CN1507016A - 形成氧化层的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种形成氧化层的方法，该方法在具有不同掺杂水平和/或不同掺杂剂类型的表面上形成基本上均匀的氧化物膜。在一个方面，公开了一种在重度掺杂的n型和p型栅极的侧壁上形成均匀的氧化物隔离壁的方法。该方法包括：提供一半导体衬底，其具有至少两个有相异掺杂剂特性的区域；可选地加热该衬底；以及通过将衬底暴露在包括原子氧的气体混合物中来在该至少两个区域上形成均匀的氧化层。

Description

形成氧化层的方法

技术领域

本发明总体上涉及高速半导体微处理器、特殊应用集成电路(ASIC)和其它高速集成电路器件的制造。更具体地，本发明涉及一种在具有高掺杂水平和不同掺杂类型的表面上形成均匀热生长氧化层的方法。

背景技术

自从在20世纪60年代被发明以来，硅的热氧化被认为是现代集成电路的启动工艺。在超过四十年的广泛研究后，在热氧化及其在集成电路和其它微结构的制造中的应用的各个方面已经有了大量技术。热氧化的若干关键特性使得它区别于在半导体上形成电介质的其它方法。这些特性包括：(1)硅与氧化硅之间几近电学完美的界面；(2)该氧化物的高介电强度；以及(3)氧化膜均匀性的优异控制。这些特性使得能够将该热氧化物用作例如栅极电介质、各种LOCOS(硅的局部隔离)结构中的隔离体、用于各种IT(隔离槽)结构的隔离体、栅极侧墙隔离/隔离壁、以及用于离子注入的遮蔽氧化物。

热氧化动力学已得到很好地了解。笛尔-格罗夫(线性-抛物线)模型对硅的热氧化过程中发生的物理化学过程进行了揭示。该模型在20世纪60年代作为对试验数据的物理解释而提出，自那以后，其正确性得到反复验证。根据此模型，氧化物生长速率受薄膜范围内的界面反应速率的限制。(氧化膜小于约500埃。)因此，氧化速率极大地受掺杂水平和类型的影响。实际上，大量掺杂剂的出现改变了硅界面的自由能，进而改变了界面化学反应的速率。此外，掺杂剂类型(n或p)以不同的方式影响自由能。氧化物生长速率对掺杂水平和类型的依赖性通常在本领域中被称作“掺杂剂效应”。例如，氧化速率对磷掺杂水平的依赖性在以下文献中得以说明，即Lattice Press，Sunset Beach，California于2000年出版的作者为S.Wolf和R.N.Tauber的第二版″Silicon Processing for the VLSI Era，Volume l：ProcessTechnology″第198-207、213-215页。数据显示了薄膜区中氧化速率的快速增大，同时在抛物线的厚膜区具有可忽略的掺杂剂效应。随着磷浓度自1×10¹⁹cm^-3增加到1×10²¹cm^-3，生长速率增加超过1000％。对于低于1×10¹⁹cm^-3的磷浓度，存在可忽略的掺杂剂效应。氧化技术教导到，掺杂剂效应在本质上是根本的，因此不能通过简单地改变氧化设备的类型(例如水平炉、垂直炉、快速热处理设备)或氧化气氛(例如干式、湿式、高压、低压)来消除。

掺杂剂效应会对具有不同掺杂水平和类型的硅表面上的均匀热氧化膜的制造带来严重阻碍。因此，现有技术中需要具有小掺杂剂效应的通用氧化方法。

授予Dubuzinsky等人的美国专利第5,412,246号描述了在低等离子体功率下进行的硅和氮化硅的等离子体辅助氧化。Dubuzinsky等人教导到，高功率等离子体氧化会导致所生长的氧化膜的损坏。因此，选择低等离子体功率工艺来制备高质量的氧化膜。Dubuzinsky等人还公开了有用的实施例，例如在掺杂栅极上形成氧化物隔离壁的低温方法。然而，Dubuzinsky等人没有公开作为栅极中掺杂浓度的函数的氧化物隔离壁均匀性的任何内容，他们也没有教导作为栅极掺杂类型的函数的氧化物隔离壁均匀性的内容。

