專利名稱：硅類被處理物的處理方法、裝置及半導(dǎo)體器件的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明，涉及硅類被處理物的處理方法、處理裝置及半導(dǎo)體器件的制造方法。
背景技術(shù)：
從前，在半導(dǎo)體器件的制造工序中硅類被處理物、例如硅基板(以下，稱為硅片)的氧化，采用在1000℃左右的氧氣氛中進(jìn)行加熱的熱氧化法。在如此溫度下的氧化，存在硅片中的雜質(zhì)進(jìn)行擴(kuò)散、在氧化膜中產(chǎn)生應(yīng)力的問題。
特別是，在摻雜于硅片的雜質(zhì)為As、B或P的情況下，由于加熱達(dá)到1000℃而發(fā)生擴(kuò)散。雖然通過將加熱溫度降低至小于或等于600℃能夠抑制雜質(zhì)的擴(kuò)散，但是氧化速度變慢，氧化膜的形成變得困難。
根據(jù)這樣的情況，已知施加高頻或微波的電功率于氧(O2)分子而進(jìn)行等離子體化，通過所產(chǎn)生的氧自由基(氧原子)對硅片進(jìn)行低溫氧化的方法。氧原子，因?yàn)榕c氧分子比較擴(kuò)散系數(shù)較大，所以即使在400℃左右的低溫也可得到實(shí)用性的氧化速度。
在采用氧自由基的低溫氧化中，為了各向同性地進(jìn)行氧化，例如在硅片上形成凸型結(jié)構(gòu)物，在對該結(jié)構(gòu)物進(jìn)行氧化時，其上部、側(cè)壁及底部都形成大致相同厚度的氧化膜。其結(jié)果，在打算對凸型結(jié)構(gòu)物的上部、底部進(jìn)行氧化而抑制側(cè)壁的氧化的情況下，以采用氧自由基的低溫氧化方法就顯得困難。
另一方面，用現(xiàn)有的熱氧化法則在前述硅片的凸型結(jié)構(gòu)物的上部及底部和側(cè)壁，因?yàn)楣璧拿娣轿徊幌嗤谘趸俣壬铣霈F(xiàn)差別，而在上部側(cè)的硅面方位、普通(100)面選擇性地進(jìn)行氧化。因此，雖然可進(jìn)行選擇氧化，但是如前述地存在因在高溫下的氧化引起的雜質(zhì)的擴(kuò)散的問題。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一種方式，提供硅類被處理物的處理方法，其包括將硅類被處理物暴露于包含氧自由基的等離子體中的工序；及在前述等離子體的氣氛下通過電阻元件施加直流電壓于上述硅類被處理物進(jìn)行氧化的工序。
根據(jù)本發(fā)明的另一方式，提供處理裝置，其具備腔室；保持構(gòu)件，其配置于前述腔室內(nèi)，用于保持硅類被處理物；在前述腔室內(nèi)產(chǎn)生包含氧自由基的等離子體的單元；直流電源，其用于將直流電壓供給前述被處理物；及電阻元件，其配置于前述被處理物和前述直流電源之間。
在此，作為硅類被處理物例如可舉出具有加工有槽等的凹凸部的硅基板。并且，硅類被處理物具有硅基板和形成于該基板之上的絕緣膜和形成于該絕緣膜之上的像多晶硅那樣的硅的凸?fàn)罱Y(jié)構(gòu)物。
根據(jù)本發(fā)明的另一方式，提供半導(dǎo)體器件的制造方法，其包括將具有凸部的硅基板暴露于包含氧自由基的等離子體中的工序；及通過在前述等離子體的氣氛下通過電阻元件施加直流電壓于前述基板進(jìn)行氧化處理，而在前述凸部的側(cè)部形成厚度比其上部及凸部周圍的氧化膜薄的氧化膜的工序。


圖1是表示本發(fā)明的實(shí)施方式的處理裝置的概略立體圖。
圖2是表示通過現(xiàn)有的氧自由基進(jìn)行的氧化模型的概略圖。
圖3是表示本發(fā)明的實(shí)施方式的因施加電場進(jìn)行的自由基氧化模型的概略圖。
圖4是表示本發(fā)明的實(shí)施例1中所用的具有凸部結(jié)構(gòu)的硅片的剖面圖。
