專利名稱：形成薄膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及形成薄膜的方法。
薄膜形成技術(shù)在材料和器件的開發(fā)中起重要作用。在近來利用微制備技術(shù)的非常大集成技術(shù)中，希望建立一種特別用于ULSI等電子器件的新型薄膜形成技術(shù)。到目前為止，主要采用CVD法或熱氧化法，在CVD法中，從外部氣體中提供在襯底上形成薄膜的所有組成元素，在熱氧化法中，來自外部氣體中的元素與襯底的組成元素反應(yīng)形成薄膜。在上述兩種方法中，以分子形式把來自外部氣體的元素引入到真空容器中。
近來，元器件的小型化限制了其薄膜形成方法，特別要求降低其工藝溫度。使所述工藝溫度較高的因素之一是來自外部氣體的組成元素以分子形式提供。也就是說，在所述薄膜形成過程中要求構(gòu)成所述分子態(tài)元素的一部分原子必須是由所述分子所提供或離解的原子態(tài)元素。傳統(tǒng)的薄膜形成技術(shù)在靠近加熱的襯底處離解所提供的分子態(tài)元素，所以需要所加熱的襯底提供所述離解的能量。因此，它本身限制了薄膜形成過程的低溫化。
在從外部氣氛提供所述組成元素并把所述元素沉積在襯底上的上述薄膜形成技術(shù)中，為了降低工藝溫度，在一部分薄膜形成過程中提出并實際使用了濺射法或其中使用給定等離子體的等離子CVD法。前一種方法用等離子體能量腐蝕固體靶材并把所腐蝕的顆粒沉積在給定的襯底上，后一種方法離解所提供的原料氣體并把離解的元素沉積在給定的襯底上。在向所給定的襯底上提供來自原料氣體預(yù)先離解的元素方面，這些方法普遍地用于解決上述問題。
另一方面，在使外部氣體提供的元素與所述襯底的組成元素反應(yīng)的上述方法中典型的硅襯底熱氧化法，已經(jīng)被廣泛用于MOSFETs的柵氧化物薄膜的形成過程中。在熱氧化法中，通過把硅襯底在800℃和更高加熱和保溫并置于氧化氣氛(氧分子氣氛)中可以容易地形成具有良好質(zhì)量的柵絕緣薄膜。所得的氧化硅薄膜一般稱為“熱氧化膜”。在B.E.Deal和A.s.Grove在“應(yīng)用物理學(xué)報第3770頁，No.36(1965)中以及W.R.Beadle,J.C.C.Tsai和R.D.Plummer在“John Wiley&SonsCo.”(1985)出版的“硅集成電路工藝簡明參考手冊”介紹了上述方法。使用高溫和大激發(fā)能量法的主要原因是氧化硅薄膜/硅襯底界面表現(xiàn)出良好的電性能。
雖然已經(jīng)試圖用許多方法在低溫下在硅襯底上形成氧化硅薄膜，例如作為直接沉積法的濺射法或等離子CVD法，但是一般來說，他們表現(xiàn)出極低的界面-能級密度(Dit)，這是界面特性的典型參考特征。其原因是在形成所述氧化硅薄膜/硅襯底界面之后仍然保持靠近所述硅襯底表面的懸掛鍵，這種懸掛鍵直接影響所述Dit。在CVD法中，可以由氫原子結(jié)束一部分懸掛鍵，但是，所述硅原子/氫原子鍵在要求約400℃溫度的過程中通常很容易被切斷。因此，所述氧化硅薄膜的低溫形成法缺少長期可靠性，并且在用于形成LSIs的柵氧化物薄膜時存在問題。
此外，試圖采用直接從外部氣體中引入在等離子氣體中解離的元素并使解離的元素與襯底的組成元素反應(yīng)的方法來降低工藝溫度。然而，眾所周知，在等離子體中引入每個分子由多個原子組成的許多分子時，所述等離子體具有非常寬的能量分布，所述分子轉(zhuǎn)變成許多活性物質(zhì)，包括離子。這樣獲得的薄膜質(zhì)量不好，所以，在形成要求苛刻條件的MOSFETs的柵氧化物薄膜中幾乎從來不用上述方法。
除了氧化硅材料之外，氮化硅材料也可以用作所述柵氧化物薄膜或者鈍化膜，這種鈍化膜是一種絕緣薄膜。通過與氧化硅薄膜類似的許多方法形成所述氮化硅薄膜。在形成氮化硅柵氧化物薄膜的情況下，由于所述薄膜在其硅/氮化硅界面不希望地具有許多界面能級，所以，一般形成具有硅/氧化硅/氮化硅界面的薄膜。
