專利名稱：使用等離子體制造半導(dǎo)體器件的設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實(shí)施例涉及一種用于制造半導(dǎo)體器件的設(shè)備和方法。更具體地，本發(fā)明的實(shí)施例涉及一種使用等離子體制造半導(dǎo)體器件的設(shè)備和方法。
本申請(qǐng)要求2005年10月4日申請(qǐng)的韓國專利申請(qǐng)?zhí)?005-0092964的權(quán)益，在此將其主題全部引入作為參考。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體器件的當(dāng)前發(fā)展是以增加組件密度、增大器件集成度和提高運(yùn)行速度為特點(diǎn)。這些趨勢(shì)要求精確地形成越來越小的結(jié)構(gòu)、組件和特定區(qū)域(此后，共同地和/或分開地稱為半導(dǎo)體器件的“元件”)。
通常，通過應(yīng)用制造工序的復(fù)雜順序來完成這種元件的制造。制造工序的一種共同類型涉及將離子(例如，導(dǎo)電雜質(zhì))選擇性地注入半導(dǎo)體襯底的限定區(qū)中。通常使用選自III族或IV族的元素作為注入離子。
其他制造工序包括用于在半導(dǎo)體襯底上形成材料膜的薄膜淀積工序、用于構(gòu)圖一個(gè)或多個(gè)材料膜的刻蝕工序、用于平整半導(dǎo)體襯底表面的化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)工序、用于有選擇地除去半導(dǎo)體襯底上的材料和/或雜質(zhì)的晶片清洗工序等。在半導(dǎo)體器件的制造過程中，在特別采用的處理設(shè)備中可以重復(fù)地使用這些工序類型。
許多制造工序使用等離子體以獲得良好的效果。例如等離子體已被用于各種干法刻蝕工序(例如，各向異性刻蝕工序)，以有選擇地在材料薄膜中形成圖形，以及用于除去光刻膠層的某些灰化工序中，等等。
等離子體包括處于高能狀態(tài)的一種或多種氣體。該高能狀態(tài)使組成的氣體離子化。亦即，對(duì)封閉氣體施加充分的能量，導(dǎo)致氣體原子之間產(chǎn)生大量高能量碰撞。這些碰撞從碰撞原子釋放出電子，由此電離該氣體。
與主要由電中性原子組成的簡(jiǎn)單熱氣體不同，等離子體由帶電粒子(例如，由氣體的離子化形成的帶正電“離子”和帶負(fù)電“電子”)構(gòu)成。通過對(duì)等離子體施加電場(chǎng)，感應(yīng)相應(yīng)的磁場(chǎng)，并且可以產(chǎn)生帶電粒子定向流動(dòng)。實(shí)際上，施加的電場(chǎng)形成能引導(dǎo)離子和電子流動(dòng)的局部電荷分開裝置。因此，盡管該電磁場(chǎng)具有非常復(fù)雜的機(jī)械(例如，給予方向)性能，但是它們的總體效果可以被精確地控制。
圖1A和1B示意性地示出了使用等離子體的示例性干法刻蝕工序。
首先參考圖1A，在底層10如半導(dǎo)體襯底上形成將通過干法刻蝕工序構(gòu)圖的目標(biāo)層12。光刻膠圖形14有選擇地露出目標(biāo)層12。在容納工件的處理室中形成等離子體。在本實(shí)例中假定氧(O)等離子體包括帶正電的O+離子、帶負(fù)電的電子和中性的O*原子團(tuán)。在該等離子體內(nèi)可以使用氬(Ar)離子，以破壞天然氧分子(O2)的離子鍵。
現(xiàn)在參考圖1B，一旦形成氧等離子體，對(duì)底層10施加負(fù)電壓。響應(yīng)于該施加的偏壓，等離子體內(nèi)的帶正電的粒子被吸向目標(biāo)層12。在目標(biāo)層12的露出部分內(nèi)，這些帶正電的粒子的碰撞和所導(dǎo)致的吸收，產(chǎn)生刻蝕現(xiàn)象。實(shí)際上，帶正電的粒子導(dǎo)致與目標(biāo)層12離子碰撞和起化學(xué)反應(yīng)。目標(biāo)層12露出部分的物質(zhì)轉(zhuǎn)變產(chǎn)生可以被容易地除去的揮發(fā)性副產(chǎn)物。
該類型的等離子刻蝕工序具有許多優(yōu)點(diǎn)，包括僅需要施加較低的等離子電壓和很好的材料選擇性。同時(shí)，可以在較低的溫度下進(jìn)行等離子體刻蝕，這防止半導(dǎo)體襯底的退化。
圖2和圖3示出了兩個(gè)示例性柵氧化層的邊緣區(qū)外形。圖2所示的柵氧化層使用熱能來形成，而圖3所示的柵氧化層使用等離子來形成。
