專利名稱：半導(dǎo)體器件制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件制造方法，特別涉及當(dāng)在硅晶片上形成MOS晶體管時除去重金屬雜質(zhì)的方法。
在制造半導(dǎo)體器件的工藝中，在某些情況下硅晶片的表面和內(nèi)部被重金屬雜質(zhì)污染。污染發(fā)生在高溫?zé)崽幚聿襟E、離子注入步驟、腐蝕步驟等步驟中。眾所周知，如果重金屬雜質(zhì)分離進入(segregate into)硅氧化膜，則由TDDB(時間相關(guān)的絕緣擊穿Time Dependent DielectricBreakdown)特性等表示的絕緣特性的可靠性降低了。
吸氣技術(shù)作為防止由于重金屬雜質(zhì)引起的氧化膜可靠性下降的方法之一已公知。根據(jù)此項技術(shù)，包含在硅晶片中的重金屬從晶片的子表面(sub-surface)除去并被捕獲，從而在晶片表面上形成柵氧化膜時不會進入柵氧化膜。例如，如在“ULSI Process Control Engineering”(由HidekiTsuya撰寫的并由Maruzen在1995年公布)的論文中所述，已經(jīng)提出了吸氣技術(shù)的各種方法。
下面是用于吸氣技術(shù)的四種代表性的方法。第一種方法是PBS(多晶硅后表面密封)，其中在晶片后表面上淀積多晶硅膜，第二種方法是磷擴散方法，其中高濃度的磷從晶片的后表面擴散，第三種方法是使用晶體缺陷的IG(內(nèi)部吸氣)方法，其中該晶體缺陷是由于氧沉淀在切克勞斯基生長硅晶片中產(chǎn)生的，第四種方法是P/P+外延晶片方法，其中使用高濃度的硼層作為吸氣層。根據(jù)這些吸氣方法，通過重金屬從MOS晶體管形成在其中的晶片子表面擴散到晶片內(nèi)部或后表面的吸氣層，由此減少晶片子表面中的重金屬污染量。此后，形成柵氧化膜，從而進入氧化膜的重金屬污染量減少了。
但是，當(dāng)由于MOS晶體管的微型結(jié)構(gòu)而減少柵氧化膜的厚度時，即使是低濃度重金屬的污染也能降低氧化膜的可靠性。這些情況已經(jīng)被Y.Shiramizu,M.Tanaka,S.Yamasaki,M.Nakamori,N.Aoto和H.kitajima在“固態(tài)器件和材料摘要(Ext.Abst.of Solid State Devices和Materials)”(1996)362-364中和被W.B.Henley,L Jastrzebski和N.F.Haddad在“非晶固態(tài)(Journal of Non-crystalline Solids)”187(1995)134-139中報導(dǎo)了。這表示，通過常規(guī)吸氣技術(shù)減少晶片子表面中的重金屬雜質(zhì)濃度不適于薄的柵氧化膜。
另外，對于改進的ULSI來說需要形成淺結(jié)。因此，要求低溫處理和快速熱處理，從而使形成p型和n型半導(dǎo)體區(qū)域的雜質(zhì)幾乎不擴散。這就意味著重金屬雜質(zhì)的擴散幾乎不發(fā)生。結(jié)果，重金屬幾乎沒有擴散進入在晶片內(nèi)部或后表面的吸氣層中，從而吸氣處理沒有效果。
本發(fā)明克服了上面的問題，其目的是提供一種半導(dǎo)體器件制造方法，它能在硅晶片上制造MOS晶體管時形成具有高可靠性的薄柵氧化膜，從而在制造以增強微型結(jié)構(gòu)和高度集成設(shè)計的LSI的工藝中提高了成品率，晶體管的可靠性也增強了。