授予Neely等人的美国专利第5,443,863号描述了一种低温等离子体辅助氧化工艺。该等离子体利用微波等离子体放电在处理区的上游形成。Neely等人教导到，这种氧化工艺可在低于300℃的温度下进行。Neely等人描述了有用的实施例，在该实施例中，碳化硅膜在低温下被氧化。然而，Neely等人没有讨论所公开工艺的掺杂剂效应，他们也没有说明他们的工艺在具有不同的高掺杂剂水平或类型的结构上的应用。

授予Ahmad等人的美国专利第5,946,588号描述了一种形成栅极氧化物的方法。Ahmad等人教导了一种热氧化过程，其中硅表面在低温亚大气压臭氧环境中氧化。本质上，栅极氧化物在轻度掺杂的衬底上生长，并且不受氧化掺杂效应的影响。因此，Ahmad等人详述了3×10¹⁶至5×10¹⁷cm^-3的优选掺杂水平范围，这远低于本申请研究的范围(1×10¹⁹至1×10²²cm^-3)。此外，Ahmad等人没有探讨作为衬底中掺杂浓度的函数的氧化膜均匀性，他们也没有探讨掺杂效应的任何其它方面。

授予Thakur等人的美国专利第5,738,909号描述了一种在半导体衬底上形成薄氧化物的方法。Thakur等人教导了一种方法，其中，部分氧化过程在臭氧环境中进行，以增大氧化物生长速率。此外，Thakur等人教导到，紫外线辐射可以更进一步加速氧化过程。Thakur等人没有教导作为衬底中掺杂浓度的函数的氧化膜均匀性的任何内容，他们也没有讨论掺杂效应的任何其它方面。

授予Han等人的美国专利第5,700,699号描述了一种形成薄膜晶体管(TFT)的栅极氧化物的方法。该栅极氧化物以等离子体辅助氧化法形成。等离子体在电子回旋共振放电(ECE)的辅助下形成。本质上，栅极氧化物在轻度掺杂的半导体上生长，且不受氧化掺杂效应的影响。即使Han等人没有详述掺杂水平的优选范围，但是晶体管沟道的掺杂水平公知为通常小于5×10¹⁸cm^-3，一个远小于本申请研究的范围(1×10¹⁹至1×10²²cm^-3)的范围。因此，Han等人没有教导作为衬底中掺杂浓度的函数的氧化膜均匀性的任何内容，他们也没有讨论掺杂效应的任何其它方面。

授予Sato的美国专利第5,238,849号描述了一种制造双极晶体管的方法。Sato教导了在晶态基极和多晶发射极之间形成氧化层的方法。该层用氧离子形成，导致亚化学配比的氧化硅。Sato没有教导作为晶态基极中掺杂浓度的函数的氧化膜均匀性的任何内容，他也没有讨论掺杂效应的任何其它方面。

授予Tews等人的美国专利第6,358,867号描述了硅的方向无关的氧化(orientation independent oxdidation of silicon)，该专利所公开的内容在此参考引用。Tews等人教导了一种热氧化方法，其中，在硅的各种晶面上生长基本上均匀的硅氧化膜。该方法的主要优点通过采用原子氧作为主氧化剂来获得。Tews等人还教导到，方向效应主要由于不同晶面上硅原子的不同表面密度导致。结果，表面反应速度正比于薄膜(线性)区中硅原子的表面密度，导致与方向相关的氧化速率。也就是说，Tews等人提供了一种氧化方法，该方法允许氧化速率对薄膜区中硅原子的表面密度的相关性大大降低。Tews等人没有教导允许氧化速率对硅界面的自由能的相关性大大降低的氧化方法。高度掺杂n型材料情形中的原子表面浓度非常接近相同晶体学取向的纯Si面的表面浓度。因此，Tews等人没有建议考虑如何降低氧化速率的掺杂相关性。