參考圖2，使用熱氧化工序在硅襯底20的有源區(qū)上形成柵氧化層(Gox)24，該有源區(qū)被使用淺溝槽隔離(STI)技術(shù)形成隔離區(qū)22限定。此后，在柵氧化層24上形成用作柵電極的多晶硅層26。
在使用熱能在硅層上形成氧化層的過程中，氧化層的生長(zhǎng)速率相對(duì)于其表面取向而變化。因此，在垂直于硅襯底20的方向上所得的氧化層較薄，因?yàn)樵摲较蛏系纳L(zhǎng)面被限于一個(gè)硅原子和兩個(gè)氧原子之間的鍵。結(jié)果，在隔離區(qū)22的邊緣上形成的部分柵氧化層24非常薄，且顯示出差的臺(tái)階覆蓋度(參見，圖2中的“A”區(qū))。該不均勻的柵氧化層厚度和差的臺(tái)階覆蓋度導(dǎo)致所構(gòu)成的半導(dǎo)體器件的電性能退化和引入該半導(dǎo)體器件的主機(jī)裝置的可靠性降低。
因?yàn)檫@些問題，在常規(guī)半導(dǎo)體器件的制造中，熱氧化工序很大程度上被放棄，以利于等離子體氧化工序。
參考圖3，使用氧等離子體工序，在硅襯底30的有源區(qū)上形成柵氧化層34，該有源區(qū)被使用淺溝槽隔離(STI)技術(shù)形成隔離區(qū)32限定。此后，在柵氧化層34上形成用作柵電極的多晶硅層36該等離子體形成的氧化物層34生長(zhǎng)在底下的硅襯底30上，與其表面取向無關(guān)。因此，通過使用高反應(yīng)性的氧原子團(tuán)減輕與氧化硅層和硅層(例如，弱的Si-Si鍵、拉緊的Si-O鍵以及Si懸掛鍵)相關(guān)的界面缺陷，由此提高所得的氧化物層的質(zhì)量。(參見，圖3的“B”區(qū))。因此，柵氧化層34形成更均勻的和具有更好臺(tái)階覆蓋度，特別在隔離區(qū)32的邊緣部分上。
相對(duì)于該背景，還應(yīng)該注意可以使用分批量技術(shù)或單晶片技術(shù)來制造半導(dǎo)體器件。這些不同的制造技術(shù)涉及不同的處理設(shè)備類型。在其處理室內(nèi)處理裝載到公共晶片舟的多個(gè)晶片的分批式設(shè)備的明顯優(yōu)勢(shì)在于半導(dǎo)體器件的批量制造。但是，批處理對(duì)某些工序不是很適用，如用于在光刻工序過程中從晶片除去光刻膠的工序。
相反，單晶片型設(shè)備通常用于在處理室內(nèi)的加熱卡盤上裝載的單個(gè)晶片上執(zhí)行處理。單晶體型設(shè)備的缺點(diǎn)在于其生產(chǎn)量，但是很適用于在高集成晶片上需要工序應(yīng)用的均勻性的處理。
在執(zhí)行等離子體氧化工序中，如參考圖3描述的工序，該等離子體粒子(例如，氧原子團(tuán))的有效壽命較短(即，在此期間該等離子體粒子能與目標(biāo)層起化學(xué)反應(yīng)的時(shí)間)。因此，使用等離子體在半導(dǎo)體襯底上淀積氧化層(例如，柵氧化層)時(shí)，必須使用單晶片型設(shè)備。以此方式，當(dāng)使用上述示例性等離子體形成氧化層時(shí)，氧原子團(tuán)“恢復(fù)”(例如，修復(fù))形成氧化物層時(shí)在下層中固有的晶體缺陷。因此，基于等離子體處理形成非常優(yōu)質(zhì)的柵氧化層。不幸地，因?yàn)樵诘入x子體中的帶電粒子的短壽命，這些積極的效果通常僅限于單晶片型設(shè)備。對(duì)單晶片型設(shè)備的這種限制不利地影響形成半導(dǎo)體器件的整個(gè)制造過程的生產(chǎn)率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實(shí)施例提供一種使用基于等離子體的工序制造半導(dǎo)體器件的方法和設(shè)備，該工序能夠提供非常優(yōu)質(zhì)的材料層和具有改進(jìn)的可靠性的半導(dǎo)體器件。
因此，在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供一種用于制造半導(dǎo)體器件的設(shè)備，包括等離子體發(fā)生器，用于將等離子源轉(zhuǎn)變?yōu)榘ǖ入x子體粒子的等離子體，等離子體俘獲部分，用于接收該等離子體和俘獲由保護(hù)層形成的等離子球囊(capsule)中的等離子體粒子，以及處理室，用于接收該等離子球囊。
在相關(guān)方面，該等離子源可以包括氧氣、氬氣和氫氣的至少一種；該等離子體發(fā)生器可以使用射頻(RF)或微波能量將等離子源轉(zhuǎn)變?yōu)榈入x子體；以及保護(hù)層可以包括由H2O或N2形成的氣泡。
