３】
前記形成する工程の間に、約５〜１０ボルトの範囲の負電位を前記シリコンウェハに印加する工程を包含してもよい。
【００１４】
前記形成する工程の後に、約６００℃〜７５０℃の範囲の温度で、約１〜１０分間にわたって不活性雰囲気中で前記シリコンウェハと前記酸化物層とをアニーリングする工程を包含してもよい。
【００１５】
前記エキシマランプは、キセノンエキシマランプであり、前記光の波長は１７２ｎｍであってもよい。
【００１６】
前記光の波長は、１２６ｎｍ、１４６ｎｍ、１７２ｎｍ、２２２ｎｍおよび３０８ｎｍからなる群から選択されてもよい。
【００１７】
本発明によるシリコンウェハを低温酸化する装置は、該シリコンウェハが配置される真空チャンバと、該真空チャンバ内に酸化性ガスを導入するマニホルドであって、該酸化性ガスは、Ｎ２Ｏと、ＮＯと、Ｏ２と、Ｏ３とからなる酸化ガス群から選択される、マニホルドと、該真空チャンバ内の該シリコンウェハ上に位置し、該酸化性ガスおよび該シリコンウェハを照射するエキシマレーザであって、該エキシマレーザが発する、エキシマレーザとを備え、これにより上記課題を解決する。
【００１８】
前記マニホルドは、約２ｓｃｃｍ〜５０ｓｃｃｍの範囲のガス流量で前記酸化性ガスを導入してもよい。
【００１９】
前記エキシマランプは、キセノンエキシマランプであり、前記光の波長は１７２ｎｍであってもよい。
【００２０】
前記装置は、約５〜１０ボルトの電圧を前記シリコンウェハに印加する電圧源をさらに備えてもよい。
【００２１】
前記光の波長は、１２６ｎｍ、１４６ｎｍ、１７２ｎｍ、２２２ｎｍおよび３０８ｎｍからなる群から選択されてもよい。
【００２２】
【発明の実施の形態】
（関連出願）
本願は、「Ａ　Ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｆｏｒｍｉｎｇ　ａ　ｈｉｇｈ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｇａｔｅ　ｏｘｉｄｅ　ａｔ　ｌｏｗ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ」と称する２００２年６月４日に出願された米国特許出願第１０／１６４，９１９号に関する。
【００２３】
本発明の原理を説明する。
【００２４】
本発明の方法によれば、多量の反応性酸素種が生成される。反応性酸素種は、Ｏ（１Ｄ）準安定状態のラジカル酸素原子（または、Ｏ−イオン）が生成される。
【００２５】
Ｏ（１Ｄ）準安定状態のラジカル酸素原子が、Ｎ２Ｏの光解離によって生成され得ることは公知である。Ｎ２Ｏの光解離とは、単純な光解離ステップにおいて、１９５ｎｍ未満の波長の光をＮ２Ｏに照射することによって、Ｏ（１Ｄ）を生成することである。この光解離ステップの結果、Ｎ２ＯはＮ２とＯとになる。Ｏ（１Ｄ）状態のエネルギーは、基底Ｏ（３Ｐ）状態のエネルギーよりも高いため、Ｏ（１Ｄ）状態の酸素は、シリコンをより早く酸化し、酸化プロセスをさらに効率的にする。Ｏ（１Ｄ）形成はまた、Ｏ２、Ｏ３、ＮＯから生じ得る。ただし、必要なフォトンの波長は各ケースに応じて異なる。
【００２６】
負イオン種Ｏ−は、Ｎ２Ｏ、Ｏ２またはＯ３から解離した電子付着によって形成され得る。詳細には、所定の波長を有する光をシリコンウェハに照射することによって、シリコンウェハから光電子が放出される。低運動エネルギーを有する光電子は、Ｎ２Ｏ等の分子と衝突して、一時的に負イオンＮ２Ｏ−を形成する。その後、この負イオンＮ２Ｏ−は、解離して、Ｎ２とＯ−とを形成する。
【００２７】
このようにして生成されたＯ（１Ｄ）準安定状態の酸素ラジカルおよび酸素負イオンＯ−は、シリコンとの反応性が高い。
【００２８】
本発明の方法を用いてシリコンウェハを酸化するために、真空チャンバが用いられ得る。シリコンウェハは、最大１×１０−５Ｔｏｒｒのベース圧力で動作可能な多くの任意の真空チャンバで酸化され得る。真空チャンバの材料は、陽極処理アルミニウム、ステンレス鋼、テフロン（Ｒ）、ガラス、セラミクス、石英およびグラファイトを含む多くの材料のうち任意の材料から製造され得る。したがって、費用をかけて改良することなく従来の真空チャンバを用いることができる。新たに構築された、費用のかかる非反応性材料から製造されるチャンバは不要である。また、許容温度は重要ではない。なぜなら、酸化が室温と同程度に低い温度で行われ得、なおかつ温度が約６００℃＋に達するまで不純物の顕著な拡散が生じることはないためである。
【００２９】
このように、本発明によれば、特化した高価な装置を用いることなく、容易に低温でシリコンウェハを酸化することができる。
【００３０】