于是，本领域依然需要具有小掺杂效应的氧化方法。

发明内容

与掺杂剂效应有关的前述问题通过此处公开的形成氧化层的方法而极大地减小。该方法包括步骤：(1)提供一半导体衬底，其具有至少两个有相异掺杂剂特性的区域；以及(2)通过将衬底暴露在包括原子氧和分子氧的气体混合物中来在该至少两个区上形成均匀的氧化层，其中原子氧与分子氧的比率约为0.000001至100。可选地，该方法包括将衬底加热到约300℃至1100℃的温度的附加步骤。

在一特定的优选实施例中，该方法包括步骤：(1)提供一半导体衬底，该半导体衬底具有至少两个区，该至少两个区具有相似的掺杂浓度，第一区掺以硼，第二区掺以磷；(2)将衬底加热到约300℃至1100℃的温度；以及(3)通过将衬底暴露在一气体混合物中来在该至少两个区上形成均匀的氧化层，该气体混合物具有大于约1×10¹¹cm^-3的原子氧浓度、以及小于约1×10¹⁸cm^-3的分子氧浓度。

附图说明

在所附权利要求中详细阐明了本发明的新颖特征、以及本发明的单元特性。附图仅用于说明，且未按比例绘制。再者，附图中相同的附图标记表示相同的部件。然而，对于操作的机构和方法这两者，本发明自身可通过参照以下结合附图的详细说明而得以最好地理解，附图中：

图1是具有根据现有技术的方法形成的热氧化物隔离壁的高性能CMOS集成电路的示意图；

图2是具有根据本发明的方法形成的热氧化物隔离壁的高性能CMOS集成电路的示意图；以及

图3是曲线图，示出作为所生长的氧化膜的厚度的函数的氧化处理时间。

具体实施方式

现在将参照附图说明本发明。附图中，示出了结构的各种外形，且以简化方式对其进行示意性表示，以更清楚地描述和说明本发明。例如，附图并非是成比例的。此外，结构的各种外形的垂直横截面以矩形形状显示。但是本领域技术人员将理解，对于实际结构，这些外形将很可能具有锥度更大的特征。此外，本发明不限于任何具体形状的构造。

已经令人惊异地发现，采用原子氧的热氧化可以基本上无掺杂剂效应地进行。与现有技术的教导相反，已经发现，原子氧在经历其从气体环境到硅/氧化硅界面的行程后继续存在。结果，界面处的表面反应可以加速至氧化物生长的总体速度受限于氧化膜中原子氧扩散的速度。氧化硅膜中存在的氧原子团(oxygen radical)具有(1)高化学活性(迅速参与化学反应的能力)和(2)相对稳定性(不重新结合)的非同寻常的共存。因此，氧化工艺可以整个在扩散受限区(diffusion-limited regime)中进行，导致与不同表面反应速率相关的掺杂剂效应的消失。图3表明，作为所生长氧化膜的厚度的函数的氧化处理时间服从抛物线关系。抛物线关系是扩散控制氧化的特征。因此，已经发现，原子氧化即使在薄膜区中也是扩散受限的。

对于在具有不同掺杂水平和/或不同掺杂类型的表面上生长大致均匀的氧化物膜，掺杂剂效应的消失非常有用。在一个方面中，本发明包括在重度掺杂n型和p型栅极的侧壁上形成均匀氧化物隔离壁的方法。