近來，形成元器件的后續(xù)方法強烈要求低溫法。為了滿足這一要求，希望在整個薄膜形成方法中采用降低工藝溫度的技術(shù)。
這些年來，MOSFETs的小型化和驅(qū)動能源電壓的降低達(dá)到了它們的極限，所以，傳統(tǒng)的熱氧化薄膜不能獲得足夠質(zhì)量的MOSFETs。原因之一是在800℃高溫?zé)崽幚韼资?。也就是說，當(dāng)所述小型化要求控制MOSFET半導(dǎo)體的雜質(zhì)分布精確地在其淺分布范圍內(nèi)時，所述高溫?zé)崽幚砥茐牧诉@種精確的淺雜質(zhì)分布。如上所述，由于有許多懸掛鍵，不要求高溫?zé)崽幚淼腃VD法或濺射法降低絕緣性能和界面質(zhì)量。因此，MOSFETs的小型化不能容忍高溫?zé)崽幚?，所以不能獲得具有良好質(zhì)量的絕緣薄膜。
此外，還存在由于MOSFETs周圍環(huán)境變化產(chǎn)生的問題。使用大尺寸晶片提高生產(chǎn)率必須滿足完全在晶片表面上的所有MOSFETs中性能的均勻性。在對應(yīng)于大尺寸晶片的大尺寸設(shè)備內(nèi)使用傳統(tǒng)熱氧化法形成氧化物薄膜的情況下，由于加熱過程中溫度的波動，氧化所述晶片表面的約1.1eV的較大激活能改變了反應(yīng)速度。這意味著在晶片上難以獲得具有均勻厚度的氧化物薄膜。在通過增加每個芯片上的MOSFET數(shù)量進(jìn)行復(fù)雜計算時，MOSFETs內(nèi)性能的波動變得不能容忍并且是劇烈的。所以，對于許多在晶片上的MOSFETs來說，必須形成具有均勻特性的絕緣薄膜。
對于柵氧化物薄膜，采用低溫形成的絕緣膜要求降低其Dit值，但是目前為了保持柵氧化物薄膜的電性能，要求高溫法。雖然在使用小尺寸晶片并且不進(jìn)行微制備的條件下，高溫、大激活能的方法已經(jīng)優(yōu)選以用于維持電性能，但是，對于更小型化并增大晶片尺寸而不損失電性能的情況，要求低溫、小激活能的方法。
為了在所述薄膜形成方法中實現(xiàn)低溫，可以以原子狀態(tài)離解構(gòu)成所述薄膜的元素的分子并提供所離解的元素。另一方面，如果所述分子的元素以不同于其基態(tài)的激發(fā)態(tài)作為其分子狀態(tài)，它們具有保持其分子狀態(tài)的激發(fā)態(tài)(分子激發(fā)態(tài))，它們的離子化狀態(tài)保持其分子狀態(tài)(分子離子化狀態(tài))及其完全是原子態(tài)的離解狀態(tài)(原子狀態(tài))。在從等離子體向所述分子的元素提供能量時，用較低的能量它們就具有上述狀態(tài)。因此，當(dāng)所述分子的元素激發(fā)到原子狀態(tài)時，例如，它們必須具有另一種低能量狀態(tài)。而且，當(dāng)它們需要高能量才能激發(fā)到所述原子狀態(tài)時，它們幾乎從來不被激發(fā)到原子狀態(tài)。
根據(jù)分子態(tài)元素到原子態(tài)元素的離解方法，惰性氣體分子預(yù)先吸收等離子體能量并且具有其準(zhǔn)穩(wěn)定的大的能級能量，然后向分子態(tài)元素放出能量，使得所述的分子態(tài)元素直接激發(fā)到高能狀態(tài)并且容易地離解成原子態(tài)元素。
在提供能量通過離解氧分子產(chǎn)生原子態(tài)氧元素的情況下，氧分子通過低能量轉(zhuǎn)變具有O3P、O1D、O3S等狀態(tài)。由于每種狀態(tài)的氧分子分別具有不同激發(fā)程度，如果用于各種氧化反應(yīng)，預(yù)計這些氧分子表現(xiàn)出不同的氧化速度和機理。如果具有各種準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)能量的惰性氣體分子與氧分子撞擊產(chǎn)生等離子體，可以控制在所述等離子體中產(chǎn)生的原子態(tài)氧元素的種類。
