DE60217701T2

DE60217701T2 - Verfahren zum bliden eines siliziumdioxidfilms

Info

Publication number: DE60217701T2
Application number: DE60217701T
Authority: DE
Inventors: Masahiro Fukui-shi KAWASAKI
Original assignee: KST World Corp
Current assignee: Seiren KST Corp
Priority date: 2001-12-06
Filing date: 2002-11-25
Publication date: 2007-10-25
Anticipated expiration: 2022-11-26
Also published as: AU2002365849A1; CA2436001C; US7754286B2; TW200300964A; KR100588081B1; JP2003192328A; US20040058080A1; KR20040023589A; EP1437328B1; JP4398126B2; EP1437328A1; US20070266934A1; DK1437328T3; WO2003048041A1; CA2436001A1; DE60217701D1; TWI282116B; EP1437328A4

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bilden eines dicken Siliziumdioxidfilms auf einem Siliziumsubstrat.
Technischer Hintergrund
Ein Material, das durch Bilden eines dicken Siliziumdioxidfilms auf einem Siliziumsubstrat erhalten wurde, ist für die Geräte verwendet worden, die auf solchen Gebieten wie der Weichphotonik („soff photonics"), die vor allem die optische Datenübermittlungs- und -verarbeitungstechnik betrifft, der Komfortphotonik („amenity photonics") mit dem Ziel der Verwendung von Licht für eine optische Anzeige und optischen Input/Output, die für den Menschen und seine Umgebung einfach zu verwenden sind, und der Hartphotonik („hard photonics"), die nach ultimativen neuen Lichtquellen sucht und eine Technologie zur Verwendung bei der optischen Messung entwickelt, verwendet werden.
Ein Lichtwellenleiter in einer optischen Speichereinheit wird beispielsweise durch Verlegen einer Kernschicht mit einem Lichtwellenleiterschaltungsmuster in einem Siliziumdioxidfilm auf einem Siliziumsubstrat gebildet. In diesem Fall muß der Siliziumdioxidfilm eine Dicke aufweisen, die zumindest nicht kleiner als etwas mehr als zehn Mikrometer ist, wenn die Dicke der Kernschicht beispielsweise so ausgewählt wird, daß sie fast dieselbe Größe wie die einer verbundenen optischen Faser aufweist.
Ein typisches Verfahren zum Bilden des Siliziumdioxidfilms auf dem Siliziumsubstrat kann durch ein bekanntes direktes thermisches Oxidationsverfahren dargestellt werden. Durch das direkte thermische Oxidationsverfahren wird der Siliziumdioxidfilm durch direktes thermisches Oxidieren der Oberfläche des Siliziumsubstrats gebildet. Die Dicke des gebildeten Films schwankt im Verhältnis zu der Oxidationszeit, wenn er eine geringe Dicke aufweist. Da die Oxidationsreaktion jedoch durch den gebildeten Oxidfilm durchgeführt wird, nimmt die Bildung des Films mit einer großen Dicke eine Zeit in Anspruch, die einer Hälfte der Oxidationszeit entspricht. Es ist daher schwierig, einen Film mit einer Dicke, die so groß wie etwas mehr als zehn Mikrometer oder mehr ist, zu bilden. Um die Oxidationsgeschwindigkeit zu erhöhen, ist deshalb ein Hochdruckoxidationsverfahren in einer oxidierenden Atmosphäre von etwas mehr als zehn atm bis zu 25 atm in die Praxis umgesetzt worden. Dieses Verfahren wird allerdings von solchen Barrieren wie gesetzlichen Beschränkungen hinsichtlich hoher Drücke und hohen Anlagenkosten begleitet. Es ist daher ziemlich schwierig, eine Siliziumdioxidschicht mit einer Dicke, die so groß wie etwas mehr als zehn Mikrometer bis zu 100 Mikrometer oder mehr ist, zu bilden.
