CN103903971B - 一种提高栅氧化层质量的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种提高栅氧化层质量的方法，其特征在于，所述方法包括：提供一硅衬底；进行湿法清洗工艺以去除所述硅衬底表面形成的自然氧化层；继续将所述硅衬底放入一炉管进行高温氧化工艺，以于所述硅衬底的表面形成一栅氧化层；其中，所述炉管采用碳纤维发热管为热源进行所述高温氧化工艺，且将所述炉管在晶舟装载等待阶段的预定温度设置为T，所述T的取值范围为400℃到700℃。通过利用碳纤维发热管作为炉管加热源，可减少了晶舟升降温的等待时间，抑制了外来氧化层的生长，有效提高了栅氧化层的质量。

Description

一种提高栅氧化层质量的方法
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种提高栅氧化层质量的方法。
背景技术
随着芯片技术的不断发展，栅氧化层厚度越来越薄，高质量的栅氧化层变得更为关键。而高质量的栅氧化层（Gate Oxide）一般通过炉管的高温氧化工艺来实现，温度范围通常在750℃到1000℃之间，反应方程式为：Si+O2→SiO2或Si+2H2O→SiO2+2H2。然而硅衬底常温下会和空气氧气反应（Si+O2→SiO2）生成一层自然氧化层（<1.5nm)。在进入炉管高温氧化前，需要用湿法清洗（使用稀释的HF）去除自然氧化层。由于硅衬底常温下会和空气中的氧气发生反应，自然氧化层的产生不可避免。一般通过时间的控制来防止自然氧化层过厚的生长，即湿法清洗后尽快的进入炉管高温氧化。清洗的硅衬底在传输和等待过程中产生自然氧化层；在高温氧化前，硅衬底在炉管晶舟装载和炉管升温过程中也会产生氧化层。
图1是本发明背景中栅氧化层制作工艺中硅衬底氧化层结构原理示意图。其中，硅衬底为11，高温氧化层为12，升温氧化层为13，晶舟装载氧化层为14，自然氧化层为15。如图1所示，高温氧化层上会存在不希望存在的三层外来氧化层。即自然氧化层15，晶舟装载氧化层14和升温氧化层13。
图2是本发明背景中不同二氧化硅层厚度下外来氧化层对击穿电荷（charge to breakdown，简称：QBD）的影响数据图。如图2所示，横坐标为外来二氧化硅层厚度，单位为nm；纵坐标为50%QBD值，单位为c/cm2。二氧化硅层厚度分别为12.5nm、10.0nm和7.5nm为21，22，23所示的斜线，示出了外来二氧化硅层厚度对QBD的影响。当二氧化硅厚度一定时外来二氧化硅变厚，QBD变小；当二氧化硅厚度变薄时外来二氧化硅层的厚度对QBD影响变大。可见外来氧化层的存在对二氧化硅层的质量有较大的影响，特别是对低厚度的二氧化硅层。
图3是本发明背景中栅氧化层制作工艺中管式加热炉中传统的炉管结构示意图。其中，加热炉圆柱形石英炉管为31，固定陶瓷片为32，金属电阻丝为33。如图3所示，传统炉管加热采用金属电阻丝加热。最常用电阻丝为合金电阻丝，有3种金属组成，分别为：Cr：23.25%；Al：5.78%；Fe：70.97%。电阻丝环绕在炉管外壁，电阻丝之间用陶瓷片固定，防止相邻的电阻丝接触到，发生短路。在实际生产过程中，管式炉首先被加热至700℃，然后将晶舟上升至炉管中，再将管式炉加热至900℃，反应生成栅氧化层。此升温过程中由于合金电阻丝的升降温速度很慢，升温速度为10℃/分，其20分钟的长时间的升温过程内容易生成升温氧化层。
中国专利（CN101577224A）公开了一种栅氧化层形成方法，包括：对基底执行热氧化操作，在所述基底上形成具有目标厚度的栅氧化层;以缓冲气体对具有所述栅氧化层的基底执行热处理操作，将所述栅氧化层具有的标准阈值调整为目标阈值。一种栅氧化层形成方法，包括:在基底上形成厚度小于目标厚度的第一栅氧化层；利用包含氧基气体的反应气体对具有所述第一栅氧化层的基底执行热处理操作,形成具有目标厚度及目标阈值的栅氧化层。
该专利主要通过使用含氧基气体的反应气体在热处理操作中对栅氧化层厚度进行控制。