圖5是表示本發(fā)明的實(shí)施例1中的直流壓，與凸部的底部及側(cè)部的氧化膜的厚度，及(側(cè)部的氧化膜的厚度/底部的氧化膜的厚度)之比的關(guān)系的特性圖。
圖6是表示用于對本發(fā)明的實(shí)施例1及比較例1的倒角(facet)進(jìn)行說明的具有凸部結(jié)構(gòu)的硅片的剖面圖。
圖7是表示比較例1中的高頻電功率和硅片的氧化速度之關(guān)系，及高頻電功率和倒角“Facet”之關(guān)系的特性圖。
圖8是表示實(shí)施例1中的高頻電功率和硅片的氧化速度之關(guān)系，及高頻電功率和倒角“Facet”之關(guān)系的特性圖。
具體實(shí)施例方式
以下，對本發(fā)明的實(shí)施方式詳細(xì)地進(jìn)行說明。
圖1，是表示實(shí)施方式的處理裝置的概略立體圖。
真空腔室1，具有對硅類被處理物進(jìn)行氧化處理的例如矩形狀的處理室2，和連通于該處理室2的上部所配置的例如圓柱狀的等離子體產(chǎn)生室3。前述處理室2，連接著用真空泵抽真空的排氣管(未圖示出)。內(nèi)裝有加熱器的例如圓板狀的保持構(gòu)件4，配置于前述處理室2內(nèi)。直流電源5，通過電阻元件6連接于前述保持構(gòu)件4。該電阻元件6，優(yōu)選具有0.5～1.5MΩ的電阻值。
氣體供給管7，連接于前述等離子體產(chǎn)生室3的上部側(cè)壁。可透過微波的石英玻璃制的電介質(zhì)窗8，位于前述等離子體產(chǎn)生室3的上部那樣地配置。矩形波導(dǎo)管9，該波導(dǎo)管9的微波放射側(cè)設(shè)置于前述電介質(zhì)窗8。前述波導(dǎo)管9，具有垂直于在其內(nèi)部傳導(dǎo)傳播的微波的電場方向的面(H面)；對于該H面在垂直方向上延伸的平行于微波的電場方向的面(E面)；和在與微波導(dǎo)入側(cè)相反側(cè)對于H面及E面垂直，對微波進(jìn)行反射的反射面。在對向于前述電介質(zhì)窗8的前述波導(dǎo)管9的H面，開設(shè)有互相平行的2條縫隙10，傳導(dǎo)于該波導(dǎo)管9的微波通過前述縫隙10及電介質(zhì)窗8輻射到前述等離子體產(chǎn)生室3。
其次，對采用前述的處理裝置，對硅類被處理物、例如具有通過槽加工所形成的凸部的硅基板(硅片)進(jìn)行的氧化處理方法進(jìn)行說明。
首先，使前述結(jié)構(gòu)的硅片11保持于處理室2內(nèi)的保持構(gòu)件4。接著，通過保持構(gòu)件4的加熱器對前述硅片11進(jìn)行加熱。在該狀態(tài)下使真空泵工作，通過未圖示出的排氣管排出真空腔室1內(nèi)的氣體。同時，通過氣體供給管7供給包含氧的氣體(例如用氬(Ar)對氧(O2)進(jìn)行稀釋后的混合氣體)于前述真空腔室1的等離子體產(chǎn)生室3。
當(dāng)前述真空腔室1內(nèi)達(dá)到預(yù)定的壓力時，通過將微波從未圖示出的微波電源導(dǎo)入到矩形波導(dǎo)管9內(nèi)而使微波通過縫隙10及電介質(zhì)窗8輻射到前述等離子體產(chǎn)生室3。通過該微波的電場，電離Ar及O2氣體而產(chǎn)生電子，等離子化而發(fā)生高電子密度(例如大于等于1011cm-3)的等離子體。此時，在等離子體中產(chǎn)生Ar離子、O2離子、O離子、O原子(自由基)及電子。O原子，由電子碰撞O2分子而離解所產(chǎn)生。O原子，處于激發(fā)狀態(tài)，被激活而反應(yīng)性變高。稱該狀態(tài)為氧自由基。