Um die obigen Probleme zu lösen, hat der betreffende Anmelder ein Verfahren zum Bilden eines Siliziumdioxidfilms durch die Abscheidung von Polysilizium (japanische Patentanmeldung Nr. 342893/2000 „Method of Forming a Silicon Dioxide Film and Method of Forming Optical Waveguide") entwickelt. Mit diesem Verfahren wird eine Siliziumdioxidschicht einer gewünschten Dicke durch Abscheiden von Polysilizium auf einem Siliziumsubstrat, gefolgt von einer thermischen Oxidationsbehandlung, um einen Siliziumdioxidfilm zu bilden, anschließendes erneutes Abscheiden von Polysilizium auf dem so gebildeten Siliziumdioxidfilm, gefolgt von einer thermischen Oxidationsbehandlung, um einen Siliziumdioxidfilm zu bilden, und Wiederholen der obigen Vorgänge gebildet.
Offenbarung der Erfindung:
Mit einer Bildung des Siliziumdioxidfilms durch die Abscheidung von Polysilizium sind jedoch Probleme verbunden, die verbessert werden müssen, wie nachtstehend beschrieben.
(1) Oberflächenrauhigkeit des Siliziumdioxidfilms:
Der Siliziumdioxidfilm, gebildet durch die Abscheidung von Polysilizium, weist ziemlich rauhe Oberflächen auf. Wenn beispielsweise ein Siliziumdioxidfilm zum Bilden einer Lichtwellenleiterkernschicht auf diesen Oberflächen abgeschieden wird, liegt eine rauhe Oberfläche an der Grenzfläche vor, was eine Streuung von Licht bewirkt und die Wahrscheinlichkeit eines zunehmenden optischen Verlusts erhöht. Wenn erforderlich, werden die Oberflächen des Siliziumdioxidfilms daher vor dem Bilden der Kernschicht geglättet, um die Oberflächenrauhigkeit zu verbessern.
(2) Produktivität:
Ein dicker Film, gebildet durch die Abscheidung von Polysilizium, ist zum Bilden eines Siliziumdioxidfilms auf einer großen Anzahl von Wafern günstig. Die Bildung des Films mit einer Dicke von beispielsweise etwas mehr als zehn Mikrometern erfordert jedoch eine Dauer von mehreren Tagen, obgleich dies noch schneller ist als das Verfahren, basierend auf der direkten thermischen Oxidation. Bei Verwendung eines Gasphasenabscheidungsverfahrens unter reduziertem Druck, das ein typisches Siliziumfilmabscheidungsverfahren ist, muß eine Fertigungsanlage verwendet werden, die unter stark reduziertem Druck arbeitet. Es hat daher Bedarf an der Bereitstellung eines Produktionssystems gegeben, das auf geeignete Weise die zahlreichen Anforderungen der Abnehmer in bezug auf das Bilden des Siliziumdioxidfilms, die gewünschte Lieferzeit und die Produktionsmenge und anderes erfüllen kann.
Die vorliegende Erfindung ist im Hinblick auf die vorstehend erwähnte Tatsache erreicht worden, und ihr technischer Gegenstand ist es, ein Verfahren zum Bilden eines Siliziumdioxidfilms bereitzustellen, das die sich wiederholenden Schritte des Abscheidens einer Siliziumschicht auf einem Siliziumsubstrat und dann des Unterziehens der Siliziumschicht einer thermischen Oxidationsbehandlung, um einen Siliziumdioxidfilm einer vorbestimmten Dicke zu bilden, umfaßt, und das eine geeignete Auswahl der Oberflächenrauhigkeit des gebildeten Siliziumdioxidfilms und der Wachstumsrate des abgeschiedenen Siliziumfilms ermöglicht.