對于把分子態(tài)元素離解成原子態(tài)元素，惰性氣體分子，而不是分子態(tài)的元素，吸收等離子體能量，從而抑制了所述分子態(tài)元素?zé)o用的激發(fā)。因此，引入其量等于或大于所述分子態(tài)元素的量的惰性氣體，從而從所述分子態(tài)元素有效地產(chǎn)生原子態(tài)元素。
在形成本發(fā)明的絕緣薄膜的方法中，構(gòu)成所述絕緣薄膜的分子態(tài)硅化合物元素以原子態(tài)引入到襯底表面上。通過吸收高于原子化所需要的等離子體能量的惰性氣體分子發(fā)射能量進(jìn)行所述原子化。因此，所述分子態(tài)元素直接激發(fā)到在所述分子激發(fā)態(tài)和所述分子離子化態(tài)之外的原子化狀態(tài)。當(dāng)所述分子態(tài)元素是氧分子時，所述硅襯底被氧化，所述分子態(tài)元素是氮氣時，所述硅襯底被氮化。所述反應(yīng)具有低激發(fā)能，因此，它們?nèi)菀自诠枰r底表面上進(jìn)行，而不取決于它們在所述襯底上反應(yīng)溫度的差異。而且，由于這些反應(yīng)反復(fù)地切斷硅-硅鍵，產(chǎn)生硅-氧鍵或硅-氮鍵，所獲得的絕緣薄膜/硅襯底界面幾乎沒有懸掛鍵，并具有低界面能級密度，因此，可以在所述硅襯底上形成具有優(yōu)異絕緣特性的絕緣薄膜。因此，可以在低溫在所述硅襯底上形成具有優(yōu)異均勻特性的絕緣薄膜。
為了更好地理解本發(fā)明，參考附圖，其中


圖1是把一種分子態(tài)元素離解成其原子態(tài)元素的薄膜形成設(shè)備的結(jié)構(gòu)圖，圖2是解釋由于氦分子(He)和氫分子元素(H2)的能態(tài)躍遷產(chǎn)生的能態(tài)和光發(fā)射的圖，圖3是表示在引入氦氣態(tài)分子時氫分子元素的發(fā)射光譜的圖，圖4是把三種分子態(tài)元素離解成其原子態(tài)元素的薄膜形成設(shè)備的結(jié)構(gòu)圖，圖5是使用三種原料氣體和一種原子態(tài)離解的分子態(tài)元素的薄膜形成設(shè)備的結(jié)構(gòu)圖，圖6是使用一種原料氣體和一種原子態(tài)離解的分子態(tài)元素的薄膜形成設(shè)備的結(jié)構(gòu)圖，圖7是使用兩種原子態(tài)離解的分子態(tài)元素的薄膜形成設(shè)備的結(jié)構(gòu)圖，圖8是表示在引入其量等于或大于氫分子元素量的氦氣態(tài)分子時，所述氫分子態(tài)元素的發(fā)生光譜的圖，圖9是硅襯底的示意截面圖，其中，所述絕緣薄膜在源極區(qū)中和漏極區(qū)域中有開口。
圖10是分隔的硅襯底的示意圖。下面將參考附圖詳細(xì)描述本發(fā)明。
圖1是在這個優(yōu)選實施方案中的薄膜形成設(shè)備的結(jié)構(gòu)圖。在該實施方案中，通過使用從氦氣和氫氣的混合氣體組成的等離氣體產(chǎn)生的原子態(tài)氫元素，在鉑襯底上形成含有高濃度氫元素的鉑(Pt)薄膜。在圖中，數(shù)字“1”表示真空容器。通過柔性管2向真空容器1中引入氫氣和氦氣組成的混合氣體。把所述混合氣體在帶有微波腔的石英管4中激發(fā)到等離子態(tài)。帶有微波腔3的石英管4可以連接到在真空容器1的右側(cè)的法蘭5上。連接到真空管1的法蘭5的另一側(cè)的光譜儀6可以分析所述等離子體中的光發(fā)射。作為襯底7的鉑板固定在真空容器1中的加熱夾具8上。
