CN1190828C - 隧道氧化层的制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种隧道氧化层(Tunnel Oxide)的制造方法。本发明的方法是利用快速热处理(Rapid Thermal Process；RTP)取代现有利用炉管工艺(Fumace Process)，以单晶片快速热氧化(Rapid Thermal Oxidation；RTO)方式成长二氧化硅(Silicon Dioxide；SiO2)薄膜当作隧道氧化层，再以原地(In-Situ)方式进行隧道氧化层的快速热退火(Rapid ThermalAnnealing；RTA)工艺，以改善隧道氧化层的品质。因此，可缩减隧道氧化层的生长时间，且降低所需的热预算(Thermal Budget)，并提高隧道氧化层的均匀度，还可避免更换反应室所引发的污染与所耗费的人力资源。
Description
技术领域
本发明涉及一种隧道氧化层(Tunnel Oxide)的制造方法，特别是涉及一种利用快速热氧化法(Rapid Thermal Oxidation；RTO)，并以原地(In-Situ)方式进行快速热退火(Rapid Thermal Annealing；RTA)来制造隧道氧化层的方法。
背景技术
依存取功能的差异，存储器可大致上可区分为随机存取存储器(Random Access Memory；RAM)及只读存储器(Read Only Memory；ROM)两大类。其中，随机存取存储器需要持续供应电源才能将所储存的数据留住，因此称为挥发性(Volatile)存储器，而只读存储器所储存的数据并不会因电源供应的中断而流失，故称为非挥发性(Nonvolatile)存储器。此外，只读存储器又依数据存入方式的不同，而分为掩膜式只读存储器(Mask Read Only Memory；MROM)、可编程只读存储器(Programmable ROM；PROM)、可擦可编程只读存储器(ErasableProgrammable ROM；EPROM)、电可擦可编程只读存储器(ElectricallyErasable Programmable ROM；EEPROM)、以及快闪式存储器(FlashMemory)等。由于，非挥发性存储器可在电源关闭后，仍可将其记忆数据留存，因此广泛地应用在计算机与电子工业上。尤其，随着近年来笔记本型计算机、电信器材等便携式电子组件的日益普及，组件集成度的持续增加，对于存取功能如同磁盘驱动器的电可擦可编程只读存储器及快闪式存储器等技术的需求亦随的日益提升。
请参照图1，其所绘示为快闪式存储器的晶胞的剖面图。在此存储器晶胞中，P型的基材10上形成有依序堆栈的隧道氧化层16、浮置栅(Floating Gate)18、介电层20、以及控制栅(Control Gate)22，且基材10的上表面形成有N型的漏极12与源极14，其中隧道氧化层16的成分可例如为二氧化硅(SiO2)，浮置栅18及控制栅22的成分可例如为多晶硅(Poly-Silicon)，且介电层20的成分可例如为二氧化硅或氮化硅(Silicon Nitride；Si3N4)。
若源极14与基材10接地，且对控制栅22与漏极12施加高电压，而使得N型的漏极12与P型的基材10之间产生载流子倍增(CarrierMultiplication)现象。由载流子倍增现象所产生的热电子，部分为漏极12吸收，而一部分则穿越隧道氧化层16进入浮置栅18中，使浮置栅18成带电状态。由于，与浮置栅18连接的隧道氧化层16与介电层20的成分具有高能障(Potential Barrier)，使得浮置栅18内的电子无法逃离，而停驻在浮置栅18。施加正电压至控制栅22以进行此存储器晶胞的数据读取时，由于浮置栅18带有电荷，而存入数据“1”。另一方面，若浮置栅18内无电子停驻，则存储器晶胞将存入数据“0”。若要将存储器晶胞内所储存的数据删除，只需施加适当的负电压至控制栅22，便可使停驻在浮置栅18内的电子再度穿越隧道氧化层16，而离开浮置栅18，完成了存储器晶胞内所存入的数据的清除。
由于，电可擦可编程只读存储器及快闪式存储器等存储器的记忆晶胞中的数据写入/抹除是由热电子穿透隧道氧化层来进入/脱离浮置栅而达成。因此，隧道氧化层的电性品质对存储元件的稳定性有相当大的影响，氧化层内的过多杂质或电荷会造成组件可靠度(Reliability)的降低，且引发不必要的电性变化。