图1示意性显示了一种高性能CMOS集成电路，其中在同一衬底101上兼具多个高性能NFET和多个高性能PFET。为了清楚起见，仅示出一个NFET和一个PFET。NFET和PFET结构具有栅极绝缘层102、各自的栅极叠层103和104、以及热氧化物隔离壁105。PFET栅极叠层104掺以p型掺杂剂(例如硼)，使得掺杂剂浓度高于1×10¹⁹cm^-3，优选地高于1×10²⁰cm^-3。NFET栅极叠层103掺以n型掺杂剂(例如磷)，使得掺杂剂浓度高于1×10¹⁹cm^-3，优选地高于1×10²⁰cm^-3。衬底101的暴露部分上的掺杂剂浓度不超过1×10¹⁸cm^-3。根据现有技术，热氧化物隔离壁105因掺杂氧化效应在电路的各部分上具有不同厚度，如下：

                    t_ox，n≠t_ox，p≠t_ox，sub。

在本发明的一实施例中，公开了形成具有栅极预掺杂的高性能CMOS电路的方法。在形成具有栅极预掺杂的CMOS电路时，栅极电极通常在形成栅极隔离壁前进行掺杂。图1示出了具有栅极预掺杂工序的典型CMOS结构。在衬底101上形成栅极绝缘层102之后，形成、构图和蚀刻栅极叠层103和104。栅极叠层103和104由接触栅极绝缘层102的含硅栅极电极形成。可选地，栅极叠层可以包括形成在叠层上部的金属栅极导体(未示出)。还可以在栅极导体与栅极电极之间插入可选的扩散阻挡层(未示出)。栅极叠层还可以具有形成在栅极叠层顶部上的硬掩模(未示出)。含硅栅极电极通常由多晶硅制成，但是也可以包括锗和/或碳。栅极电极的掺杂在形成隔离壁前进行。在一种方法中，栅极电极可以在沉积工艺之后，立即选择性地掺以p型和n型掺杂剂。选择性掺杂利用光致抗蚀剂遮蔽掩模完成。栅极电极掺杂至非常高的水平以降低栅极电极的耗尽效应(depletion effect)。耗尽效应通过等效地增厚栅极绝缘层来降低总体器件性能。NFET和PFET栅极电极两者的典型掺杂范围从1×10¹⁹至5×10²¹cm^-3，优选地从1×10²⁰至5×10²¹cm^-3。因此，热氧化物隔离壁105生长在不同类型的高度掺杂栅极和相对低掺杂的衬底的暴露部分上。结果，氧化物隔离壁的厚度变化超过50％。不同的氧化物隔离壁厚度是栅极预掺杂形成方案的公知问题。

本发明的与掺杂无关的氧化方法消除了不同隔离壁厚度的上述问题，并且能实现预掺杂形成方案。图2示出了具有栅极预掺杂的高性能CMOS结构。与图1相同，图2示意性示出了一种高性能CMOS集成电路，其中，在同一衬底201上兼具多个高性能NFET和多个高性能PFET。为了清晰起见，仅示出一个NFET和一个PFET。NFET和PFET结构具有栅极绝缘层202、各自的栅极叠层203和204、以及热氧化物隔离壁205。PFET栅极叠层204掺以p型掺杂剂(例如硼)，使得掺杂剂浓度高于1×10¹⁹cm^-3，优选地高于1×10²⁰cm^-3。NFET栅极叠层203掺以n型掺杂剂(例如磷)，使得掺杂剂浓度高于1×10¹⁹cm^-3，优选地高于1×10²⁰cm^-3。衬底201的暴露部分上的掺杂剂浓度不超过1×10¹⁸cm^-3。替代地，栅极叠层203和204每个均可以掺以相同的掺杂剂(例如磷)，但具有明显不同的掺杂剂浓度。例如，栅极叠层203可以具有约1×10¹⁹cm^-3的掺杂水平，且栅极叠层204可以具有明显大于约1×10¹⁹cm^-3的掺杂水平。