首先，通過泵100把真空容器1的內(nèi)部抽真空到1×10-5乇和更低。然后，通過加熱所述加熱夾具1，把襯底7加熱到300℃。通過石英管4向真空容器1中引入氦氣和氫氣的混合氣體到1乇的壓力。氦氣和氫氣的混合比為1∶1。隨后，通過微波腔3向石英管4中引入2.45GHz、100W的微波。所產(chǎn)生的原子態(tài)氫元素供應(yīng)到鉑襯底上，在所述鉑襯底上形成含有高濃度氫元素的鉑薄膜。
下面將詳細(xì)解釋上述薄膜形成過程。圖2圖解解釋其中使用等離子體能量進(jìn)行所述氫分子元素的原子化的方法。在圖2中，氦氣體分子的激發(fā)能級比其基態(tài)能級高19.82eV。另一方面，氫分子元素獲得約19eV的能量使其自身離解成為原子態(tài)的元素。處于激發(fā)態(tài)的離解的原子態(tài)氫元素發(fā)射出121.6nm的真空紫外線成為處于基態(tài)的原子態(tài)氫元素。在所述等離子體中的氦氣體分子的含量等于或大于所述氫分子元素的量的情況下，如本實施方案中所述，所述氫分子元素從激發(fā)的氦氣體分子獲得能量使其本身離解成為原子化的氫元素。但是，在所述等離子體中只有氫分子元素的情況下，所述元素直接激發(fā)，幾乎不會產(chǎn)生原子態(tài)的氫元素。
圖3表示從氦氣和氫氣混合氣體的等離子體中有效產(chǎn)生原子態(tài)氫元素的狀態(tài)。在圖3中，用光譜儀6測定發(fā)射光譜。與只有氫分子元素的等離子體的發(fā)射光譜相比，所述發(fā)射光譜在121.6nm的波長有一個大峰，在160nm的波長有一個小峰，這表示所述氫分子元素的分子態(tài)激發(fā)。下面將參考圖4解釋根據(jù)本發(fā)明的絕緣薄膜的形成方法。這里，圖4中與圖1類似的部件用相同的數(shù)字表示。在該實施方案中，形成用SiOF低介電常數(shù)材料制成的薄膜，用于鈍化在絕緣薄膜上鋁(Al)線。圖4中，數(shù)字“9”表示真空容器。等離子體發(fā)生設(shè)備10、11和12連接到真空容器9上，每個設(shè)備有結(jié)合在一起的柔性管2、微波腔3、和石英管4。然后，與圖1類似，提供光譜儀13、襯底14和加熱夾具15。
首先，用泵100把真空容器9抽真空到1×10-4乇或更低。然后，通過加熱所述加熱夾具15到200℃，加熱襯底14。所述襯底通過在布線上的絕緣薄膜進(jìn)行圖形化暴露鋁線。分別向等離子體發(fā)生設(shè)備10、11和12中引入硅烷(SiH4)氣體和氬(Ar)氣的混合氣體、氧(O2)氣和氙(Xe)氣的混合氣體以及氟(F2)氣和氪(Kr)氣的混合氣體。然后，向所述等離子發(fā)生設(shè)備中引入2.45GHz、100W的微波，產(chǎn)生其中由上述混合氣體組成的等離子體。所獲得的原子態(tài)硅元素、原子態(tài)氧元素和原子態(tài)氟元素供給到所述襯底上，形成低介電常數(shù)的SiOF薄膜。通過調(diào)整上述原子態(tài)元素的比例可以控制所述SiOF薄膜的組成。在該實施方案中，下面將描述根據(jù)本發(fā)明的鐵電體薄膜的形成方法。圖5是本實施方案用于鐵電體薄膜的薄膜形成設(shè)備。在該實施方案中，在由鉑/氧化鎂(MgO)疊層結(jié)構(gòu)組成的底層上形成由Pb(Zr,Ti)O3鐵電體氧化物組成的薄膜。在圖5中，數(shù)字“16”表示真空容器，數(shù)字“17”表示等離子體發(fā)生設(shè)備。這里，圖5中與圖1中類似的部件用相同的數(shù)字表示。把具有鉑/氧化鎂疊層結(jié)構(gòu)的襯底18固定在真空容器16中的加熱夾具19上。在真空容器16的側(cè)面提供3個進(jìn)氣口20。
