專利名稱：在半導(dǎo)體襯底上制造具有高質(zhì)量氧化膜的半導(dǎo)體器件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在半導(dǎo)體襯底上形成有氧化膜的半導(dǎo)體器件的制造方法。
近來在制造較精細(xì)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件上的進(jìn)展，使得柵氧化膜可以做得更薄，但如果這時在結(jié)晶硅襯底的表面附近或表面上有重金屬和粒子，則在其上形成的氧化膜在顯微情況下將有不同的組分。包含的重金屬和粒子會妨礙形成均勻的氧化膜，劣化柵氧化膜的絕緣特性。結(jié)果，降低半導(dǎo)體的產(chǎn)量。有鑒于此，需要在制造工序中改進(jìn)清潔技術(shù)。
這樣的清潔技術(shù)，有在干氫氣氛中清潔半導(dǎo)體襯底表面的常規(guī)方法(例如，Tokkaihei 4-68526，即日本未審專利公開68526/1992)。稍后要說明，常規(guī)方法的缺點(diǎn)在于它不能通過清潔在半導(dǎo)體襯底和鄰近區(qū)域的表面質(zhì)量取得充分的進(jìn)步和充分的凈化。在半導(dǎo)體襯底的表面上可形成高質(zhì)量的目的氧化膜。
因此，本發(fā)明的目的是要在半導(dǎo)體襯底上提供有高質(zhì)量目的氧化膜的半導(dǎo)體器件的制造方法。
本發(fā)明的另一目的是要提供制造高質(zhì)量目的氧化膜的方法，此法可以改進(jìn)半導(dǎo)體襯底和鄰近區(qū)域的表面質(zhì)量，而不會在半導(dǎo)體襯底表面上出現(xiàn)微觀粗糙性和被重金屬污染。
本發(fā)明的其他目的隨著本發(fā)明的說明將變得清楚。
說明了本發(fā)明的要點(diǎn)后，就可以理解這種半導(dǎo)體器件，即包括具有主平面的半導(dǎo)體襯底和其上有目的氧化膜的器件的制造方法。
根據(jù)本發(fā)明，上述方法包括在氧化氣氛中將該半導(dǎo)體襯底熱處理一段預(yù)定時間，以在主表面上形成臨時氧化膜；將半導(dǎo)體襯底上形成有臨時氧化膜的半導(dǎo)體襯底放入還原氣氛中，以除去臨時氧化膜露出作為半導(dǎo)體襯底外露表面的半導(dǎo)體襯底；以及在該半導(dǎo)體襯底外露表面上形成目的氧化膜。
氧化氣氛最好具有不高于5％的氧分壓。
熱處理最好在不低于950℃的溫度下進(jìn)行。
預(yù)定的熱處理時間最好不少于40分鐘。
還原氣氛最好主要包含氫氣。
上述熱處理步驟、除去臨時氧化膜步驟及形成目的氧化膜步驟最好在同一爐子里進(jìn)行。
圖1用以說明清潔硅圓片用的常規(guī)方法的視圖；圖2用以說明按本發(fā)明第一實(shí)施例制造半導(dǎo)體器件的方法的視圖；圖3A至3E說明圖2方法各順序步驟中的半導(dǎo)體器件的截面視圖；圖4用以說明按本發(fā)明第二實(shí)施例制造半導(dǎo)體器件方法的視圖；圖5用以說明按本發(fā)明第三實(shí)施例制造半導(dǎo)體器件方法的視圖；圖6是一幅在本發(fā)明第一實(shí)施例和常規(guī)方法所得的柵氧化物的Qbd值的Weibull分布圖；以及圖7說明本發(fā)明第一、第二和第三實(shí)施例及常規(guī)方法中硅圓片表面的平均粗糙度(Ra)。