本發(fā)明的實(shí)施例可以容易地用于分批型處理設(shè)備或單晶片型處理設(shè)備。
在另一實(shí)施例中，本發(fā)明提供一種用于在半導(dǎo)體襯底上形成氧化層的設(shè)備，包括等離子體發(fā)生器，用于將等離子源轉(zhuǎn)變?yōu)榘ㄔ訄F(tuán)和帶電粒子的等離子、等離子體俘獲部分，用于接收該等離子體并俘獲由保護(hù)層形成的等離子球囊中的原子團(tuán)和等離子體粒子、以及處理室，用于接收該等離子球囊，釋放原子團(tuán)，以及通過原子團(tuán)氧化工序，使用該釋放的原子團(tuán)，在半導(dǎo)體襯底上形成氧化層。
在另一實(shí)施例中，該發(fā)明提供一種用于在半導(dǎo)體襯底上形成材料層的方法，該方法包括將等離子源轉(zhuǎn)變?yōu)榘ǖ入x子體粒子的等離子體、俘獲由保護(hù)層形成的等離子球囊中的等離子體粒子、將該等離子球囊注入處理室中，并使用等離子球囊之間的碰撞能量使該等離子球囊破裂，以重新激活在該等離子球囊中俘獲的等離子體粒子、以及使用該等離子粒子在半導(dǎo)體襯底上形成材料層。


下面，將參考附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例，其中圖1A和1B是說明使用等離子體的常規(guī)和一般干法刻蝕工序的示意圖；
圖2是使用熱氧化工序形成的柵氧化層的常規(guī)半導(dǎo)體器件的剖面圖；圖3是使用等離子氧化工序形成的柵氧化層的常規(guī)半導(dǎo)體器件的剖面圖；圖4是用于使用根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的基于等離子體的工序來制造半導(dǎo)體器件的設(shè)備示圖；圖5是說明使用圖4的制造設(shè)備來制造半導(dǎo)體器件的方法的流程圖；圖6是說明通過由H2O或N2形成的氣泡俘獲的等離子體粒子的示意圖；和圖7A至7C是說明使用氧原子團(tuán)形成氧化層的示例性工序的示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面，將參考附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例。但是，該發(fā)明不僅僅限于該說明性的實(shí)施例。相反，該實(shí)施例被提出作為教導(dǎo)例子。在圖中，相同的數(shù)字指相同的元件。
圖4示出了用于使用基于等離子體的工序制造半導(dǎo)體器件的分批式處理設(shè)備100。圖5是說明使用圖4所示的設(shè)備制造半導(dǎo)體器件的示例性方法的相關(guān)流程圖；首先參照?qǐng)D4，設(shè)備100包括通過其注入等離子源的源注入管線102、用于從等離子源產(chǎn)生等離子體的等離子體發(fā)生器、用于俘獲由等離子體發(fā)生器104產(chǎn)生的等離子體粒子的等離子體俘獲部分106、處理室108、以及用于從處理室108排出工藝氣體的排氣管線116。在處理室108內(nèi)設(shè)置用于接收大量晶片112的批量盒(cassette)110。
現(xiàn)在將參考圖4和圖5詳細(xì)地描述產(chǎn)生等離子體和使用等離子體俘獲部分106俘獲等離子體的相關(guān)工序。
首先，等離子源(例如，一種或多種氣體)通過源注入管線102注入到等離子體發(fā)生器104中(S200)。例如，假定用于在半導(dǎo)體襯底的有源區(qū)上形成柵氧化層的工序，有源區(qū)由使用淺溝槽隔離(STI)技術(shù)形成的隔離層限定，該等離子源可以包括氧氣(O2)和氬氣(Ar)，或氧氣(O2)和氫氣(H2)。然后，將射頻(RF)或微波能量施加到等離子體發(fā)生器104內(nèi)的等離子源，以產(chǎn)生等離子體(S202)。例如，假定O2和Ar被注入，作為等離子源，那么所得的等離子體將包括帶正電的O+離子、帶負(fù)電的電子、中性的O*原子團(tuán)以及用來使氧分子(O2)的原子鍵斷裂的Ar離子。
一旦產(chǎn)生，在等離子體發(fā)生器104和處理室108之間布置的等離子體俘獲部分106中俘獲該等離子體(S204)。在一個(gè)實(shí)施例中，如下面更詳細(xì)地描述，在保護(hù)層中俘獲該等離子體(例如包括由水(H2O)或液化氮(N2)產(chǎn)生的氣泡的保護(hù)層)。
圖6是說明在包括由H2O或N2形成的氣泡的保護(hù)層中俘獲等離子體粒子的示例性工序的示意圖。