根據(jù)本發(fā)明的第一方案，半導(dǎo)體器件制造方法包括以下步驟將硅晶片在氧化爐內(nèi)熱處理以形成第一硅氧化膜；逐漸冷卻其上形成有第一氧化膜的硅晶片，然后從氧化爐中取出硅晶片；除去硅晶片上的第一硅氧化膜，然后形成柵硅氧化膜。特別是，冷卻步驟中的冷卻溫度設(shè)置為800℃或低于800℃。
根據(jù)本發(fā)明第二方案，半導(dǎo)體器件制造方法包括以下步驟將硅晶片在氧化爐中熱處理，以形成第一硅氧化膜；在將其上形成有第一硅氧化膜的硅片冷卻后，在固定時間內(nèi)保持硅晶片處于低溫下，然后從氧化爐中取出硅晶片；去掉硅晶片上的第一硅氧化膜，然后形成柵硅氧化膜。特別是，在固定時間內(nèi)晶片保持的溫度設(shè)置為800℃或低于800℃。
當(dāng)氧化硅晶片時，在晶片表面層部分中固體溶解(Solid-Solved)的重金屬雜質(zhì)具有這樣的特性，即它們在硅氧化膜中或在Si/SiO2界面處分離。圖7是表示在事先被鐵污染的硅晶片在850℃熱氧化之后SIMS(次離子質(zhì)譜學(xué))中鐵(Fe)濃度的測量結(jié)果的曲線。如圖7所示，F(xiàn)e的濃度在硅氧化膜中和在Si/SiO2界面處比較高。1015cm-3是SIMS的檢測極限濃度。在此例中，F(xiàn)e濃度設(shè)置到相對高的值。如果減少Fe濃度，利用SIMS直接檢測重金屬雜質(zhì)是很困難的，因為精密度不夠，但是，即使在Fe濃度低的情況下也會發(fā)生相同的現(xiàn)象。當(dāng)在形成柵硅氧化膜的工藝中發(fā)生這種現(xiàn)象時，柵硅氧化膜的可靠性下降了。
本發(fā)明確實地使用此現(xiàn)象。在形成柵硅氧化膜之前晶片子表面中的重金屬雜質(zhì)的濃度減少，從而抑制了重金屬雜質(zhì)分離進入構(gòu)成MOS晶體管的柵硅氧化膜。因此，參照常規(guī)技術(shù)所述，根據(jù)PBS方法，磷擴散法、IG方法和p/p+外延方法中的任一種，存在于晶片子表面中的重金屬雜質(zhì)盡可能地被吸氣層捕獲，盡管如此，一定量的重金屬仍保留在晶片子表面中。當(dāng)減少柵硅氧化膜的厚度時，剩余重金屬雜質(zhì)不能忽略。因此，在形成柵硅氧化膜之前加上形成硅氧化膜(熱氧化膜)的步驟。在此步驟中，存在于晶片表面層中的重金屬盡可能地進入硅氧化膜。如此進入的重金屬與硅氧化膜一起被去掉。之后，清洗晶片，然后形成柵硅氧化膜。此時，晶片子表面中的重金屬最大地被減少，從而得到具有高可靠性的柵硅氧化膜。
在本發(fā)明中，使用下面的方法從而使重金屬盡可能多地進入Si/SiO2界面。根據(jù)第一方法，在形成硅氧化膜之后，具有硅氧化膜的晶片逐漸冷卻到低溫。根據(jù)第二方法，在形成硅氧化膜之后，具有硅氧化膜的晶片被冷卻到低溫，然后保持固定的時間。在這兩方法中，目的是為存在于晶片子表面中的重金屬被擴散到硅氧化膜和Si/SiO2界面并在其中分離提供足夠的時間很有效。特別是，晶片逐漸冷卻的溫度和在固定時間內(nèi)晶片保持的溫度設(shè)置為800℃或低于800℃，但是，考慮到生產(chǎn)率等因素溫度低于400℃是不利的。低溫保持時間是，例如0.5-2.0小時。低溫冷卻是在，例如20℃/min或更低的速度進行的，最好是以10℃/min或更低的速度進行。在非氧化氣氛，例如N2氣體氣氛下進行低溫保持和逐漸冷卻是最好的。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，利用常規(guī)吸氣方法減少了晶片子表面中的重金屬雜質(zhì)濃度，重金屬雜質(zhì)在硅氧化膜中和在Si/SiO2界面處被分離并與硅氧化膜一起被去掉。在此工藝之后，形成柵硅氧化膜，從而增強了其可靠性。