次に、図面を参照して、本発明のより詳細に説明する。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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（例えば、Ｎ２Ｏ）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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
工程Ｓ２０２：シリコンウェハ１６を約室温〜４００℃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１００℃〜１５０℃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、むしろ、ウェハ１６の保持温度は、約室温〜３００℃に近くなる。
【００４１】
工程Ｓ２０３：酸化時に、Ｎ２Ｏ等の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、Ｎ２Ｏと、Ｏ２と、ＮＯと、Ｏ３とからなる酸化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。以降では、酸化性ガスとしてＮ２Ｏを用いた場合を説明する。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。
【００４２】
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の表面に照射する。キセノンエキシマランプ１４は、約１７２ｎｍの波長、約３ｍＷ／ｃｍ２〜２０ｍＷ／ｃｍ２の範囲の出力の光を発する。例えば、酸化性ガスがＮ２Ｏ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、Ｎ２Ｏの一部は解離される。その結果、Ｎ２Ｏの主な副生成物として、ラジカル酸素原子Ｏ（１Ｄ）とＮ２とを生成する。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からのフォトン（光）はまた、シリコンウェハ１６の表面に衝突して、その結果、約２ｅＶエネルギーの光電子がシリコンウェハ１６から放出される。これらの低エネルギー光電子は、Ｎ２Ｏによって捕獲され、Ｎ２およびＯ−を形成し得る。次いで、ラジカル酸素および／または負酸素イオンは、シリコンウェハ１６と反応して、シリコン酸化物領域を生成する。
【００４３】
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（レーザ）する光を真空チャンバ１２内のガス状のＯ２に照射すると、シリコンウェハ１６の表面にあるＯ２上に優先的に吸着するＯ３が生成する。シリコンウェハ１６への照射は、１）Ｏ３を光解離してＯ２およびＯラジカルを形成し、２）Ｏ３によって捕獲される、シリコンウェハ１６の表面からの低エネルギーの光電子を放出し、解離性電子付着反応によってＯ２およびＯ−を形成し、３）成長中の酸化膜の界面にあるＳｉ−Ｓｉ結合を切って、酸化物のさらなる成長を促進させる。このようにして生成されたＯラジカルおよびＯ−イオンはともに、シリコンとの反応性が極めて高い。
【００４４】
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。
【００４５】
酸化物を成長させた後に高速熱アニールを行って、酸化物の界面にあるダメージを受けたシリコン層を再結晶化させる必要がある。この高速熱アニールは、約１分〜１０分間にわたる約６００℃〜７５０℃の範囲の温度を必要とする。酸化性ガスがＮ２Ｏである場合、吸着分子は、Ｎ２＋ＯラジカルまたはＮＯ＋Ｎのいずれかに光解離し得る。これにより、最終的な酸化膜に含有される窒素は少量となり得る。シリコンウェハ１６の表面からの光電子は、解離的に電子を付着し、Ｎ２＋Ｏ−を形成し得る。ここでもやはり、キセノンエキシマランプ１４からのフォトンは、Ｓｉ−Ｓｉ結合を切って、反応性ＯラジカルおよびＯ−イオンからの酸化物の形成を促進させ、この酸化物を完成させるために高速熱アニールが必要となる。
【００４６】
上述したように、本発明の目的は、４００℃未満の温度でシリコン基板上に酸化物層を形成し、かつ、７５０℃未満の温度の高速熱アニールを用いて、ＭＯＳＦＥＴゲート酸化物用途向けの酸化物品質を改善する方法を提供することである。したがって、酸化をした（図２の工程Ｓ２０４）後、ウェハは、約６００℃〜７５０℃の範囲の温度で、約１分〜１０分間にわたって、不活性雰囲気中でアニーリングされ、シリコンを再結晶化する。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