而影响隧道氧化层等热氧化层的电性稳定度的主因为，由于氧化层中的杂质缺陷或与硅基材的介面的未饱和键，将组件操作所产生的电荷抓住，而将电荷留置在氧化层内，导致氧化层的电荷浓度增加。为降低氧化层中的电荷浓度，可在氧化层生成后，随即利用退火工艺，来降低氧化层内的杂质缺陷或未饱和键的浓度，而减低电荷陷在氧化层的数量，进而达到降低氧化层内的电荷浓度。
一般，大多利用热氧化炉以热炉管工艺(Furnace Process)成长二氧化硅来当作隧道氧化层，再利用热炉管工艺进行隧道氧化层的退火。其中，退火工艺为一种应用广泛的金属冶炼技术，其原理是利用热能来提高材料内晶格原子与缺陷的能量，使晶格原子与缺陷的振动及扩散作用增加，而使材料内的原子的排列进行重整，进而降低材料内的缺陷。由缺陷的消失，进行再结晶(Recrystallization)，甚至更进一步地进行晶粒成长(Grain Growth)。由于退火工艺的目的是用以消除材料内的缺陷，重整材料的结构，因此可应用在氧化层生长后，以减少氧化层的缺陷，并提升氧化层的电性品质。
请参照图2，其所绘示为现有形成以及退火隧道氧化层的热氧化炉的剖面示意图。热氧化炉100主要是由经高温退火的石英炉管(QuartzTube)102、加热器104、及用以测量炉管温度的热电偶(Thermocouples)(未绘示)所组成。
利用热氧化炉100制造二氧化硅薄膜当作隧道氧化层时，首先将约100片至约150片的基材106放在例如以石英制成的晶舟(Boats)112上，并送入热氧化炉100中，且从气体入口108充入适量的氮气(N2)。接着，提升热氧化炉100的温度，再将氧气(O2)通入热氧化炉100，之后通入氢气(H2)，开始热氧化反应而生成二氧化硅，其中为避免氢气在热氧化炉100中累积而导致氢气爆炸，因此热氧化反应进行期间，通入氧气的量至少必须大于氢气量的一半以上，而反应后的气体由排气口110排出。然后，停止将氢气以及氧气注入热氧化炉100，再利用氮气进行降温。
随后，利用热氧化炉100进行隧道氧化层的退火，由气体入口108导入反应气体，例如氮气，以加热器104将热氧化炉100的温度提高至一适当高温，并将基材106在此高温环境下放置一段时间。此时，利用高温所产生的热能，基材106上的隧道氧化层内的原子进行晶格重排。然后，降低热氧化炉100的温度，再将基材106送出热氧化炉100，完成了隧道氧化层的制作。
虽然，以炉管工艺进行热氧化来成长并退火二氧化硅薄膜，可一次处理上百片基材，但所需的制造时间相当长，大约需数小时之久，因此不但导致生产效率的降低，且工艺所需的热预算(Thermal Budget)亦相当高，造成制造成本的增加。
鉴于上述现有隧道氧化层的制造方法中，利用炉管工艺来形成并退火二氧化硅薄膜以当作隧道氧化层时，所需的制造时间太过漫长，而降低制造效率，且工艺热预算太高，导致制造成本增加。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的主要目的在于提供一种隧道氧化层的制造方法，本发明的方法是利用快速热处理(Rapid ThermalProcess；RTP)，以单晶片方式成长二氧化硅薄膜，制造隧道氧化层，以缩短反应时间，并提高产能。
本发明的另一目的在于提供一种隧道氧化层的制造方法，本发明的方法是利用快速热处理，以单晶片快速热氧化方式形成二氧化硅薄膜来当作隧道氧化层。因此，不但二氧化硅薄膜生成速率高，工艺效率获得提升，且其薄膜品质亦较为均匀。
本发明的再一目的为提供一种隧道氧化层的退火方法，以单晶片的快速热氧化工艺先形成隧道氧化层，再于同一反应室中，以原地方式进行隧道氧化层的快速热退火工艺。因此，可缩短反应时间，大幅降低制造热预算，以降低生产成本，提升隧道氧化层的品质，并避免因更换反应室所造成的污染及所耗费的人力与时间。
根据以上所述的目的，本发明提供了一种隧道氧化层的制造方法，至少包括：提供一基材；提供一快速加热器，用以在该基材上形成一二氧化硅薄膜，其中在该基材上形成该二氧化硅薄膜的步骤至少包括：加热该基材，使该基材具有一第一反应温度；以及注入一第一反应气体以进行一热氧化反应，且该第一反应气体至少包括一氢气与一氧气，其中该第一反应气体的该氢气的一流量对该第一反应气体的该氧气与该第一反应气体的该氢气的一流量和具有一预设比值；以及以该快速加热器对该基材上的该二氧化硅薄膜进行一退火步骤，其中该退火步骤包括控制一参数，该参数至少包括：一第二反应温度；一压力；以及一第二反应气体，其中该第二反应气体包括一氮气及一氧气，且该第二反应气体的该氮气的一流量介于约每分钟5公升至约每分钟10公升，该第二反应气体的该氧气的一流量介于每分钟0.2公升至每分钟0.5公升。