圖1A-1D是晶片的截面圖，用于解釋本發(fā)明的實施例；圖2A-2D是晶片的截面圖，用以解釋吸氣方法；圖3是表示當(dāng)使用PBS晶片時Qbd維泊爾曲線的曲線；圖4是表示當(dāng)使用磷擴散晶片時Qbd維泊爾曲線的曲線；圖5是表示當(dāng)使用IG晶片時Qbd維泊爾曲線的曲線；圖6是表示當(dāng)使用p/p+外延晶片時Qbd維泊爾曲線的曲線；圖7是表示當(dāng)在硅晶片上形成硅氧化膜時Fe分布的曲線。
下面參照附圖描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例。
圖1A-1D是表示半導(dǎo)體器件制造工藝以步驟順序的截面圖，用以解釋本發(fā)明實施例，圖2A-2D是進行在本實施例中使用的吸氣處理的晶片的截面圖。首先描述使用的四種晶片。
圖2A中所示的PBS晶片10A用作本例中使用的第一晶片。例如，PBS晶片10A是根據(jù)CVD方法，通過在硅晶片上形成大約1微米厚的多晶硅膜11，然后拋光和除去上表面上的多晶硅膜，只將多晶硅膜11留在后表面下而形成的。
圖2B中所示磷擴散晶片10B用作第二晶片。例如，磷擴散晶片10B是通過在硅晶片的后表面層部分上形成PBS膜12，然后在850-900℃給其加熱10-15分鐘，以形成含有1×1019/cm3的磷的磷擴散層13而形成的。
圖2C中所示IG晶片用作第三晶片。例如，IG晶片10C是通過進行在1150℃的4小時、650℃的4小時和在1000℃的4小時的三個階段熱處理以提供107-108/cm3的氧沉淀物而形成的。
圖2D中所示p/p+外延晶片10D用作第四晶片。例如，P/P+外延晶片10D是通過在含有大約1019/cm3的硼的高濃度硼層15(晶片)上形成含有大約1015/cm3的硼和大約5微米厚的外延層16形成的。
下面參照圖1A-1D說明本發(fā)明的實施例。
首先，如圖1A所示，通過使用參照圖2A-2D所述的任何一種方法進行的吸氣處理以得到具有形成在其中的吸氣層1的硅晶片10，通過選擇氧化方法在晶片10表面上形成元件分離氧化膜2。直到此步驟，晶片10可能被重金屬雜質(zhì)污染，因為它經(jīng)過了各種熱處理用于形成阱(well)和調(diào)節(jié)晶體管閾值的離子注入步驟和腐蝕步驟。在制造半導(dǎo)體器件的工藝過程中，重金屬雜質(zhì)在某種程度上被事先提供在晶片10中的吸氣層1捕獲。
接下來，如圖1B所示，例如在850℃-950℃形成第一硅氧化膜3。在此步驟中，形成第一硅氧化膜3之后，逐漸冷卻到低溫到800℃或低于800℃，或者在冷卻到低溫后保持固定時間。此時，重金屬雜質(zhì)在第一硅氧化膜3和在第一硅氧化膜3和晶體硅之間的界面處分離。
此外，去掉第一硅氧化膜3并清洗晶片10，由此得到如圖1C所示的潔凈晶片子表面。
接著，在上述狀態(tài)中形成柵硅氧化膜4，如圖1D所示，然后在柵硅氧化膜4上形成由多晶硅膜等形成的柵極5。然后進行離子注入以形成源6和漏7，進行熱處理以使如此摻雜的雜質(zhì)活化，由此形成基本(basic)MOS晶體管。
下面估測根據(jù)本發(fā)明實施例制造的MOS晶體管的特性。
在此情況下，估價TDDB特性作為對柵硅氧化膜的可靠性的最基本估價。TDDB特性在“Submicron Derice”(由Mitsumasa Koyanagi寫的，由Maruzen發(fā)布)中詳細描述了。定性地說，給柵硅氧化膜施加應(yīng)力電壓以逐漸地注入載流子并估測柵硅氧化膜擊穿的時間。
圖3-6表示在柵硅氧化膜的厚度等于3nm時TDDB的特性。在圖3-6中，橫坐標(biāo)(Qbd)表示注入到柵硅氧化膜直到絕緣擊穿發(fā)生時電子的量，縱坐標(biāo)表示200個晶體管的積累的系數(shù)缺陷(fractive defective)的維泊爾曲線(ln{-ln(1-F)})。圖3-6分別表示PBS晶片、磷擴散晶片、IG晶片和p/p+外延晶片的TDDB特性。