Als ein Verfahren zum Bilden eines Siliziumdioxidfilms, um den obigen technischen Gegenstand zu lösen, wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Bilden eines Siliziumdioxidfilms bereitgestellt, welches die Schritte umfaßt:
einen Abscheidungsschritt des Abscheidens eines von epitaktischem Silizium oder amorphem Silizium auf einem Siliziumsubstrat oder auf dem Siliziumdioxidfilm, welcher auf dem Siliziumsubstrat durch eine thermische Oxidationsbehandlung gebildet ist, und
einen thermischen Oxidationsschritt des Oxidierens des Siliziumfilms durch Wärme, um diesen in einen Siliziumdioxidfilm umzuwandeln,
wobei der Schritt des Abscheidens und der Schritt der thermischen Oxidation mehrfach wiederholt werden.
Der Siliziumfilm wird durch die Wahl einer von einer Abscheidung von epitaktischem Silizium oder einer Abscheidung von amorphem Silizium oder durch die Wahl einer Kombination dieser abgeschieden, so daß die Oberflächenrauhigkeit und die Wachstumsrate des gebildeten Siliziumdioxidfilms auf geeignete Weise verändert werden können.
Die Dicke des pro einem Abscheidungsschritt gebildeten Siliziumfilms ist nicht größer als 5 μm.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen:
1 ist eine graphische Darstellung der Schritte eines Verfahrens zum Bilden eines Siliziumdioxidfilms gemäß der vorliegenden Erfindung, und
2 ist eine Tabelle, die ein Beispiel der Ergebnisse des Experiments zeigt.
Beste Weise zur Durchführung der Erfindung:
Ein Verfahren zum Bilden eines Siliziumdioxidfilms gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf den Fall des Bildens eines Siliziumdioxidfilms mit einer Dicke von 15 μm als ein Beispiel ausführlich beschrieben.
(1) Thermische Oxidation eines Siliziumsubstrats:
Ein Siliziumsubstrat 2, das in 1(a) dargestellt ist, wird in einem Elektroofen durch Wärme oxidiert, um einen Siliziumdioxidfilm 4 auf einer Oberfläche des in 1(b) dargestellten Siliziumsubstrats 2 zu bilden. Die thermische Oxidation wird gemäß einem Naßoxidationsverfahren, in dem beispielsweise Wasserdampf verwendet wird, durchgeführt. Die Naßoxidation kann bei einer Temperatur von 1.080 °C, die weit unter der des Schmelzpunkts des Siliziumsubstrats 2 liegt, der 1.410 °C beträgt, durchgeführt werden, ohne daß die Behandlung unter einem hohen Druck erforderlich ist. In diesem Schritt der thermischen Oxidation wird der Siliziumdioxidfilm mit einer Dicke von beispielsweise 2 μm gebildet.
(2) Abscheidungsschritt:
Wie in 1(c) gezeigt, wird auf dem obigen Siliziumdioxidfilm 4 Polysilizium, epitaktisches Silizium oder amorphes Silizium durch ein bekanntes chemisches Gasphasenabscheidungsverfahren (CVD-Verfahren) abgeschieden, um einen Siliziumfilm 6 zu bilden. Als das chemische Gasphasenabscheidungsverfahren wird ein typisches Gasphasenabscheidungsverfahren unter reduziertem Druck verwendet. Die Wahl von Polysilizium, epitaktischem Silizium oder amorphem Silizium und das Gasphasenabscheidungsverfahren unter reduziertem Druck werden später beschrieben. In diesem Schritt wird ein abgeschiedener Siliziumfilm mit einer Dicke von beispielsweise 1 μm gebildet. Die Dicke des Films sollte nicht größer als 5 μm sein, so daß im anschließenden Schritt der thermischen Oxidation eine hohe Oxidationsgeschwindigkeit erhalten werden kann.
(3) Schritt der thermischen Oxidation:
Wie die thermische Oxidation des Siliziumsubstrats in (1) oben, wird der Siliziumfilm 6 in dem Elektroofen durch Wärme oxidiert, um, wie in 1(d) gezeigt, einen Siliziumdioxidfilm 8 derselben Qualität auf dem ersten Siliziumdioxidfilm 4 zu bilden. Der obige Siliziumfilm 6 der Dicke von 1 μm wird aufgrund der Ausdehnung des Volumens durch die thermische Oxidation in den Siliziumdioxidfilm 8 einer Dicke von 3 μm umgewandelt.