若相繼于前述的等離子體的發(fā)生而從直流電壓電源5直接施加直流電壓于保持構(gòu)件4，則在自然氧化膜形成于硅片的露出面的情況下會施加不上直流電壓。若升高施加的直流電壓，則產(chǎn)生絕緣擊穿，等離子體變得不穩(wěn)定(異常的放電)。根據(jù)這樣的情況所以通過電阻元件6而施加直流電壓、例如正的直流電壓于保持構(gòu)件4，就可以直接施加直流電流于硅片11了。從而，通過加熱器所加熱、并且施加有正的直流電壓的硅片11就與等離子體中所產(chǎn)生的氧自由基發(fā)生反應(yīng)，被進(jìn)行各向異性的氧化。
對用這樣的實(shí)施方式的方法進(jìn)行各向異性的氧化處理的情況，和僅以氧自由基對硅片進(jìn)行氧化處理的情況進(jìn)行比較而在以下進(jìn)行詳述。圖2，是表示僅以氧自由基進(jìn)行硅基板的氧化的模型圖；圖3是表示實(shí)施方式的各向異性的氧化的模型圖。還有，圖2、圖3的硅片11形成凸部15，該凸部15具有上部12及側(cè)部13，并以硅片11表面作為底部14。
在示于圖2的僅以氧自由基進(jìn)行的硅片的氧化處理方法中，若暴露硅片11于等離子體16，則氧自由基17通過熱運(yùn)動擴(kuò)散到等離子體16中而到達(dá)硅片11。一般來說，自由基等中性粒子的溫度與腔室壁的溫度大致相同，為300～400K左右，并且為電中性。因此，氧自由基不會被電場加速。其結(jié)果，其熱運(yùn)動的方向性是隨機(jī)無規(guī)則的，即使在包括凸部15的硅片11表面也無方向性地進(jìn)行為硅片11的構(gòu)成元素的Si18的氧化。從而，在凸部15的上部12、側(cè)部13及底部14，進(jìn)行大致相同的氧化，所形成的氧化膜19的厚度為大致相同。
另一方面，在示于圖3的施加正的直流電壓的實(shí)施方式的氧化處理方法中，因?yàn)楣杵?1是其體積電阻值為幾Ω·cm左右的半導(dǎo)體，所以從直流電源5施加于硅片11的正的直流電壓幾乎不下降地加到形成于硅片11表面的氧化膜19上。通過該直流電壓，等離子體16中的電子20具有方向性地被吸引到氧化膜19，在凸部15有選擇性地附著于其上部12及底部14的氧化膜19上，對于凸部15的側(cè)部13則難以附著。通過附著的電子20在氧化膜19的表面產(chǎn)生例如從幾V到幾十V的電壓，在氧化膜19表面和硅片11之間產(chǎn)生電場。通過該電場為硅片11的構(gòu)成元素的Si18離子化而擴(kuò)散到氧化膜19中促進(jìn)氧化。前述電場，因?yàn)檎扔谇笆鲭娮?0的附著量，所以在凸部15的上部12及底部14強(qiáng)，而在側(cè)部13則弱。其結(jié)果，在前述凸部15的上部12及底部14表現(xiàn)出因前述強(qiáng)的電場引起的氧化促進(jìn)效果，氧化膜19形成得厚。在前述凸部15的側(cè)部13，因?yàn)橐螂妶鲆鸬难趸龠M(jìn)效果低，主要為僅自由基氧化的氧化效果，所以氧化膜19形成得薄。從而，通過這樣的作用而進(jìn)行在凸部15的上部12及底部14形成厚的氧化膜19、在凸部15的側(cè)部13形成薄的氧化膜19的各向異性的氧化。
并且，通過將前述硅片11暴露于包含氧自由基的等離子體16，并通過電阻元件施加直流電壓，能夠抑制或防止在其凸部15的濺射現(xiàn)象，而對包括凸部15的硅片11良好地進(jìn)行各向異性氧化。
在實(shí)施方式中，通過采用因氧自由基進(jìn)行的氧化可以使前述硅片的加熱溫度比產(chǎn)生摻雜于硅片中的雜質(zhì)的擴(kuò)散的1000℃充分地低，例如可以為400～600℃。
優(yōu)選包含前述氧的氣體，采用如氦、氖、氬、氪、氙那樣的稀有氣體和氧的混合氣體。特別地優(yōu)選該混合氣體中的氧比率小于或等于6體積％，更理想為0.5～6體積％的范圍。如此氧比率的混合氣體，可以使參與到前述的電場中的電子更多地在等離子體中產(chǎn)生。因此，更加容易實(shí)行各向異性氧化。在前述稀有氣體之中，氬相比較于其他的稀有氣體因?yàn)槟軌蛄畠r(jià)增大電子的產(chǎn)生量所以特別適合。