在950℃形成第一硅氧化膜3。圖3-6表示在比較例和本發(fā)明的例子之間以各種吸氣方法為基礎(chǔ)的晶片的對比，其中在比較例中，形成第一硅氧化膜3，然后在800℃時從氧化爐中取出晶片，在本發(fā)明例子中，晶片進一步逐漸冷卻到600℃，然后從氧化爐中取出。在任何情況下，在晶片逐漸冷卻到600℃的本發(fā)明的例子中Qbd被減少到更少。即，已證明，通過在逐漸冷卻之后在低溫下從氧化爐取出晶片可以增強柵硅氧化膜的可靠性。
下面說明在改變第一硅氧化膜3和柵硅氧化膜4的形成條件時得到的實驗結(jié)果。
圖2中所示IG晶片10C用作硅晶片。表1表示14個樣品的每個硅氧化膜的形成條件。對于表1中的“取出”，“到x℃”意思是以3℃/min的速度逐漸冷卻到x℃，“x℃-yhr”意思是在y小時過程中保持在x℃。在干燥條件(干)下進行作為形成柵氧化膜的方法的快速熱氧化(RTO)。
表1樣品 硅氧化膜3 柵硅氧化膜序號 氧化/取出 厚度氧化厚度1950℃，干/到700℃ 10nmRTD 3nm2950℃，干/到500℃ 10nmRTD 3nm3850℃，濕/800℃-2hr 14nm 850℃，濕 3nm4850℃，濕/700℃-2hr 14nm 850℃，濕 3nm5850℃，濕/600℃-2hr 14nm 850℃，濕 3nm6850℃，濕/600℃-0.5hr 14nm 850℃，濕 3nm7850℃，濕/600℃-2hr 14nm 850℃，濕 2.5nm8850℃，濕/600℃-2hr 14nm 850℃，濕 4nm9850℃，濕/600℃-2hr 14nm 850℃，濕 6nm10 900℃，干/到850℃ 11nm 900℃，干 4nm11 900℃，干/到800℃ 11nm 900℃，干 4nm12 900℃，干/到700℃ 11nm 900℃，干 4nm13 900℃，干/到600℃ 11nm 900℃，干 4nm14 900℃，干/到600℃ 7nm 900℃，干 4nm根據(jù)TDDB方法進行采用表1條件制造的晶體管的特性估測。表2表示這些例子的50％Qbd的值。Qbd值具有為在每個樣品中測量的晶體管的分布。對于每個樣品，當(dāng)所有的被測量的晶體管的Qbd值按照從最小值到最大值的順序排列時，50％Qbd的值等于在中間位置處的值。在與50％Qbd對比時，采用在形成第一硅氧化膜的步驟中沒有實施逐漸冷卻操作和低溫保持操作的樣品(其它步驟與本發(fā)明的例子相同)作為比較例。
表2樣品50％Qbd對應(yīng)的比較例序號(c/cm2) 50％Obd(c/cm2)1 8 42 9 43 8 64 10 65 13 66 11 67 10 58 14 99 21 1310 8 811 10 812 12 813 14 814 13 8對于樣品10，形成第一硅氧化膜，然后逐漸冷卻到850℃，顯然對于該樣品來說，50％Qbd沒有增強。對于逐漸冷卻到800℃的樣品11來說，50％Qbd增強了。在其它條件下，如表2所示，在形成第一硅氧化膜，然后逐漸冷卻保持在低溫的情況比在既沒有進行逐漸冷卻操作也沒有進行低溫保持操作的情況(表2中的比較例)，50％Qbd增強得更多。另外，根據(jù)本發(fā)明，已證明即使在第一硅氧化膜的形成方法設(shè)置為濕或干，或者在膜厚改變的情況下，柵硅氧化膜的可靠性還是增強了。另外，即使在柵氧化膜方法或膜厚改變的情況下可靠性也增強了。
即使在只形成第一硅氧化膜時，與如果不進行逐漸冷卻操作或低溫保持操作，不形成第一硅氧化膜的情況相比，Qbd的值稍微增高了，其效果幾乎沒有被證明。