參考圖6，由等離子體發(fā)生器104產(chǎn)生的等離子體粒子(例如，O+、O*、電子以及Ar+)被保護(hù)層隨機(jī)地俘獲，以不同地形成等離子球囊114。因此，O+、Ar+和電子被保護(hù)層俘獲，以及在該加工例子中，O*原子團(tuán)更特別地與氧化層的形成有關(guān)。由于等離子球囊114中的不同俘獲，帶電的等離子體粒子將相互鍵合并且失去它們的大量能量。
然后，等離子球囊114被注入處理室108中，并用來形成柵氧化層(S206)。所示的處理室是分批型的，但是單晶片型處理室也恰好可以被容易地使用。
由于在等離子球囊114中俘獲了高百分比的帶電等離子體粒子，以及它們的高能態(tài)由此中和，因此在處理室108中，這些顆粒本質(zhì)上不與被處理的大量晶片(例如，硅襯底)起反應(yīng)。但是，在處理室108中注入的等離子球囊114將相互碰撞，具有大的動(dòng)能，此后，由于這些碰撞，等離子球囊114將破裂。當(dāng)?shù)入x子球囊114破裂時(shí)，帶電的等離子體粒子相互臨時(shí)鍵合，各自的囊被釋放并恢復(fù)高能態(tài)。此外，形成大量晶片112(例如，半導(dǎo)體襯底中的硅原子)的材料顆粒之間的鍵合力將被減弱，以及處于適合于形成氧化層的狀態(tài)(S208)。由等離子球囊114的碰撞能量重新激活的等離子體中的氧原子團(tuán)被擴(kuò)散到晶片材料并與晶片材料化學(xué)地反應(yīng)，現(xiàn)在晶片材料具有弱的鍵合力，以便在大量晶片112(S210)的各個(gè)有源區(qū)上形成氧化層(例如柵氧化層)。形成氧化層之后，可以通過排氣管116(S212)從處理室108排放剩余的等離子體和任意所得的副產(chǎn)物。
現(xiàn)在參考圖7A至7C，說明用于使用氧原子團(tuán)形成氧化層的示例性工序。
首先參考圖7A，硅晶片112被暴露于注入處理室108中的各種等離子球囊114。在一個(gè)實(shí)施例中可以通過由H2O和N2產(chǎn)生的氣泡來形成這些等離子球囊。
參考圖7B，注入處理室108中的等離子球囊114相互碰撞，包封的氣泡被該碰撞能量破裂。以此方式，帶電等離子體粒子以及氧原子團(tuán)118被釋放(或更精確地重新釋放)，具有非常大的能量。同時(shí)，由等離子球囊的碰撞所引起的能量也削弱形成晶片112的硅原子的原子鍵，并以促進(jìn)氧化層形成的方式激勵(lì)硅顆粒。
最后，參考圖7C，激活的氧原子團(tuán)118與被激勵(lì)的硅原子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，以形成具有良好的臺(tái)階覆蓋度特點(diǎn)的優(yōu)質(zhì)氧化層120。
與常規(guī)熱氧化工序不同，上述示例性方法形成具有高均勻厚度的氧化層。具體，在隔離區(qū)(例如，使用STO技術(shù)形成的隔離區(qū))邊緣部分上形成柵氧化層的情況下，該柵氧化層具有非常好的臺(tái)階覆蓋度。此外，通過高反應(yīng)性氧原子的應(yīng)用，氧化硅層和硅層(例如，弱Si-Si鍵、拉緊的Si-O鍵和Si懸掛鍵)之間固有地存在的界面缺陷被修復(fù)，因此，氧化層的臺(tái)階覆蓋度和氧化層的總體質(zhì)量被普遍地提高。因此實(shí)現(xiàn)所構(gòu)成的半導(dǎo)體器件的更高可靠性。
此外，與局限于單晶片型處理設(shè)備的常規(guī)等離子體氧化工序相比，因?yàn)槎虊勖膸щ姷入x子體粒子，本發(fā)明的實(shí)施例可以容易地應(yīng)用于分批式處理設(shè)備。因此可以避免與單晶片型處理設(shè)備相關(guān)的缺點(diǎn)。
通過由等離子球囊提供的俘獲處理獲得這些顯著的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)際上，帶電等離子體粒子的壽命被等離子體氧化工序中的上述俘獲和重新激活工序延長(zhǎng)。通過等離子體粒子的有效壽命的延長(zhǎng)，基于等離子體的工序可以應(yīng)用于在分批型處理設(shè)備中處理的大量晶片，帶來優(yōu)異的結(jié)果和提高的生產(chǎn)率。
在示例性實(shí)施例中已描述了本發(fā)明。但是，在不脫離由以下權(quán)利要求限定的本發(fā)明范圍的條件下，對(duì)于上述內(nèi)容可以進(jìn)行各種改進(jìn)和選擇性布置。
權(quán)利要求