優(yōu)選前述直流電壓，通過具有0.5～1.5MΩ的電阻值的電阻元件施加于保持構(gòu)件(或者硅片)。
優(yōu)選供給于前述電阻元件(例如電阻值0.5～1.5MΩ)的直流電壓，為-1.0KV～1.0KV，輸入-2mA～2mA的電流于硅片。若使輸入的電流值不足-2mA，則可能難以進(jìn)行各向異性氧化。另一方面，若使輸入的電流值超過2mA，則有可能在所形成的氧化膜中產(chǎn)生小孔等使膜質(zhì)降低。
優(yōu)選在向前述硅片施加直流電壓中，施加正的直流電壓于硅片。通過如此地施加正電壓于前述硅片可以對于前述的等離子體中的電子有效地施加電場，更加容易實(shí)行各向異性氧化。
以上，依照實(shí)施方式，通過將具有凸部的硅片那樣的硅類被處理物暴露于包含氧自由基的等離子體氣氛，并在該氣氛下通過電阻元件施加直流電壓于前述基板，則即使在硅類被處理物的露出面上形成自然氧化膜，也可以使直流電壓直接施加到硅類被處理物上。通過如此的直流電壓的施加，可以在比1000℃低的溫度(例如400～600℃)、也就是能抑制硅類被處理物的雜質(zhì)的擴(kuò)散的溫度下進(jìn)行前述硅類被處理物的各向異性氧化。
并且，依照實(shí)施方式能夠提供能實(shí)施前述硅類被處理物的各向異性氧化的處理裝置。
進(jìn)而，依照實(shí)施方式，通過將具有凸部的硅基板(例如硅片)暴露于包含氧自由基的等離子體中，并通過電阻元件施加直流電壓，能夠在其凸部不產(chǎn)生濺射現(xiàn)象，即不產(chǎn)生凸部的形狀變化，而各向異性氧化包括凸部的硅片。這樣的各向異性氧化，例如能夠應(yīng)用于半導(dǎo)體器件的制造時的包括槽內(nèi)面的氧化工序的埋入元件分離區(qū)域的形成、柵電極周圍的氧化膜形成等。
還有，雖然在前述的實(shí)施方式中，作為等離子體產(chǎn)生單元采用了用于使微波輻射到真空腔室的等離子體產(chǎn)生室的波導(dǎo)管，但是，也可以采用感應(yīng)耦合等離子體(ICP；Inductively Coupled Plasma)。
以下，對本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行說明。
(實(shí)施例1)準(zhǔn)備示于圖4的形成有具有上部12及側(cè)部13、并以表面作為底部14的凸部15的硅片11。使該硅片11保持于示于前述的圖1的處理裝置的處理室2內(nèi)的保持構(gòu)件4上。接著，通過前述保持構(gòu)件4的加熱器將前述硅片11加熱到400℃。在該狀態(tài)下使真空泵工作，通過未圖示出的排氣管排出真空腔室1內(nèi)的氣體。同時，通過氣體供給管7，以約510sccm的流量將氬、氧及氫的混合氣體以對于氬的氧的比率(O2/Ar+O2)成為1.4體積％的方式，供給到前述真空腔室1上部的等離子體產(chǎn)生室3中。當(dāng)真空腔室1內(nèi)的壓力達(dá)到150Pa時，通過1.5MΩ的電阻元件6從直流電壓電源5將-1.0KV～1.0KV的直流電壓施加到前述硅片11上。相繼于該施加通過將2kW的微波從未圖示出的微波電源導(dǎo)入到矩形波導(dǎo)管9內(nèi)而使微波通過縫隙10及電介質(zhì)窗8輻射到前述等離子體產(chǎn)生室3，并使電子密度為3×1011cm-3的等離子體產(chǎn)生，對前述硅片11進(jìn)行5分鐘氧化處理。
對于氧化處理后的硅片11，測定示于圖4的凸部15中的底部14的氧化膜的厚度(t1)及側(cè)部13的氧化膜的厚度(t2)。將其結(jié)果示于圖5。還有，在圖5中橫軸表示施加于電阻元件的直流電壓；左縱軸表示底部及側(cè)部的氧化膜的厚度，右縱軸表示(側(cè)部的氧化膜的厚度)/(底部的氧化膜的厚度)之比。