用泵100把真空容器16的內(nèi)部抽真空到1×10-5乇和更低。在真空條件下，通過加熱加熱夾具19，把襯底18加熱到450℃。從進(jìn)氣口20向真空容器1中引入四乙基鉛(TELPb(C2H5)4)氣體、四叔丁醇鈦(BOZZr(t-OC4H9)4)氣體和四異丙醇鈦(POTTi(i-OC3H7)4)氣體，作為原料氣。此外，作為氧化氣體，通過等離子發(fā)生設(shè)備17向真空容器16中引入氖(Ne)氣和氧氣的混合氣體。由所述混合氣體組成的等離子體產(chǎn)生的原子態(tài)氧元素在真空容器16中與上述原料氣反應(yīng)，在襯底18上形成Pb(Zr,Ti)O3薄膜。與僅由氧氣組成的等離子體相比，由所述混合氣體組成的等離子體改進(jìn)了所述薄膜的氧化反應(yīng)。在該實施方案中，將解釋半導(dǎo)體化合物薄膜的形成方法。圖6表示本實施方案的薄膜形成設(shè)備。在本實施方案中，在藍(lán)寶石(Al2O3)制成的襯底上形成氮化鎵(GaN)制成的薄膜。在圖6中，數(shù)字“21”表示真空容器，數(shù)字“22”表示等離子體發(fā)生設(shè)備。這里，在圖6中與圖中類似的部件用相同的數(shù)字表示。把Al2O3襯底23固定在真空容器21內(nèi)的加熱夾具24上。此外，在真空容器21上提供進(jìn)氣口25。
用泵100把真空容器21內(nèi)部抽真空到1×10-5乇和更低。在真空條件下，通過加熱加熱夾具24加熱Al2O3襯底23。然后，從進(jìn)氣口25引入作為原料氣的鎵氣體。作為另一種原料氣的氮氣與氦氣混合并且用2.45MHz、100W的微波在等離子發(fā)生設(shè)備22中把所述氮分子元素激發(fā)成為原子態(tài)的氮元素。使用從所述氮分子元素(幾乎從不離解)產(chǎn)生的原子態(tài)氮元素，可以在比過去更低的溫度下形成GaN薄膜和該薄膜的緩沖層。在本實施方案中，將解釋根據(jù)本發(fā)明的無定形半導(dǎo)體薄膜的形成方法。在該實施方案中，使用與第一個實施方案相同的薄膜形成設(shè)備。在該實施方案中，在玻璃襯底上形成的透明電極上形成用于太陽能電池的無定形硅薄膜。因此，在本實施方案中，圖1中的襯底7由所述玻璃襯底和所述透明電極薄膜組成。
用泵100把真空容器1內(nèi)部抽真空到1×10-5乇和更低。在真空條件下，通過加熱加熱夾具7，把具有透明電極薄膜/玻璃襯底疊層結(jié)構(gòu)的襯底7加熱到300℃。作為原料氣的硅烷氣體用氬氣稀釋，氬氣用量為硅烷用量的5倍，并通過石英管4引入到真空容器1中達(dá)到1乇。通過微波腔向石英管4中引入2.45MHz、100W的微波，產(chǎn)生由所述硅烷氣體和所述氬氣組成的等離子體。所述氬氣分子幾乎吸收了等離子體的全部能量，從而使硅烷氣體分子從激發(fā)態(tài)的氬氣分子獲得能量(11.6eV)。因此，所述硅烷氣體分子被離解成原子態(tài)硅元素，從而形成具有良好質(zhì)量的無定形硅薄膜。在本實施方案中，將解釋鈍化薄膜的形成方法。圖7表示本實施方案的薄膜形成設(shè)備。在本實施方案中，形成氧化硅(SiO2)薄膜用于鈍化在絕緣薄膜上形成的鋁線。在圖7中，數(shù)字“26”表示真空容器，數(shù)字“27”和“28”表示等離子體發(fā)生設(shè)備。這里，在圖7中與圖1中類似的部件用相同的數(shù)字表示。把由所述絕緣薄膜和在所述絕緣薄膜上形成的圖形化的鋁布線結(jié)構(gòu)組成的襯底29固定在安裝在真空容器26中的加熱夾具30上。