然而，与图1不同，图2中的热氧化物隔离壁205以本发明的与掺杂无关的工艺形成。结果，在电路的各部分，隔离壁具有基本上相同的厚度，如下所示。通过“基本上相同的厚度”，表明厚度变化小于20％。

                    t_ox，n≈t_ox，p≈t_ox，sub。

在预掺杂栅极上形成热氧化物隔离壁的优选工艺包括以下步骤：(1)提供预掺杂的栅极；(2)产生含原子氧的混合物；(3)在该混合物存在时氧化预掺杂栅极；以及(4)进行可选的热处理。在该可选的热处理中，衬底被加热到约300℃至1100℃的温度。

含原子氧的混合物优选地在化学、光化学或远程等离子体工序中产生，使得栅极不直接暴露在等离子体中。产生含原子氧的混合物的一种公知方法是在例如低于约30乇的低压下将分子氢(H₂)和分子氧(O₂)混合。这种工艺被公知为原位蒸气发生法(in-situ steam generation)(ISSG)或自由基强化快速热氧化法(FRE RTO)。在ISSG工艺中，温度优选地约为850℃至900℃，压力优选地为约10乇，氢气的量优选地为约10％数量密度(number density)或分压(即10乇的总压力中，H₂为1乇，O₂为9乇)，且处理时间优选地少于约10秒。含原子氧混合物还可以包括一种或多种惰性的气体或载气。

在含原子氧的混合物中，原子氧对分子氧之比优选地为约0.000001至100，更优选地为0.000001至10。在FRE RTO或ISSG氧化的优选实施例中，离解率为约0.1至0.01％，这相应于约0.001至0.0001的原子氧对分子氧之比。由于混合物的优选压力为10乇，所以原子氧的分压为1至10毫乇(mTorr)。此少量的原子氧能支持1至3/sec的氧化物差异生长率，这约比线性区中760乇下纯(干燥)分子氧的氧化速率快15倍。因此，为了获得至少比分子氧化的生长速率快10倍的原子氧化的生长速率，可以采用1至10毫乇的原子氧和760至1000乇的分子氧，这将导致约0.000001至0.00001的原子氧对分子氧之比。

替代地，可以在等离子放电中产生原子氧。高效等离子放电在低压下进行，具有约10％的较高离解分数，该低压通常为1至200毫乇。实际上，在优选的低压放电中，可以容易地将几乎所有分子氧离解。

因此，离解分数可以在从0.0001至100％的诸多数量级中变化。离解分数α定义为离解的氧分子的数量或氧原子的一半除以初始氧分子的数量或最终的氧分子数量加上氧原子的一半：

                    α＝[0]/(2[Q₂]+[O])原子氧对分子氧之比如下所示地与离解分数相关：

                    [O]/[O₂]＝2α/(1-α)当α为小量时，原子氧对分子氧之比简单地为2α。当离解分数达到了1或100％时，原子氧对分子氧之比达到无穷大。

实践中，非常难以达到98％以上的离解分数，因此可以将原子氧对分子氧之比限定为100。此外，没有达到这样的离解分数的特别的技术需要。实际上，与高电子密度放电中观察到的0.1至0.4的典型范围相比，0.8的离解分数可以被视为非常高。因此，原子氧对分子氧之比的优选范围可以略微缩小至0.000001至10。

有许多方式来测量原子氧的浓度。原子氧浓度的一个指示是化学反应速度(氧化物生长速率)。在300至1500K的通常温度范围下，原子氧的高化学势(～2eV)能加速化学反应达30个数量级。还可以采用等离子体光谱法来确定等离子体中各类别的ppm和ppb水平。

混合物中的原子氧浓度可以以下述形式确定：(a)原子氧在衬底上的碰撞通量(j)；或(b)原子氧在紧邻衬底周围的分压(p)；或(c)原子氧在紧邻衬底周围的浓度(n)。参数(b)和(c)通过理想气体(玻尔兹曼)关系相关：

                             p＝nkT其中，T为气体温度，k为玻尔兹曼常数。当氧原子的平均自由程(mean freepass)远小于特征容室尺寸(characteristic chamber dimension)时，它们可以作为测量原子氧含量的度量。此外，参数(a)通过公知的关系而与(c)相关：