(4) Wiederholung des Schritts des Abscheidens und des Schritts der thermischen Oxidation:
Wie in 1(e) und 1(f) gezeigt, werden der obige Schritt des Abscheidens und der Schritt der thermischen Oxidation wiederholt, bis ein Siliziumdioxidfilm mit einer vorbestimmten Dicke T von 15 μm gebildet ist. Die Filmdicke T von 15 μm wird durch fünfmaliges Wiederholen des Schritts des Abscheidens bzw. des Schritts der thermi schen Oxidation erhalten. Das heißt, die thermische Oxidation des Substrats einer Dicke von 2 μm + (3 μm × 4) + (1 μm × 1) = 15 μm.
Der Endfilm der Dicke von 1 μm wird durch thermisches Oxidieren des Siliziumfilms mit einer Dicke von 0,3 μm gebildet.
(5) Abscheidung des Siliziums durch das Gasphasenabscheidungsverfahren unter reduziertem Druck:
Die Abscheidung von Polysilizium, epitaktischem Silizium und amorphem Silizium durch das Gasphasenabscheidungsverfahren unter reduziertem Druck wird nun unter Bezugnahme auf 2, die ein Beispiel der Ergebnisse des durch den betreffenden Erfinder durchgeführten Experiments zeigt, beschrieben.
(5-1) Abscheidung von Polysilizium:
Eine Abscheidung von Polysilizium ermöglicht die Bildung eines polykristallinen Siliziumfilms in einer Weise, wie nachstehend beschrieben.
Unter den Bedingungen eines Monosilangases (SiH₄) von 100 %, 80 cm³/min, 570 °C und 100 Pa (0,75 Torr) wuchs der Film bei einer Rate von 0,0020 μm/min, und die Oberflächenrauhigkeit RMS nach der thermischen Oxidationsbehandlung betrug 20,5 nm.
(5-2) Abscheidung von epitaktischem Silizium:
Eine Abscheidung von epitaktischem Silizium ermöglicht die Bildung eines Films aus polykristallinem Silizium durch das Wachstum von epitaktischem Silizium in einer Weise, wie nachstehend beschrieben.
Unter den Bedingungen eines Monosilangases (SiH₄) von 20 %, 1.200 cm³/min, 1000 °C und 5320 Pa (40 Torr) wuchs der Film bei einer Rate von 1,06 μm/min, und die Oberflächenrauhigkeit RMS nach der thermischen Oxidationsbehandlung betrug 0,15 nm.
(5-3) Abscheidung von amorphem Silizium:
Eine Abscheidung von amorphem Silizium ermöglicht die Bildung eines amorphen Films in einer Weise, wie nachstehend beschrieben.
Unter den Bedingungen eines Monosilangases (SiH₄) von 100 %, 80 cm³/min, 520 °C und 100 Pa (0,75 Torr) wuchs der Film bei einer Rate von 0,0013 μm/min, und die Oberflächenrauhigkeit RMS nach der thermischen Oxidationsbehandlung betrug 0,4 bis 0,7 nm. Es war möglich, einen Film über einen ziemlich großen Bereich zu bilden.
Folglich kann, wenn eine Verbesserung der Oberflächenrauhigkeit des Siliziumdioxidfilms während des Bildens des Siliziumdioxidfilms einer vorbestimmten Dicke T (15 μm) erforderlich wird, der Siliziumfilm durch die Wahl von entweder epitaktischem Silizium oder amorphem Silizium abgeschieden werden. Zur Beschleunigung der Wachstumsrate des Siliziumfilms kann ein epitaktisches Silizium gewählt werden. Die Abscheidung von epitaktischem Silizium kann unter auf ein ziemlich geringes Maß reduziertem Druck durchgeführt werden, weshalb die Vorrichtung ziemlich einfach ist. Wenn amorphes Silizium abgeschieden wird, kann ein Film über einen ziemlich großen Bereich gebildet werden.