首先，用泵100把真空容器26內(nèi)部抽真空到1×10-5乇和更低。在真空條件下，通過加熱加熱夾具30，把襯底29加熱到300℃。然后，把硅烷氣體用氬氣稀釋，氬氣用量為所述硅烷氣體量的5倍，并在等離子體發(fā)生設(shè)備27中產(chǎn)生由所述硅烷氣體和氬氣組成的等離子體。因此，與第五個實施方案一樣，所述硅烷氣體分子離解成原子態(tài)硅元素，并引入到真空容器26中。用同樣的方法，氧氣用氪氣稀釋，氪氣用量為氧氣量的20倍，并把所獲得的混合氣體引入到等離子發(fā)生設(shè)備28中。因此，從所述氧分子態(tài)元素產(chǎn)生原子態(tài)的氧元素，從而在襯底29上形成SiO2薄膜。這里，所述真空容器中的壓力為1乇。用同樣的方法，可以用氬氣-硅烷混合氣體和氦氣-氮氣混合氣體產(chǎn)生的原子態(tài)硅元素和原子態(tài)氮元素形成氮化硅薄膜。在本實施方案中，將描述把分子態(tài)元素有效離解成其原子態(tài)元素的方法。在本實施方案中，使用與第一個實施方案相同的設(shè)備。在本實施方案中，氫分子態(tài)元素被有效地離解成其原子態(tài)氫元素。圖8表示在由氦氣∶氫氣=25∶1的混合氣體組成的等離子體中原子態(tài)氫元素的發(fā)射光譜。用光譜儀6測定所述發(fā)射光譜。與氦氣∶氫氣=1∶1的混合氣體組成的等離子體相比，氦氣∶氫氣=25∶1的混合氣體組成的等離子體(即氦氣含量大于氫氣含量)在121.6nm的波長表現(xiàn)出極大峰，在160nm左右表現(xiàn)出極小峰。本實施方案中的離解方法可用于第一到第四個實施方案，所以，氧分子態(tài)元素、氟分子態(tài)元素和氮分子態(tài)元素可以有效離解成其原子態(tài)元素。
在本實施方案中，將解釋形成P摻雜硅區(qū)域的方法。在本實施方案中，使用與第一個實施方案相同的設(shè)備。在本實施方案中，與第一個實施方案中的襯底7一樣，使用在源極區(qū)域和漏極區(qū)域有開口的帶有圖形化絕緣薄膜的硅襯底。
首先，用泵100把真空容器1的內(nèi)部抽真空到1×10-5乇和更低。在真空條件下，通過加熱加熱夾具8，把襯底7加熱到500℃。把作為含P原料氣的P2O5氣體與氦氣混合，并把所述混合氣體通過石英管4引入到真空容器1中。通過微波腔3向石英管4中引入2.45GHz、100W的微波，產(chǎn)生由P2O5氣體和氦氣組成的混合氣體。所述氦氣體分子幾乎從所述等離子體中吸收了全部能量，并把其激發(fā)能給予P2O5分子態(tài)元素。因此，所述P2O5分子態(tài)元素幾乎全部離解成其原子態(tài)元素，從而在所述襯底的開口處形成P摻雜的硅區(qū)域。而且，可以使用B2O3氣體和氖氣的混合氣體代替上述混合氣體形成硼(B)摻雜的硅區(qū)域。在本實施方案中，將解釋硼摻雜的硅薄膜的形成方法。在本實施方案中，使用與第六個實施方案相同的設(shè)備。襯底30用硅材料制成。
首先，用泵100把真空容器26的內(nèi)部抽真空到1×10-5乇和更低。在真空條件下，通過加熱加熱夾具30，把襯底29加熱到500℃。然后把作為含B原料氣的B2O3氣體與氖氣混合，并把所述混合氣體引入到等離子體發(fā)生設(shè)備27中。向等離子體發(fā)生設(shè)備28中引入氬氣和硅烷氣體的混合氣體。然后，分別從所述混合氣體產(chǎn)生原子態(tài)硼元素和原子態(tài)硅元素，因此，在所述硅襯底上形成了硼摻雜的硅薄膜。在本實施方案中，將解釋柵氧化物薄膜的形成方法。在本實施方案中，使用與第一個實施方案相同的薄膜形成設(shè)備。而且，在本實施方案中，襯底7由圖10所示的分立硅襯底組成。
首先，用泵100把真空容器1的內(nèi)部抽真空到1×10-5乇和更低。在真空條件下，通過加熱加熱夾具8，把分立的硅襯底加熱到500℃。然后，通過石英管4向真空容器1中引入氬氣和氧氣到1乇的壓力。在這種情況下，所述混合氣體的比例為氬氣∶氧氣=25∶1，流量為100sccm。通過微波腔3向石英管4中引入2.45GHz、100W的微波，產(chǎn)生由所述氬氣和氧氣組成的混合氣體的等離子體。大多數(shù)氬分子從所述等離子體中吸收了幾乎所有的能量，并把所述氬激發(fā)能量給予所述氧分子態(tài)元素。