如從圖5所明了地，可知若施加直流偏置電壓于硅片，則雖然形成于示于圖4的凸部15的側(cè)部13的氧化膜的厚度(t2)相比較于不施加直流偏置電壓變化較小，但是形成于底部14的氧化膜的厚度增大，出現(xiàn)各向異性的氧化。特別是，在直流偏置電壓(供給電阻元件的直流偏置電壓)為-1.0KV～1.0KV的范圍，形成于底部14的氧化膜的厚度顯著地增大，(側(cè)部的氧化膜的厚度)/(底部的氧化膜的厚度)之比也變小，出現(xiàn)更高的各向異性的氧化。
并且，作為比較例1，除了在前述的實(shí)施例1中代替直流電壓而從高頻電源將13.56MHz的高頻電功率直接施加于保持構(gòu)件4之外，實(shí)施同樣的氧化處理。研究一下高頻電功率和硅片的氧化速度的關(guān)系，及高頻電功率和氧化處理后的硅片凸部的上部肩部的通過濺射所削去的量的關(guān)系。在此，通過濺射所削去的量，根據(jù)示于圖6的氧化處理后的硅片11的凸部15的上部肩部的倒角“Facet”＝A/B求得。其結(jié)果示于圖7。
進(jìn)而，研究一下在前述的實(shí)施例1的氧化處理中直流電壓(來自直流電源的供給電壓)和硅片的氧化速度的關(guān)系，及直流電壓和氧化處理后的硅片凸部的上部肩部的通過濺射所削去的量(倒角“Facet”＝A/B)的關(guān)系。其結(jié)果示于圖8。
可知如從圖7所明了地，在直接施加高頻電功率于硅片的比較例1，雖然氧化速度伴隨于高頻電功率的增加而增加，但是倒角也增加，凸部的形狀發(fā)生變化。這是因?yàn)椋诘入x子體中產(chǎn)生的離子被通過高頻電場所形成的自偏置電位吸引向硅片側(cè)，該受吸引的離子與晶片發(fā)生碰撞而引起濺射的緣故。特別是，凸部的上部角濺射產(chǎn)生量大，容易削去，形狀容易變形。
相對于此，如圖8中所示地在通過1.5MΩ的電阻元件施加直流電壓于硅片的實(shí)施例1，能夠不發(fā)生異常的放電而產(chǎn)生等離子體，能夠?qū)嵭星笆龅母飨虍愋缘难趸?。特別是，通過施加直到-1KV的直流電壓雖然氧化速度增加，但是倒角基本不發(fā)生變化而為一定。這意味著，直流電壓的施加幾乎不發(fā)生濺射現(xiàn)象。從而，與高頻電功率的施加不同，可以使凸部的形狀不發(fā)生變化而進(jìn)行各向異性的氧化。
對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言可對本發(fā)明進(jìn)行附加的改良和變更。因而，本發(fā)明不限于上述的詳細(xì)的內(nèi)容和代表性的實(shí)施方式。在不脫離從技術(shù)方案及其等同內(nèi)容所表達(dá)的主要觀點(diǎn)的主旨或范圍內(nèi)可進(jìn)行各種變更。
權(quán)利要求
1.一種硅類被處理物的處理方法，其特征在于，包括將硅類被處理物暴露于包含氧自由基的等離子體氣氛中的工序；及在上述等離子體氣氛下，通過電阻元件向上述被處理物施加直流電壓進(jìn)行氧化的工序。
2.按照權(quán)利要求1所述的硅類被處理物的處理方法，其特征在于上述硅類被處理物，是具有加工有槽等的凹凸部的硅基板。
3.按照權(quán)利要求1所述的硅類被處理物的處理方法，其特征在于上述硅類被處理物，具有硅基板、形成于該基板之上的絕緣膜和形成于該絕緣膜之上的硅的凸?fàn)罱Y(jié)構(gòu)物。
4.按照權(quán)利要求1所述的硅類被處理物的處理方法，其特征在于上述等離子體，通過將微波的電場施加于包含氧的氣體中而產(chǎn)生。
5.按照權(quán)利要求4所述的硅類被處理物的處理方法，其特征在于上述包含氧的氣體，是從氦、氖、氬、氪、氙的組所選擇的至少一種稀有氣體和氧的混合氣體。