中国专利（CN102104025A）公开了一种EEPROM的栅氧化层的制造方法,包括如下步骤：第1步，在硅衬底表面旋涂一层光刻胶，曝光、显影后光刻胶仅覆盖低压器件区和将要形成隧穿氧化层的区域，存储器件区中除了隧穿氧化层以外的区域暴露,高压器件区全部暴露；对硅衬底表面进行离子注入，光刻胶作为离子注入的阻挡层，在硅衬底中形成离子注入区：第2步，去除光刻胶：第3步，以热氧化工艺使硅衬底表面生长一层高压氧化层和隧穿氧化层，第1步所形成的离子注入区生长高压氧化层，所述隧穿氧化层的厚度小于高压氧化层的厚度。该发明还公开了按照上述方法制造的EEPROM的栅氧化层。
该专利主要通过使用光刻工艺控制步骤解决控制栅氧化层厚度的问题。
但上述两项专利均未涉及在硅晶圆上栅氧化层制作中如何控制外来氧化层的厚度，从而提高栅氧化层质量。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提供一种提高栅氧化层质量的方法。
本发明解决技术问题所采用的技术方案为：
一种提高栅氧化层质量的方法，其中，所述方法包括：
提供一硅衬底；
进行湿法清洗工艺以去除所述硅衬底表面形成的自然氧化层；
继续将所述硅衬底放入一炉管进行高温氧化工艺，以于所述硅衬底的表面形成一栅氧化层；
其中，所述炉管采用碳纤维发热管为热源进行所述高温氧化工艺，且将所述炉管在晶舟装载等待阶段的预定温度设置为T，所述T的取值范围为400℃到700℃。
所述的提高栅氧化层质量的方法，其中，完成所述湿法清洗工艺至将所述硅衬底放入所述炉管进行高温氧化工艺之间的间隔时间小于2小时。
所述的提高栅氧化层质量的方法，其中，所述高温氧化工艺包括高温干氧氧化工艺和高温湿氧氧化工艺。
所述的提高栅氧化层质量的方法，其中，在温度为750℃至1100℃的条件下，进行所述高温氧化工艺。
所述的提高栅氧化层质量的方法，其中，于石英管中放置碳纤维丝后，将所述石英管抽空密封形成所述碳纤维发热管。
所述的提高栅氧化层质量的方法，其中，所述碳纤维发热管的加热原理为于所述碳纤维丝上通入电压后，所述碳纤维丝发热而产生热量。
所述的提高栅氧化层质量的方法，其中，所述碳纤维发热管垂直设置于所述炉管外壁，且于所述炉管外壁均匀分布。
所述的提高栅氧化层质量的方法，其中，所述碳纤维发热管的升温速度为50-200℃/分，降温速度为20-100℃/分。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本申请提出的一种减小栅氧外来氧化层的方法，应用于半导体集成电路的制备工艺中，通过采用以碳纤维发热管作为热源的炉管对经过湿法清洗后的硅衬底进行高温氧化工艺，由于碳纤维发热管的升降温速度较快，从而可以降低该炉管在晶舟装载等待阶段的预定温度，且减少了晶舟升降温的等待时间，从而有利于减小晶舟装载氧化层和升温氧化层的厚度，达到抑制外来氧化层生长的目的，进而有效提高了栅氧化层的质量。
附图说明
图1是本发明背景技术中栅氧化层制作工艺中硅衬底氧化层结构原理示意图；
图2是本发明背景技术中不同二氧化硅层厚度下外来氧化层对击穿电荷的影响数据图；
图3是本发明背景技术中栅氧化层制作工艺中管式加热炉中传统的炉管结构示意图；
图4是本发明提高栅氧化层质量的方法中采用的管式加热炉的炉管结构示意图。
具体实施方式
本发明的核心思想是通过将传统工艺中炉管的加热部件，即合金电阻丝替换为碳纤维发热管，实现对炉管更快速地升降温控制，在降低炉管在晶舟装载等待阶段的预定温度的同时，减少了晶舟在炉管中升降温的等待时间，从而减少了外来氧化层的生长时间，进一步提高了栅氧化层的质量。
本发明的具体实施方式为：
提供一硅衬底，首先对该硅衬底进行湿法清洗工艺（利用采用稀释的HF作用清洗液）以去除硅衬底表面生成的自然氧化层，为防止硅衬底再次与空气中的氧气发生反应，形成自然氧化层，故尽快将硅衬底置于晶舟中送入炉管进行高温氧化工艺，以于所述硅衬底的表面形成一栅氧化层。
其中，上述炉管采用碳纤维发热管为热源进行所述高温氧化工艺，由于碳纤维发热管的升降温速度很快，所以可以将上述炉管在晶舟装载等待阶段的预定温度设置为较低的温度，具体的，将上述炉管在晶舟装载等待阶段的预定温度设置为T，且T的取值范围为400℃到700℃（例如400℃、500℃、600℃以及700℃）。
其中，晶舟等待阶段的预定温度是指晶舟在炉管中尚未上升至炉管高温加热区域时，炉管应该预先已达到的温度。
优选的，完成该湿法清洗工艺至将所述硅衬底放入上述炉管进行高温氧化工艺之间的间隔时间小于2小时，以防止湿法清洗后硅衬底上生长过后的自然氧化层而影响到后续栅氧化层的质量。