因此，從所述氧分子態(tài)元素產(chǎn)生所述原子態(tài)氧元素，并與構(gòu)成所述硅襯底的硅元素反應(yīng)，在硅襯底7的開口處形成氧化硅薄膜。在本實施方案中，所述硅襯底的氧化速度近似等于使用氧分子元素的常規(guī)的800℃熱氧化法的氧化速度。在本實施方案中，將解釋用氪元素和氧元素氧化硅襯底的薄膜形成方法。在本實施方案中，使用與第一個實施方案相同的薄膜形成設(shè)備。而且，在本實施方案中，與第十個實施方案中的襯底7一樣，使用圖10所示的分隔的硅襯底。
首先，用泵100把真空容器1的內(nèi)部抽真空到1×10-5乇和更低。在真空條件下，通過加熱加熱夾具8，把襯底7加熱到500℃。然后，以100sccm的流量引入氪氣∶氧氣=25∶1的混合氣體到1乇的壓力。通過微波腔3向石英管4中引入2.45GHz、100W的微波，產(chǎn)生由氪氣和氧氣的混合氣體組成的等離子體。所述氪分子從所述等離子體中吸收了幾乎所有能量，并把其激發(fā)能(9.92eV)給予所述氧分子態(tài)元素。因此，所述氧分子態(tài)元素幾乎全部離解成其原子態(tài)氧元素并氧化所述分隔襯底7的開口區(qū)域。所獲得的SiO2/Si界面的界面能級密度在Dit為3×1011/cm2·eV(中間能隙)。而且，在通過把襯底溫度從300℃改變?yōu)?00℃測量所述氧化反應(yīng)的活化能時，它是約0.14eV，所述氧化反應(yīng)的活化能是在所述氧化反應(yīng)中控制所述擴散速度的指標(biāo)。這意味著對于所述襯底溫度的變化，所述氧化速度的變化是非常小的。在本實施方案中，400℃的襯底溫度給出的SiO2/Si界面的界面能級密度在Dit為5×1011/cm2·eV(中間能隙)。在本實施方案中，將解釋使用氙元素和氧元素氧化硅襯底的薄膜形成方法。在本實施方案中，使用與第一個實施方案中相同的薄膜形成設(shè)備。而且，在本實施方案中，與第十個實施方案中的襯底7一樣，使用圖10所示的分隔的硅襯底。
首先，用泵100把真空容器1的內(nèi)部抽真空到1×10-5乇或更低。在真空條件下，通過加熱加熱夾具8，把襯底7加熱到500℃。然后，以100sccm的流量引入氙氣∶氧氣=25∶1的混合氣體到1乇的壓力。通過微波腔3向石英管4中引入2.45GHz、100W的微波，產(chǎn)生由氙氣和氧氣的混合氣體組成的等離子體。所產(chǎn)生的原子態(tài)氧元素能使分隔的硅襯底7的開口部分被氧化。在使用氙和氧的混合氣體組成的等離子體的本實施方案中，氧化速度幾乎等于在常規(guī)的900℃熱氧化法可以獲得的氧化速度，并且可以在400℃的低溫下實現(xiàn)所述硅襯底的氧化。在本實施方案中，將解釋使用氦元素和氮元素氮化硅襯底的薄膜形成方法。在本實施方案中，使用與第一個實施方案相同的薄膜形成設(shè)備。而且，在本實施方案中，與第十個實施方案的襯底7相同，使用圖10所示的分隔硅襯底。
首先，用泵100把真空容器1的內(nèi)部抽真空到1×10-5乇和更低。在真空條件下，通過加熱加熱夾具8，把襯底7加熱到600℃。然后，以100sccm的流量通過石英管4向真空容器1中引入氦氣∶氮氣=10∶1的混合氣體。通過微波腔3向石英管4中引入2.45GHz和100W的微波，產(chǎn)生由氦氣和氮氣的混合氣體組成的等離子體。
所獲得的原子態(tài)氮元素能使分隔的硅襯底7的開口部分直接氮化。在本實施方案中，將描述形成氧氮化物薄膜(SiON)的形成方法。在本實施方案中，使用與第六個實施方案相同的薄膜形成設(shè)備。而且，在本實施方案中，與第十個實施方案的襯底7一樣，將使用圖10所示的分隔的硅襯底。