參看圖1，為更好理解本發(fā)明，先說明常規(guī)方法。這種方法等價于本說明書前序部分所描述的常規(guī)方法。該方法中在干氫氣氛中清潔圓片表面，首先，以惰性氣氛(N2)充入爐中，在保持這種氣氛下將硅圓片引入爐中，之后爐里的氣氛為氫氣氛所替換，以用氫清潔硅圓片的表面。在這步驟中，將爐里的溫度升高到400和1000℃之間，以促進(jìn)清潔效果。隨后，以該惰性氣氛代替氫氣氛，在可以取得所需膜(例如圖1例子中于濕氧化氣氛中形成熱氧化膜)的條件下進(jìn)行薄膜形成步驟。在該方法中，薄膜形成步驟是在清潔步驟后在同一爐子中以氫氣氛進(jìn)行的。因此，無需將硅圓片移出爐外，故可減少由粒子和重金屬引起的污染的可能性。
但在上述常規(guī)方法中，各步驟是在惰性氣氛或氫氣氛中進(jìn)行的。這意味著硅圓片的表面直接外露于還原氣氛中。結(jié)果，硅圓片的表面被還原，使得在表面上微觀粗糙度增加了。另外，在例如氫氣氛的還原氣氛中進(jìn)行熱處理期間，爐子材料被還原，使?fàn)t子材料中所含的重金屬在氣氛中被混合。在上述常規(guī)技術(shù)中，硅圓片表面在這階段不為氧化膜等所覆蓋，因而這種重金屬被吸引到硅圓片表面。這就難以實(shí)現(xiàn)充分的凈化。粗糙度的增加和組分因污染引起的變化及不均勻性會劣化柵氧化膜的特性，導(dǎo)致制造半導(dǎo)體器件產(chǎn)量的降低。如上所述，常規(guī)技術(shù)的缺點(diǎn)在于它不能在硅圓片和鄰近區(qū)域表面質(zhì)量上取得充分的改進(jìn)，及用清潔方法取得充分的凈化。
下面要說明按本發(fā)明制造半導(dǎo)體器件的方法原理。
將例如硅圓片的半導(dǎo)體襯底引入熱處理爐中，并在950℃以上的溫度下于弱氧化氣氛中進(jìn)行高溫?zé)崽幚恚源龠M(jìn)存在于硅圓片表面上的損傷、氧的外擴(kuò)散及微缺陷的恢復(fù)能力。結(jié)果，在硅圓片上形成臨時氧化膜。之后，為除去在硅圓片上形成的臨時氧化膜，改用含氫的還原氣氛，并降低溫度。在這些條件下，硅圓片上的臨時氧化膜被蝕刻和除去。最后在所需溫度下形成目的氧化膜(例如柵氧化膜)。
更具體地說，爐子充以弱氧化氣氛(干氫含量不大于5％的混合率)。將硅圓片引入爐中。這里，之所以使用弱氧化氣氛，是因?yàn)樵诔湟远栊詺怏w或只有氫氣時進(jìn)行熱處理會使硅圓片表面粗糙。之后，保持弱氧化氣氛不變提高爐中的溫度。這樣，就可得到950℃以上的弱氧化氣氛的高溫，并將其維持至少40分鐘。通過維持950℃溫度下至少40分鐘，可促進(jìn)出現(xiàn)在硅圓片表面的缺陷向外擴(kuò)散，并修復(fù)器件損傷以取得無缺陷薄層。通過保持弱氧化氣氛，在硅圓片上形成臨時氧化膜，防止表面粗糙化。如使用強(qiáng)氧化氣氛，臨時氧化膜厚度增加，禁止缺陷向外擴(kuò)散。接著，在含氫的還原氣氛中進(jìn)行熱處理，條件是，在形成目的氧化膜(柵氧化膜)前，具有上述溫度和時間的高溫弱氧化氣氛中形成的臨時氧化膜可被蝕刻和除去。在含氫的還原氣氛中的熱處理期間，粒子、重金屬被除去，連同臨時氧在膜被還原和蝕刻。這樣，就清潔了硅圓片。在臨時氧化膜完全除去時，即停止供應(yīng)氫氣。然后，改變爐中的溫度和氣氛，使得目的氧化膜(柵氧化膜)能按需要制得。從完全除去表面上所形成的臨時氧化膜至目的氧化膜(柵氧化膜)開始形成所需時間不超過5分鐘。換而言之，在目的氧化膜(柵氧化膜)形成前，表面立即覆蓋以臨時氧化膜。因此可防止在硅圓片表面上變成粗糙，并防止粒子和重金屬的污染。經(jīng)過上述一系列步驟后，可將硅圓片部分修改成無缺陷薄層。因此，可形成高質(zhì)量的柵氧化膜而不受微顯粗糙或污染的有害影響。
參看附圖中，說明書將說明本發(fā)明的一些最佳實(shí)施例。
圖2是本發(fā)明第一實(shí)施例方法的加熱順序。圖3A至3E是形成柵氧化膜的連續(xù)步驟中的硅圓片截面圖。