换言之，本发明的方法采用快速热处理的快速热氧化方式，首先1将基材置入快速加热器内，并将温度调整至预备温度后，导入氮气。接着，将快速加热器的第一反应温度提高至约850℃与约1100℃之间，注入第一反应气体氧气及氢气以进行热氧化反应，并调整其流量，使氢气对氢气与氧气流量和的流量比值约为1％至约33％，且将工艺压力维持在约5托(Torr)与约15托之间。热氧化反应完成后，停止供应氢气，并利用氮气将快速加热器的温度快速调降至预备温度。
然后，导入第二反应气体，例如氮气及氧气，其中氮气的流量约为每分钟5公升至约每分钟10公升，氧气的流量约为每分钟0.2公升至约每分钟0.5公升。以加热器将反应室的第二反应温度提高至约850℃与约1100℃之间，并将反应室的压力维持在约700托与约760托之间，且将基材在此第二反应温度下维持约数十秒的时间。在此期间，基材上的隧道氧化层利用高温所产生的热能，进行原子晶格位置的重排。然后，降低反应室的温度，再将基材送出反应室，便完成了隧道氧化层的制作。由于，快速热处理的快速加热器可在数秒内将快速热处理反应室内的温度提高至热处理所需的温度，且热氧化反应以及热退火反应所需的时间也仅需约数十秒，而完成反应后，又能以极为快速的速率在数秒内将温度降至原来的预备温度。因此，本发明的方法所花费的时间很短，不仅具有低热预算，低成本，高制程产能的优点外，还可避免因转换反应室所造成的污染，而获得均匀度较佳的隧道氧化层。
本发明的优点为
1、本发明提供了一种隧道氧化层的制造方法，以快速热处理取代现有炉管工艺，来制造二氧化硅薄膜当作记忆晶胞的隧道氧化层。由于，快速热处理所花费的时间远低于炉管工艺，且工艺品质可获得较佳的控制。因此，运用本发明可降低隧道氧化层的制造时间，提高制造效率，而提升其产能，并提升隧道氧化层的品质，进而降低生产成本。
2、本发明为提供一种隧道氧化层的制造方法，由于利用快速热氧化工艺形成隧道氧化层后，随即原地进行单晶片的快速热退火工艺，来改善隧道氧化层的电性品质。因此，可大幅地缩减隧道氧化层的退火时间，并避免因更换反应室所造成的污染及所耗费的人力与时间，进而降低生产成本，并可提升隧道氧化层的品质。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明：
图1为绘示快闪式存储器的晶胞的剖面图；
图2为绘示现有形成以及退火隧道氧化层的热氧化炉的剖面示意图；以及
图3为绘示本发明的一较佳实施例的形成以及退火隧道氧化层的快速加热器的剖面示意图。
图中符号说明：
10 基材 12 漏极
14 源极 16 隧道氧化层
18 浮置栅 20 介电层
22 控制栅 100 热氧化炉
102 石英炉管 104 加热器
106 基材 108 气体入口
110 排气口 112 晶舟
200 快速加热器 202 反射器
204 照射器 206 石英窗
208 基材 210 基材支撑架
212 光学高温计(Optical Pyrometer)
214 气体入口
具体实施方式
由于，应用于电可擦可编程只读存储器及快闪式存储器的隧道氧化层的厚度相当薄，且隧道氧化层的品质会影响记忆晶胞的存取。因此，如何制造出厚度符合要求且具高品质的二氧化硅薄膜，来当作记忆晶胞的隧道氧化层，为本发明的保护范围重点。
本发明的隧道氧化层是先于快速加热器中，以快速热氧化工艺生成于基材上，然后再同样于快速加热器中，进行快速热退火工艺，以改善隧道氧化层的品质。
请参照图3，其所绘示为本发明的一较佳实施例的形成以及退火隧道氧化层的快速加热器的剖面示意图。快速热处理的快速加热器200主要包括反射器202、照射器204、石英窗206、以及光学高温计212。其中，照射器204可用以快速加热，反射器202则可将照射器204所发射的光反射至所需加热的方向，而石英窗206用以让照射器204所发出的光学辐射能透过，以照射基材208，光学高温计212则用以控制快速加热器200的温度。