$j=\frac{\mathrm{nv}}{4}$

其中，v为氧原子的平均速度。在分子束室中，平均自由程大于特征容室尺寸。在这些容室中，原子氧以原子/分子束的形式输运，其中压力的概念是不适当的。在这种情形下，参数(a)可以用于描述原子氧含量。为了本发明的目的，含原子氧混合物中原子氧的最小含量为以(a)、(b)或(c)的方式测量的原子氧的量，使得足以在给定的工艺温度和时间至少生长所需氧化膜的90％。也就是说，原子氧化的生长速率至少是观察到的生长速率的90％。注意到了离解分数可以在若干数量级中变化，同时依然满足原子氧最小数量的条件。例如，约10乇和约900℃的湿(水蒸汽)分子氧化在线性区中允许约0.05/sec的生长速率。为了满足最少原子氧需求，原子氧化速率在约900℃应当至少为0.5/sec。此氧化速率(900℃下0.5/sec)可以由晶片表面附近约1×10¹²cm^-3的原子氧支持，这相当于约0.12毫乇的原子氧分压，或者相当于撞击在晶片表面上的约4.3×10¹⁶cm^-2s^-1原子氧通量。注意，此情形中离解的最小分数约为0.001％。

虽然本发明已经结合特定优选实施例和其它替换实施例进行了具体说明，但是显然，在前述说明的教导下，各种替代、修改和变化对本领域技术人员而言均是明显的。因此，所附权利要求涵盖本发明的真实范围和精髓中的所有这种替换、修改和变化。

Claims (11)

1.一种形成氧化层的方法，该方法包括：

提供一半导体衬底，其具有至少两个有相异掺杂剂特性的区域；以及

通过将衬底暴露在包括原子氧和分子氧的气体混合物中来在该至少两个区域上形成均匀的氧化层，其中原子氧与分子氧之比约为0.000001至100。

2.如权利要求1所述的方法，其中，该至少两个区域具有相似的掺杂浓度，且该两个区域中的第一个掺以硼，该两个区域中的第二个掺以磷。

3.如权利要求1所述的方法，其中，该至少两个区域每个均掺以磷，且该两个区域中的第一个具有约1×10¹⁹cm^-3的掺杂水平，该两个区域中的第二个具有远大于约1×10¹⁹cm^-3的掺杂水平。

4.如权利要求1所述的方法，其中，该气体混合物具有大于约1×10¹¹cm^-3的原子氧浓度和小于约1×10¹⁸cm^-3的分子氧浓度。

5.如权利要求1所述的方法，还包括将衬底加热到约300℃至1100℃的温度的步骤。

6.如权利要求4所述的方法，其中，原子氧的浓度约为1×10¹²cm^-3。

7.如权利要求1所述的方法，其中，气体混合物具有约0.12毫乇的原子氧分压。

8.如权利要求1所述的方法，其中，原子氧在衬底上的撞击通量约为4.3×10¹⁶cm^-2s^-1。

9.如权利要求1所述的方法，其中，原子氧和分子氧的气体混合物利用原位蒸气发生(ISSG)工艺采用分子氢(H₂)和分子氧(0₂)形成。

10.如权利要求9所述的方法，其中，温度约为850℃至900℃，压力约为10乇，氢气的量约为10％数量密度，且处理时间少于约10秒。

11.一种形成氧化层的方法，该方法包括：

提供一半导体衬底，该半导体衬底具有至少两个区域，该至少两个区域具有相似的掺杂浓度，第一区掺以硼，第二区掺以磷；

将衬底加热到约300℃至1100℃的温度；以及

通过将衬底暴露在一气体混合物中来在该至少两个区域上形成均匀的氧化层，该气体混合物具有大于约1×10¹¹cm^-3的原子氧浓度、以及小于约1×10¹⁸cm^-3的分子氧浓度。

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