Ｏ（１Ｄ）状態の酸素量は、真空チャンバ１２に導入された酸化性ガス（例えば、Ｎ２Ｏ量）、キセノンエキシマランプ１４からの光強度、および、シリコンウェハ１６表面近傍におけるＯ（１Ｄ）の存在時間に依存している。この環境にさらす時間を長くすれば、得られる酸化物の厚さは厚くなる。
【００５０】
Ｏ（１Ｄ）状態のラジカルを用いたシリコンの酸化には、温度依存性はほとんどない。実際の酸化物層は室温でさえ生成され得る。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認められている。
【００５１】
図３は、１０分間酸化を行った場合の酸化膜の温度依存性を示す。
【００５２】
Ｎ２ＯによるＯ（１Ｄ）状態またはＯ−、または、Ｎ２Ｏ光解離による副生成物をクエンチングしたことによる酸化物への影響は見られない。この理由は、キセノンエキシマランプ１４とシリコンウェハ１６との距離がとりわけ重要ではないからである。最適な酸化条件を得るためには、圧力およびガスフローを変更する必要がある。本発明の装置の構成の場合、約４０ｍＴｏｒｒ〜９０ｍＴｏｒｒの範囲のチャンバ圧力で、約２ｓｃｃｍ〜５０ｓｃｃｍの範囲のガスフロー速度が適切である。
【００５３】
再度、図１を参照して、真空チャンバ１２におけるシリコンウェハ１６に対するキセノンエキシマランプ１４の配置構成は、とりわけ重要ではない。しかしながら、設計上考慮すべき重要な点は、キセノンエキシマランプ１４が微少量のＮ２Ｏで満たされている真空チャンバ１２全体を照射することである。この設計により、解離副生成物は、シリコンウェハ１６表面と反応して、光電子がシリコンウェハ１６表面から放出され得る。この構成に基づいていれば、キセノンエキシマランプ１４をシリコンウェハ１６に対して任意の方向に配置することができる。正味のガスフローは、シリコンウェハ１６がガスの入口およびキセノンエキシマランプ１４の下流にあるようにされる必要がある。酸化性ガスを真空チャンバ１２に導入する工程は、適切なフォトンが導入されることによって解離され得る、Ｎ２Ｏと、ＮＯと、Ｏ２と、Ｏ３とからなる酸化ガス群から選択されたガスを真空チャンバに導入する工程を包含する。
【００５４】
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。
【００５５】
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システムは、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の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。
【００５６】
上述してきたように、シリコンを低温酸化する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。
【００５７】
【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、シリコンウェハを真空チャンバに配置する工程と、シリコンウェハを約室温〜４００℃の範囲の温度に維持する工程と、酸化性ガスを該真空チャンバに導入する工程と、エキシマランプが発する光を酸化性ガスおよびシリコンウェハに照射して、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、Ｎ２Ｏと、ＮＯと、Ｏ２と、Ｏ３とからなる酸化ガス群から選択される。酸化物を形成する工程は、酸化性ガスを光解離させる工程と、シリコンウェハから光電子を放出させ、光電子と酸化性ガスとを反応させる工程とを包含する。このようにし、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ランプが発する光を照射することによって、容易に光解離および／または光電子放出が生じる。その結果、シリコンウェハを高温にすることなく容易に酸化することができる。低温でシリコンウェハを酸化することができるので、不純物の拡散は発生しない。
【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】１０分間酸化を行った場合の酸化膜の温度依存性を示すグラフ
【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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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