在表1所示例子中，使用了IG晶片。但是，在使用圖2中所示的PBS晶片或其它晶片時可以得到相同的效果。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，防止了由于包含在半導(dǎo)體器件制造工藝中的重金屬雜質(zhì)而降低柵硅氧化膜的可靠性。結(jié)果，實現(xiàn)了具有高可靠性的晶體管。另外，本發(fā)明對LSI生產(chǎn)線中的無意的重金屬污染事情也是有效的，并且提高了生產(chǎn)率。結(jié)果，產(chǎn)品的制造成本降低了。
此外，根據(jù)本發(fā)明除去重金屬污物的方法是以第一硅氧化膜為基礎(chǔ)的，從而重金屬的擴散長度減短了。因此，本發(fā)明可以幫助適于微型結(jié)構(gòu)和LSI的高集成度的柵氧化膜厚度的減少和制造工藝溫度的降低。
權(quán)利要求
1．一種半導(dǎo)體器件制造方法，包括以下步驟將硅晶片在氧化爐中進行熱處理，以形成第一硅氧化膜；將其上形成有第一硅氧化膜的硅晶片逐漸冷卻，然后從氧化爐中取出硅晶片；和除去硅晶片上的第一硅氧化膜，然后形成柵硅氧化膜。
2．如權(quán)利要求1的方法，其中在逐漸冷卻步驟中硅晶片逐漸冷卻到的溫度設(shè)置為800℃或低于800℃。
3．如權(quán)利要求1的方法，其中使用了進行重金屬吸氣處理的硅晶片。
4．如權(quán)利要求3的方法，其中重金屬吸氣處理是利用淀積在硅晶片后表面上的多晶硅膜進行的。
5．如權(quán)利要求3的方法，其中重金屬吸氣處理是利用硅晶片中的氧沉淀物進行的。
6．如權(quán)利要求3的方法，其中重金屬吸氣處理是利用硅晶片中的高濃度硼層進行的。
7．如權(quán)利要求3的方法，其中重金屬吸氣處理是利用硅晶片中的高濃度硼擴散層進行的。
8．一種半導(dǎo)體器件制造方法，包括以下步驟將硅晶片在氧化爐中進行熱處理，以形成第一硅氧化膜；在其上形成有第一硅氧化膜的硅晶片冷卻后，在固定時間內(nèi)保持硅晶片在低溫，然后從氧化爐中取出硅晶片；去掉硅晶片上的第一硅氧化膜，然后形成柵硅氧化膜。
9．如權(quán)利要求8的方法，其中硅晶片在固定時間內(nèi)保持的溫度設(shè)置為800℃或低于800℃。
10．如權(quán)利要求8的方法，其中使用了進行重金屬吸氣處理的硅晶片。
11．如權(quán)利要求10的方法，其中重金屬吸氣處理是利用淀積在硅晶片后表面上的多晶硅膜進行的。
12．如權(quán)利要求10的方法，其中重金屬吸氣處理是利用硅晶片中的氧沉淀物進行的。
13．如權(quán)利要求10的方法，其中重金屬吸氣處理是利用硅晶片中的高濃度硼層進行的。
14．如權(quán)利要求10的方法，其中重金屬吸氣處理是利用硅晶片中的高濃度磷擴散層進行的。
全文摘要
制備具有吸氣能力的晶片(10),例如其后表面上具有淀積的多晶硅的PBS晶片、其中含有氧沉淀物的IG晶片等等。在晶片(10)上形成元件分離硅氧化膜(2),和第一硅氧化膜。然后晶片(10)逐漸冷卻到低溫,或者冷卻到低溫然后在固定時間內(nèi)保持在低溫。此后,從晶片(10)去掉第一硅氧化膜(3),然后清洗晶片(30)。此后,形成柵硅氧化膜(4)和柵極(5)。接下來,進行離子注入以形成源(6)和漏(7),和進行熱處理以使注入的雜質(zhì)活化,從而形成基本MOS晶體管。
文檔編號H01L21/316GK1213164SQ9812006
公開日1999年4月7日 申請日期1998年9月29日 優(yōu)先權(quán)日1997年9月30日
發(fā)明者堀川貢弘 申請人:日本電氣株式會社