參看圖2和圖3A至3E以順序說明這種工序。在用化學(xué)藥品洗凈6英寸P型硅圓片1后，在其表面附近處含有微缺陷，且在其表面出現(xiàn)少許重金屬污染3，如圖3A所示。將硅圓片1送入維持在900℃溫度下的弱干氧化氣氛(具有2％的氧分壓)中。之后，溫度以8℃/分的速率上升至1100℃。保持弱氧化氣氛且將硅圓片送入爐中時，在硅圓片1上形成臨時氧化膜4，如圖3B所示，以使硅圓片表面防止粗糙化或損傷。保持弱氧化氣氛(具有2％氧分壓)，將硅圓片1在1000℃下退火1小時。這種退火引起硅圓片1表面附近的微缺陷2向外擴(kuò)散，以形成如圖3C所示的無缺陷層5。在這熱處理期間，在硅圓片1表面上形成厚度為22nm的氧化膜4。重金屬污染3被限制在氧化膜4中，然后，以100％氫氣氛代替弱氧化氣氛，且使溫度以4℃/分的速率由1100℃下降至800℃。在這種條件下，在硅圓片1上所形成的氧化膜4與重金屬污染物3一起被除去，以清潔硅圓片1表面，如圖3D所示。之后，以水蒸汽氣氛代替氫氣氛，在800℃下形成柵氧化膜6(目的氧化膜)，如圖3E所示。這種柵氧化膜具有高的電絕緣電壓。
圖4為本發(fā)明第二實(shí)施例方法中的加熱順序。參看圖4和圖3A至3E，以順次說明本工序。在用化學(xué)藥品(圖3A)清洗6英寸P型硅圓片1后，將硅圓片1送入保持在900℃含弱干氧化氣氛(5％的氧分壓)。此后，以5℃/分的速率將溫度升高至1200℃(圖3B)。在保持弱氧化氣氛(5％的氧分壓)下，硅圓片在1200℃下退火40分鐘。通過這種退火，在硅圓片1表面上形成42nm厚的氧化膜4。接著，以氫氣氛代替弱氧氣氛，并在其中的1200℃下進(jìn)行退火20分鐘。此后，以4℃/分的速率將溫度由1200℃降低至800℃(圖3D)。在本實(shí)施例中，如上所述，在1200℃下以氫氣氛代替弱氧氣氛。這是因?yàn)檫@時的氧化膜4比第一實(shí)施例的厚，它不能在溫度降至800℃后僅在氫氣氛中完全除去，導(dǎo)致較差的清潔效果。溫度降至800℃后，形成厚20nm的柵氧化膜6，條件與第一實(shí)施例的相似(圖3E)。
圖5為本發(fā)明第三實(shí)施例方法的加熱順序。參看圖5及圖3A至3E，以順次說明本工序。在用化學(xué)藥品(圖3A)洗凈6英寸P型硅襯底1后，將硅圓片1放入保持在900℃溫度下的弱干氧氣氛(具有1％的氧分壓)中。此后，以8℃/分的速率(圖3B)將溫度升高至1000℃。保持弱氧化氣氛(氧分壓為1％)，將硅圓片在1000℃下退火1小時。此后，以4℃/分的速率將溫度由1000℃下降至950℃。通過這種退火，在硅圓片1(圖3C)的表面上形成15nm厚的氧化膜4。接著，以氫氣氛代替弱氧氣氛，以3℃/分的速率(圖3D)將溫度下降至800℃。在本實(shí)施例中，在溫度降低的中間階段以氫氣氛代替弱氧化氣氛。這是因?yàn)檠趸?相對地薄，如果在溫度下降一開始就以氫氣氛代替弱氧氣氛，氧化膜4會被過蝕刻，導(dǎo)致硅圓片1短暫外露在還原氣氛中，可能出現(xiàn)微觀粗糙或重金屬污染。溫度降至800℃后，在與第一實(shí)施例相同的條件下形成20nm厚的柵氧化膜6(圖3E)。
為評價在硅圓片1上所形成的柵氧化膜6的電絕緣特性，各在第一、第二和第三實(shí)施例所取得的柵氧化膜6上形成布線等，以進(jìn)行TDDB(電介質(zhì)擊穿隨時間的變化)測量。TDDB測量是在注入電流密度為0.01A/cm2下在10mm2的測量面積上作出的。