首先，用泵100把真空容器26的內(nèi)部抽真空到1×10-5乇和更低。在真空條件下，通過加熱加熱夾具30，把襯底29加熱到600℃。然后，向等離子體發(fā)生設(shè)備27中引入氪氣∶氧氣=25∶1的混合氣體。并向等離子體發(fā)生設(shè)備28中引入氦氣∶氮氣=10∶1的混合氣體。在這種情況下，真空容器中的壓力為1乇。在所述等離子體發(fā)生設(shè)備中產(chǎn)生的原子態(tài)氧元素和原子態(tài)氮元素與構(gòu)成硅襯底的硅元素反應(yīng)，形成具有良好界面質(zhì)量和高介電常數(shù)的的SiON薄膜。
(工業(yè)應(yīng)用)根據(jù)本發(fā)明，所述分子(每個分子由多個原子組成)可以有效地離解成其原子態(tài)的元素，使用所述分子可以實現(xiàn)低溫薄膜形成方法。
權(quán)利要求
1．一種薄膜形成方法，包括向襯底上提供氣態(tài)分子，每個分子由多個原子組成，其中，產(chǎn)生由惰性氣體和含有所述氣態(tài)分子的氣體的混合氣體組成的等離子體，來激發(fā)所述惰性氣態(tài)分子，具有高于離解所述氣態(tài)分子到其原子態(tài)元素所需能量的準(zhǔn)穩(wěn)能級的激發(fā)的惰性氣體分子與所述氣態(tài)分子碰撞，把所述氣態(tài)分子離解成其原子態(tài)氣體元素，向所述襯底上提供所述元素。
2．一種根據(jù)權(quán)利要求1的薄膜形成方法，其中，所述氣態(tài)分子是氧分子。
3．一種根據(jù)權(quán)利要求1的薄膜形成方法，其中，所述氣態(tài)分子是氮分子。
4．一種根據(jù)權(quán)利要求1-3的任一項的薄膜形成方法，其中，所述惰性氣體的分子密度不小于混合氣體中所述氣態(tài)分子的分子密度。
5．一種根據(jù)權(quán)利要求1-4的任一項的薄膜形成方法，其中，所述襯底是硅襯底，所述氣態(tài)分子含有構(gòu)成在所述襯底上形成薄膜的硅化合物的元素。
6．一種根據(jù)權(quán)利要求5的薄膜形成方法，其中，至少一部分構(gòu)成所述硅化合物的硅元素被離解成原子態(tài)的硅元素。
7．一種根據(jù)權(quán)利要求5的薄膜形成方法，其中，所述硅的化合物是氧化硅。
8．一種根據(jù)權(quán)利要求7的薄膜形成方法，其中，所述惰性氣體是氪氣，所述氣態(tài)分子是要離解成氧化所述襯底的原子態(tài)氧元素的氧分子。
9．一種根據(jù)權(quán)利要求7的薄膜形成方法，其中，所述惰性氣體是氙氣，所述氣態(tài)分子是要離解成氧化所述襯底的原子態(tài)氧元素的氧分子。
10．一種根據(jù)權(quán)利要求5的薄膜形成方法，其中，所述硅化合物是氮化硅，所述惰性氣體是氦氣，所述氣態(tài)分子是要離解成氮化所述襯底的原子態(tài)氮元素的氮分子。
11．一種根據(jù)權(quán)利要求5的薄膜形成方法，其中，所述硅化合物是氧氮化硅。
全文摘要
在向襯底上沉積氣態(tài)分子(每種氣體分子由多個原子組成)的薄膜形成方法中,或者使所述氣態(tài)分子與所述襯底的組成元素反應(yīng)在所述襯底上形成化合物薄膜的薄膜形成方法中,產(chǎn)生含有其能量高于把所述氣態(tài)分子離解成其原子態(tài)分子所需能量的準(zhǔn)穩(wěn)能級的激發(fā)的惰性氣態(tài)分子和所述氣態(tài)分子,然后,所述氣態(tài)分子在沉積到所述襯底上之前離解成其原子態(tài)的元素。因此,不要求所述氣態(tài)分子在所述襯底上的離解,導(dǎo)致了所述薄膜形成方法的溫度降低。
文檔編號C23C26/00GK1299517SQ99805632
公開日2001年6月13日 申請日期1999年3月23日 優(yōu)先權(quán)日1998年3月27日
發(fā)明者上野智雄 申請人:東京農(nóng)工大學(xué)