Nachstehend werden Funktionen des vorstehend erwähnten Verfahrens zum Bilden des Siliziumdioxidfilms beschrieben.
(1) Oberflächenrauhigkeit und Wachstumsrate des Siliziumdioxidfilms:
Die Abscheidung von epitaktischem Silizium oder die Abscheidung von amorphem Silizium ermöglicht die Verbesserung der Oberflächenrauhigkeit des Siliziumdioxidfilms, was bei der Abscheidung von Polysilizium ein Problem dargestellt hat. Das heißt, die Oberflächenrauhigkeit (RMS) wird erheblich verbessert, und zwar im Fall von epitaktischem Silizium auf 0,15 nm und im Fall von amorphem Silizium auf 0,4 bis 0,7 nm im Vergleich zu 20,5 nm im Fall von Polysilizium. Ferner wird die Wachstumsrate des Siliziumfilms erheblich verbessert, und zwar auf 1,06 μm/min, wenn epitaktisches Silizium abgeschieden wird, im Vergleich zu 0,0020 μm/min, wenn Polysilizium abgeschieden wird. Durch Abscheidung von epitaktischem Silizium kann somit die Zeit für das Filmwachstum verkürzt werden.
(2) Produktivität:
Eines von Polysilizium, epitaktischem Silizium oder amorphem Silizium wird in geeigneter Weise zur Abscheidung ausgewählt, um auf dem Siliziumsubstrat je nach den Anforderungen, wie der Herstellung in großen Mengen, der Herstellung in kleinen Mengen, der zur Verwendung zur Verfügung stehenden Anlage, der gewünschten Lieferzeit, der gewünschten Oberflächenbeschaffenheit und den zu bildenden Oberflächengrößen, einen dicken Siliziumdioxidfilm zu bilden.
(3) Kombination von Siliziumabscheidungen:
Ferner kann während des Bildens eines dicken Siliziumdioxidfilms in geeigneter Weise Polysilizium, epitaktisches Silizium oder amorphes Silizium gegebenenfalls in einer geeigneten Kombination abgeschieden werden.
Gemäß dem Verfahren zum Bilden eines Siliziumdioxidfilms, das durch die vorliegende Erfindung bereitgestellt wird, kann ein Siliziumdioxidfilm mit einer vorbestimmten Dicke durch Wiederholen der Schritte des Abscheidens einer Siliziumschicht auf einem Siliziumsubstrat und dann des Unterziehens der abgeschiedenen Siliziumschicht einer thermischen Oxidationsbehandlung, um einen Siliziumdioxidfilm zu bilden, gebildet werden, und ferner können die Oberflächenrauhigkeit des gebildeten Siliziumdioxidfilms und die Wachstumsrate des abgeschiedenen Siliziumfilms in geeigneter Weise ausgewählt werden.

Claims

Verfahren zum Bilden eines Siliziumdioxidfilms, welches ein Verfahren zum Bilden eines Siliziumdioxidfilms einer vorbestimmten Dicke auf einem Siliziumsubstrat ist, welches die Schritte umfasst: einen Abscheidungsschritt des Abscheidens eines von epitaktischem Silizium oder amorphem Silizium auf dem Siliziumsubstrat oder auf einem Siliziumdioxidfilm, welcher auf dem Siliziumsubstrat durch eine thermische Oxidationsbehandlung gebildet ist, um einen Siliziumfilm zu bilden, und einen thermischen Oxidationsschritt des Oxidierens des Siliziumfilms durch Wärme, um diesen in einen Siliziumdioxidfilm umzuwandeln, wobei der Schritt des Abscheidens und der Schritt der thermischen Oxidation mehrfach wiederholt wird.
Verfahren zum Bilden eines Siliziumdioxidfilms nach Anspruch 1, wobei die Dicke des pro einem Abscheidungsschritt gebildeten Siliziumfilms nicht größer als 5 μm ist.