利用快速加热器200进行快速热氧化以在基材208上成长二氧化硅当作隧道氧化层时，首先将基材208置于快速加热器200的基材支撑架210上，并将温度调整至预备温度后，再由气体入口214注入氮气，其中基材支撑架210通常以石英制成。接着，升高快速加热器200的第一反应温度至约850℃与约1100℃之间，再注入氧气及氢气等第一反应气体以进行热氧化反应，而在基材208上形成二氧化硅薄膜，其中氢气对氢气与氧气流量和的流量比值控制在一预设比值下，此预设比值介于约1％至约33％之间，且工艺压力维持在约5托与约15托之间。待热氧化反应生成二氧化硅薄膜后，即停止氢气与氧气的供应，通入氮气，以便将快速加热器200的温度快速调降至预备温度。
此时，快速加热器200的温度处于预备温度，因此不再将基材208转换至另一机台，直接由气体入口214注入第二反应气体，其中第二反应气体至少包括氮气及氧气，且氮气的流量为约为每分钟5公升至约每分钟10公升，氧气的流量约为每分钟0.2公升至约每分钟0.5公升。接着，以照射器204加热升高快速加热器200的第二反应温度至约850℃与约1100℃之间，并将工艺压力维持在约700托与约760托之间。使基材208在此温度环境下持续约数十秒，在此期间，利用照射器204所供应的热能，隧道氧化层本身及其与基材208之间介面进行原子晶格位置的重新排列。然后，快速降温，使快速加热器200的温度回到预备温度，再将基材208送出快速加热器200，便完成了隧道氧化层的制作。
由于，快速加热器200可在数秒内，便将快速加热器200内的基材208的温度提升至热氧化工艺以及热退火工艺所需的温度，待制造完成后，又能以极快的速率，在数秒内将温度降回原来的温度。此外，热氧化反应成长二氧化硅薄膜所需的时间仅需约数十秒，且退火二氧化硅薄膜的时间也仅需约数十秒。因此，相较于费时数小时的炉管工艺，快速加热工艺所需的热预算相当低，且整体的产能亦高于炉管工艺。
如本领域技术的人员所了解的，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用以限定本发明的专利范围；凡其它未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种隧道氧化层的制造方法，至少包括：
提供一基材；
提供一快速加热器，用以在该基材上形成一二氧化硅薄膜，其中在该基材上形成该二氧化硅薄膜的步骤至少包括：
加热该基材，使该基材具有一第一反应温度；以及
注入一第一反应气体以进行一热氧化反应，且该第一反应气体至少包括一氢气与一氧气，其中该第一反应气体的该氢气的一流量对该第一反应气体的该氧气与该第一反应气体的该氢气的一流量和具有一预设比值；以及
以该快速加热器对该基材上的该二氧化硅薄膜进行一退火步骤，其中该退火步骤包括控制一参数，该参数至少包括：
一第二反应温度；
一压力；以及
一第二反应气体，其中该第二反应气体包括一氮气及一氧气，且该第二反应气体的该氮气的一流量介于约每分钟5公升至约每分钟10公升，该第二反应气体的该氧气的一流量介于每分钟0.2公升至每分钟0.5公升。
2.根据权利要求1所述的隧道氧化层的制造方法，其特征在于：该二氧化硅薄膜为一隧道氧化层。
3.根据权利要求1所述的隧道氧化层的制造方法，其特征在于：该基材的第一反应温度介于850℃与1100℃之间。
4.根据权利要求1所述的隧道氧化层的制造方法，其特征在于：该预设比值介于1％至33％之间。
5.根据权利要求1所述的隧道氧化层的制造方法，其特征在于：该第一反应气体还至少包括一氮气。
6.根据权利要求1所述的隧道氧化层的制造方法，其特征在于：进行该热氧化反应的一压力介于5托与15托之间。
7.根据权利要求1所述的隧道氧化层的制造方法，其特征在于：该第二反应温度介于850℃与1100℃之间。
8.根据权利要求1所述的隧道氧化层的制造方法，其特征在于：进行该退火步骤的该压力介于700托与760托之间。
9.根据权利要求1所述的隧道氧化层的制造方法，其特征在于：该退火步骤在形成该二氧化硅薄膜的步骤之后，且采用一原地方式。
10.根据权利要求1所述的隧道氧化层的制造方法，其特征在于：形成该二氧化硅薄膜的步骤为一快速热氧化步骤。
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