将湿法清洗后的硅衬底放入炉管进行高温氧化工艺的具体步骤为：将湿法清洗后的上述硅衬底放入炉管的晶舟内，晶舟装载完成后，将晶舟上升至炉管加热区域。晶舟上升后炉管继续升温，升温速率为50-200℃/分（例如50℃/分、100℃/分，150℃/分以及200℃/分），直至炉温达到750℃至1100℃（例如750℃、900℃以及1100℃）,即在温度为750℃至1100℃的条件下，进行高温氧化工艺以形成栅氧化层，升温之后的炉温可根据具体工艺需求设定；在本发明的实施例中，将晶舟装载等待阶段的预定温度设置为400℃，设定升温速度为100℃/分，且升温达到900℃进行高温热氧化工艺，即只需要5分钟即可升温到高温热氧化工艺所需的温度，可以有效的减少升温氧化层的生长，且晶舟装载等待阶段的预定温度仅为400℃，因晶舟装载等待阶段的预定温度较低可有效抑制晶舟装载氧化层的生长。
上述高温热氧化工艺可为高温干氧氧化工艺或高温湿氧氧化工艺。
最后，在完成高温氧化工艺后，将炉管温度降至400℃-700℃后，再将晶舟下降，此时，炉管的降温速率为20-100℃/分，。
其中，晶舟下降时温度可选为晶舟上升等待温度，即400℃，由于碳纤维发热管具有良好的降温性能，降温速率可控制为50℃/分，降温时间为10分钟。
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明：
如图4所示，首先在管式炉石英管41外壁周围均匀设置碳纤维发热管42，碳纤维发热管42是在石英管中放置碳纤维丝，管中抽真空后密封，然后在碳纤维丝上通入电压，使碳纤维丝发热而产生热量。碳纤维发热管设置方向垂直于石英管41外壁。由于碳纤维发热管的升降温速度快，升温速度设置为100℃/分，降温速度设置为50℃/分。晶舟装载等待的温度设置为400℃。然后将晶舟上升，将管式炉加热至900℃，升温所需时间为5分钟。升温时间的减少有利于减少升温氧化层的厚度。从而使外来氧化层得到有效的抑制。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本申请通过采用以碳纤维发热管作为热源的炉管对经过湿法清洗后的硅衬底进行高温氧化工艺，由于碳纤维发热管的升降温速度较快，从而可以降低该炉管在晶舟装载等待阶段的预定温度，且减少了晶舟升降温的等待时间，从而有利于减小晶舟装载氧化层和升温氧化层的厚度，达到抑制外来氧化层生长的目的，进而有效提高了栅氧化层的质量。
对于本领域的技术人员而言，阅读上述说明后，各种变化和修正无疑将显而易见。因此，所附的权利要求书应看作是涵盖本发明的真实意图和范围的全部变化和修正。在权利要求书范围内任何和所有等价的范围与内容，都应认为仍属本发明的意图和范围内。

Claims (7)

1.一种提高栅氧化层质量的方法，其特征在于，所述方法包括：
提供一硅衬底；
进行湿法清洗工艺以去除所述硅衬底表面形成的自然氧化层；
继续将所述硅衬底放入一炉管进行高温氧化工艺，以于所述硅衬底的表面形成一栅氧化层；
其中，所述炉管采用碳纤维发热管为热源进行所述高温氧化工艺，且将所述炉管在晶舟装载等待阶段的预定温度设置为T，所述T的取值范围为400℃到700℃；
其中，所述碳纤维发热管的升温速率为50-200℃/分，降温速率为20-100℃/分。
2.如权利要求1所述的提高栅氧化层质量的方法，其特征在于，完成所述湿法清洗工艺至将所述硅衬底放入所述炉管进行高温氧化工艺之间的间隔时间小于2小时。
3.如权利要求1所述的提高栅氧化层质量的方法，其特征在于，所述高温氧化工艺包括高温干氧氧化工艺和高温湿氧氧化工艺。
4.如权利要求1所述的提高栅氧化层质量的方法，其特征在于，在温度为750℃至1100℃的条件下，进行所述高温氧化工艺。
5.如权利要求1所述的提高栅氧化层质量的方法，其特征在于，于石英管中放置碳纤维丝后，将所述石英管抽空密封形成所述碳纤维发热管。
6.如权利要求5所述的提高栅氧化层质量的方法，其特征在于，所述碳纤维发热管的加热原理为于所述碳纤维丝上通入电压后，所述碳纤维丝发热而产生热量。
7.如权利要求1所述的提高栅氧化层质量的方法，其特征在于，所述碳纤维发热管垂直设置于所述炉管外壁，且于所述炉管外壁均匀分布。
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