1.一種用于制造半導(dǎo)體器件的設(shè)備，包括等離子體發(fā)生器，用于將等離子源轉(zhuǎn)變?yōu)榘ǖ入x子體粒子的等離子體；等離子體俘獲部分，用于接收該等離子體并俘獲由保護(hù)層形成的等離子球囊中的等離子體粒子；和用于接收該等離子球囊的處理室。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中該等離子源包括氧氣和氬氣，或包括氧氣和氫氣。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中該等離子體發(fā)生器使用射頻(RF)或微波能量將等離子源轉(zhuǎn)變?yōu)榈入x子體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中保護(hù)層包括由H2O或N2形成的氣泡。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中處理室是分批型處理設(shè)備或單晶片型處理設(shè)備。
6.一種用于在半導(dǎo)體襯底上形成氧化層的設(shè)備，包括等離子體發(fā)生器，用于將等離子源轉(zhuǎn)變?yōu)榘ㄔ訄F(tuán)和帶電粒子的等離子體；等離子體俘獲部分，用于接收該等離子體和俘獲由保護(hù)層形成的等離子球囊中的原子團(tuán)和等離子體粒子；以及處理室，用于接收該等離子球囊，釋放原子團(tuán)，以及通過使用釋放的原子團(tuán)的原子團(tuán)氧化工序，在半導(dǎo)體襯底上形成氧化層。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的設(shè)備，其中該等離子源包括氧氣和氬氣，或包括氧氣和氫氣。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的設(shè)備，其中等離子體發(fā)生器使用射頻(RF)或微波能量將等離子源轉(zhuǎn)變?yōu)榈入x子體。
9.根據(jù)權(quán)利要求6的設(shè)備，其中保護(hù)層包括由H2O或N2形成的氣泡。
10.根據(jù)權(quán)利要求6的設(shè)備，其中處理室是分批型處理設(shè)備或單晶片型處理設(shè)備。
11.一種用于在半導(dǎo)體襯底上形成材料層的方法，該方法包括將等離子源轉(zhuǎn)變?yōu)榘ǖ入x子體粒子的等離子體；俘獲由保護(hù)層形成的等離子球囊中的等離子體粒子；將等離子球囊注入處理室中，以及使用等離子球囊之間的碰撞能量使等離子球囊破裂，以重激活該等離子球囊中俘獲的等離子體粒子；以及使用該等離子體粒子在半導(dǎo)體襯底上形成材料層。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中該等離子源包括氧氣和氬氣，或包括氧氣和氫氣。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中該等離子源包括氧氣，該等離子體粒子包括氧原子團(tuán)，以及通過原子團(tuán)氧化工序來形成該材料層。
14.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中該保護(hù)層包括由H2O或N2形成的氣泡。
15.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中該處理室是分批型處理設(shè)備或單晶片型處理設(shè)備。
16.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中該材料層包括柵氧化層。
17.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中該材料層包括柵氧化層。
全文摘要
公開了一種用于半導(dǎo)體器件的設(shè)備及相關(guān)制造方法。使用等離子體發(fā)生器，將等離子源轉(zhuǎn)變?yōu)榈入x子體。然后在由保護(hù)層形成的等離子球囊中俘獲等離子體粒子，以及將該等離子體粒子引入處理室，一旦它們從等離子球囊釋放，使用該等離子體粒子在半導(dǎo)體襯底上形成材料層。
文檔編號(hào)H01L21/265GK1945797SQ200610091739
公開日2007年4月11日 申請(qǐng)日期2006年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月4日
發(fā)明者金俊錫 申請(qǐng)人:三星電子株式會(huì)社