TDDB測量結(jié)果作為Weibull分布圖示于圖6，圖中同時示出本發(fā)明第一實(shí)施例所得的柵氧化膜和比較用的在干氫氣氛中清潔圓片表面的常規(guī)方法所得的柵氧化膜。與常規(guī)方法所形成的比較起來，本發(fā)明實(shí)施例中所得的柵氧化膜，不論是本征型式的還是缺陷型式的都表現(xiàn)出優(yōu)異的結(jié)果。表1示出積累缺陷百分比為50％時的Qbd值(Q50)。在Q50的比較中，本發(fā)明在各實(shí)施例中所得的柵氧化膜具有的Q50值比常規(guī)方法所得的柵氧化膜的Q50值約大75至80倍。
表1
圖7示出第一至第三各實(shí)施例和常規(guī)方法中硅圓片表面的微觀粗糙度。微觀粗糙度是柵氧化膜用HF完全蝕刻后由AFM測出的。圖7示粗糙度平均值(Ra)。從圖7可知本發(fā)明的Ra約為常規(guī)方法的一半。因此，在本發(fā)明中，微觀粗糙度也有所改善。
表2示出第一至第三各實(shí)施例和常規(guī)方法中硅圓片表面上的重金屬污染。這種測量是用原子吸收光譜進(jìn)行的。如表2所示，重金屬污染在常規(guī)方法中是1010原子/cm2的數(shù)量級，而在第一至第三實(shí)施例中，Cr和Ni的量低于檢測極限，F(xiàn)e的量則較常規(guī)方法中的小。因此，本發(fā)明也在重金屬污染方面作出改進(jìn)。
表2
N.D低于檢測極限(1010原子/cm2)在本發(fā)明的實(shí)施例中，高溫?zé)崽幚硎窃诠潭夥盏臏囟群徒M分下進(jìn)行的。然而，可以理解，即使在高溫處理時這些條件變化了，只要溫度的變化是在不低于950℃的范圍里、氣氛中的氧分壓的變化不超過5％的范圍里，都可以取得相同的效果。
權(quán)利要求
1.一種制造半導(dǎo)體器件的方法，該器件包括一半導(dǎo)體襯底，所說半導(dǎo)體襯底上具有一主表面和一目的氧化膜，該方法包括下列步驟在氧化氣氛中使所說半導(dǎo)體襯底經(jīng)受熱處理一段預(yù)熱時間，以在所說主表面上形成臨時氧化膜；將所說半導(dǎo)體襯底及在其上形成的所說臨時氧化膜放置在還原氣氛中，以除去所說臨時氧化膜，露出作為所說半導(dǎo)體襯底的露出表面；以及在所說半導(dǎo)體襯底的露出表面上形成所說目的氧化膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所說氧化氣氛具有不大于5％的氧分壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所說熱處理是在不低于950℃的溫度下進(jìn)行的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所說預(yù)定時間不少于40分鐘。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所說還原氣氛主要含氫氣。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所說加熱步驟、除去步驟和形成步驟都是在同一爐子中進(jìn)行的。
全文摘要
一種半導(dǎo)體器件的制造方法，其中的半導(dǎo)體襯底上具有主表面和目的氧化膜。將該襯底在氧化氣氛中熱處理一預(yù)定時間以在主表面上形成臨時氧化膜。接著將其放在還原氣氛中以除去臨時氧化膜而露出作為半導(dǎo)體襯底的露出表面。之后，在該露出表面上形成目的氧化物。加熱處理最好在氧分壓不大于5％的氧化氣氛、溫度不低于950℃下加熱不少于40分鐘。還原氣氛主要含氫。上述各步驟可在同一爐子中進(jìn)行。
文檔編號H01L21/316GK1161569SQ96113450
公開日1997年10月8日 申請日期1996年9月27日 優(yōu)先權(quán)日1995年9月29日
發(fā)明者山本博規(guī) 申請人:日本電氣株式會社