6.按照權(quán)利要求5所述的硅類被處理物的處理方法，其特征在于上述混合氣體中的氧比率，小于或等于6體積％。
7.按照權(quán)利要求5所述的硅類被處理物的處理方法，其特征在于上述混合氣體中的氧比率，為0.5～6體積％。
8.按照權(quán)利要求5所述的硅類被處理物的處理方法，其特征在于上述稀有氣體是氬。
9.按照權(quán)利要求1所述的硅類被處理物的處理方法，其特征在于上述被處理物，被加熱至400～600℃的溫度。
10.按照權(quán)利要求1所述的硅類被處理物的處理方法，其特征在于上述電阻元件，具有0.5～1.5MΩ的電阻值。
11.按照權(quán)利要求1所述的硅類被處理物的處理方法，其特征在于上述施加于被處理物的直流電壓，是正的直流電壓。
12.一種處理裝置，其特征在于，具備腔室；保持構(gòu)件，其配置于上述腔室內(nèi)，用于保持硅類被處理物；在上述腔室內(nèi)產(chǎn)生包含氧自由基的等離子體的單元；直流電源，其用于向上述被處理物供給直流電壓；及電阻元件，其配置于上述被處理物和上述直流電源之間。
13.按照權(quán)利要求12所述的處理裝置，其特征在于上述電阻元件，具有0.5～1.5MΩ的電阻值。
14.一種半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于，包括將具有凸部的硅基板暴露于包含氧自由基的等離子體中的工序；及通過在前述等離子體氣氛下，通過電阻元件將直流電壓施加于上述基板進(jìn)行氧化處理，在上述凸部的側(cè)部形成厚度比其上部及凸部周圍的氧化膜薄的氧化膜的工序。
15.按照權(quán)利要求14所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于上述等離子體，通過將微波的電場施加于包含氧的氣體而產(chǎn)生。
16.按照權(quán)利要求15所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于上述包含氧的氣體，是從氦、氖、氬、氪、氙的組所選擇的至少一種稀有氣體和氧的混合氣體。
17.按照權(quán)利要求16所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于上述混合氣體中的氧比率，小于或等于6體積％。
18.按照權(quán)利要求16所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于上述混合氣體中的氧比率，為0.5～6體積％。
19.按照權(quán)利要求16所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于上述稀有氣體是氬。
20.按照權(quán)利要求14所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于上述基板，被加熱至400～600℃的溫度。
21.按照權(quán)利要求14所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于上述電阻元件，具有0.5～1.5MΩ的電阻值。
全文摘要
本發(fā)明提供硅類被處理物的處理方法，包括將硅類被處理物暴露于包含氧自由基的等離子體氣氛中的工序；和在前述等離子體氣氛下通過電阻元件將直流電壓施加于前述被處理物而進(jìn)行氧化的工序。
文檔編號C23C8/10GK1841674SQ200610067059
公開日2006年10月4日 申請日期2006年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月31日
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