DE19622414C1

DE19622414C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Kompensation von Luftdruckschwankungen bei thermischen Oxidationsprozessen

Info

Publication number: DE19622414C1
Application number: DE1996122414
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr Schmalzbauer; Alfons Dipl Phys Roithmayer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1996-06-04
Filing date: 1996-06-04
Publication date: 1997-01-16
Anticipated expiration: 2016-06-05
Also published as: WO1997046744A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermischen Oxida tion von siliziumhaltigen Substraten, bei dem die silizium haltigen Substrate in einem Oxidationsofen einem Oxidations zyklus mit folgenden Schritten unterworfen werden:

a) Aufheizen der siliziumhaltigen Substrate,
b) Oxidieren der siliziumhaltigen Substrate im Sauerstoffgas fluß,
c) Abkühlen der siliziumhaltigen Substrate, wobei die auf den siliziumhaltigen Substraten gewünschte Oxiddicke über die Meß- und Regelgrößen Temperatur, Gasfluß raten, Gasmischungen und Oxidationszeit eingestellt wird. Ferner betrifft die Erfindung einen Horizontalofen, Vertikal ofen oder eine RTP-Anlage (Rapid Thermal Processing) mit einer Einfahrvorrichtung, einem Aufheizrohr mit Heizwicklungen oder Heizlampen, einem Gassystem sowie einer Meß- und Regelein heit.

Die thermische Oxidation ist ein seit langem bekanntes Ver fahren zur Erzeugung von SiO₂-Schichten auf siliziumhaltigen Substraten, wobei hier unter siliziumhaltigen Substraten so wohl Wafer als auch Siliziumschichten, insbesondere auch Po lysilizium, Siliziumnitrid und Metallsilizide verstanden wer den. Bei der thermischen Oxidation strömt ein oxidierendes Gas, in der Regel Sauerstoff unter Zusätzen von chlorhaltigen Gasen, über die heiße Siliziumoberfläche. Es entsteht eine zumeist amorphe, glasartige Schicht (Quarz) an der Oberfläche des siliziumhaltigen Substrates. Man unterscheidet dabei ei nerseits die sogenannte trockene Oxidation und andererseits die sogenannte feuchte Oxidation.

Bei der sogenannten trockenen Oxidation von Silizium erfolgt der Oxidationsprozeß in Sauerstoffatmosphäre nach der chemi schen Reaktion

Si_fest + O₂ gasförmig → SiO₂ fest.

Bei der sogenannten feuchten Oxidation gelangen Wassermolekü le zur Oberfläche des siliziumhaltigen Substrates. Bei der feuchten Oxidation erfolgt der Oxidationsprozeß nach der chemischen Reaktion:

Si_fest + 2H₂O → SiO₂_fest + 2H₂.

In der Praxis werden Verfahren angewandt, die je nach den An forderungen eine Abfolge der unterschiedlichen Oxidationspro zeß-Schritte (feuchte oder trockene Oxidation) ermöglichen. Die technischen Verfahren zur thermischen Oxidation werden im Bereich um 1000°C durchgeführt.

Ausgangspunkt für die vorliegende Erfindung war, daß bei der Inbetriebnahme von Öfen in Regensburg auffiel, daß bei glei chen Anlagen und unveränderten Prozessen die resultierenden Schichtdicken immer höher als die in München ermittelten Sollwerte ausfielen. Dies konnte darauf zurückgeführt werden, daß der herrschende Luftdruck in München und Regensburg un terschiedlich ist. München liegt 550 m über Meereshöhe, Re gensburg hingegen 330 m über Meereshöhe. Gemäß der barometri schen Höhenformel resultieren daraus mittlere Luftdrücke von 950 hPa in München bzw. 975 hPa in Regensburg.

Ferner kam es im Februar 1989 zu zunächst unerklärlichen Schwankungen in der Prozessierung von Feldoxiden. Dies konnte auf das sogenannte "Jahrhunderttief" zurückgeführt werden, was in Fig. 3 dargestellt ist. Insgesamt konnte festgestellt werden, daß bei Luftdruckschwankungen ein beachtlicher Ein fluß auf die Oxidationsdicken vorliegt, insbesondere, daß die Oxiddicken mit steigendem Luftdruck ungefähr linear zunehmen.

Dieser negative Einfluß der Luftdruckschwankungen auf die Oxiddicken führt generell zu einer zum Teil nicht hinnehm baren Schwankung in den Oxiddicken bzw. im Extremfall zur völligen Unbrauchbarkeit ganzer Lose in der Fertigung.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, das eingangs genannte Verfahren zur thermischen Oxidation von silizium haltigem Substrat dahingehend zu verbessern, daß es gegenüber Luftdruckschwankungen nahezu unempfindlich wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren ge löst, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß der Luftdruck gemessen wird und die aufgrund der auftretenden Schwankungen zu erwartenden Schwankungen der Oxiddicken über die Regelung zumindest einer der Meß- und Regelgrößen Temperatur, Gasfluß raten, Gasmischungen und Oxidationszeit kompensiert werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfin dung wird der Luftdruck vor einem Oxidationszyklus gemessen und danach die Meß- und Regelgrößen eingestellt.

Alternativ kann aber auch der Luftdruck permanent gemessen werden und die Meß- und Regelgrößen kontinuierlich nachge regelt werden.

In allen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Meß- und Regelgrößen zweckmäßigerweise automatisch mittels eines Algorithmus gesteuert und die Erfassung und Be rücksichtigung des Luftdruckes ist in diesen Algorithmus in tegriert.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Ver fahrens besteht aus einem Horizontalofen, Vertikalofen oder einer RTP-Anlage, mit einer Einfahrvorrichtung, einem Auf heizrohr mit Heizwicklungen oder Heizlampen, einem Gassystem sowie einer Meß- und Regeleinheit, wobei am Standort der Anlage ein Barometer angeordnet ist, das mit der Meß- und Regeleinheit in Verbindung steht. Die Meß- und Regeleinheit steuert dabei unter Berücksichtigung des mit einem Präzi sionsbarometer gemessenen Luftdruckes die Oxidationszyklen durch die Meß- und Regelgrößen Temperatur, Gasflußraten, Gasmischungen und Oxidationszeit.

Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise veran schaulicht und anhand der Fig. 1 und 2 beschrieben:

Fig. 1 zeigt einen typischen Oxidationszyklus bei der Erzeugung einer ungefähr 20 nm dicken SiO₂-Schicht, die als Gateoxid fungiert. Dabei werden die zu oxidierenden siliziumhaltigen Substrate, in der Regel Wafer, in einen zumeist horizontalen Rohrofen eingefahren, anschließend aufgeheizt und unter Zufuhr von trockenem Sauerstoff mit einem Zusatz von einigen Volumenprozent eines chlorhaltigen Gases oxidiert, anschließend unter einer Schutzgasatmosphäre getempert, danach abgekühlt und schließlich aus dem Rohrofen herausgefahren.

Von besonderer Bedeutung ist hierbei, daß die siliziumhalti gen Substrate langsam aufgeheizt und langsam abgekühlt wer den, um im kritischen Temperaturbereich zwischen 600 und 1250°C radiale Temperaturgradienten über die Siliziumscheiben zu vermeiden. Dieses besondere Aufheizen und Abkühlen nennt man Ramping.

Die Temperung im Schutzgas, Stickstoff oder Argon, nach der Oxidation dient zur Eliminierung bzw. Reduzierung der festen Grenzflächenladungen und der Traps in der Oxidschicht.

Die Oxidation wird in der Regel in einem Rohrofen durchge führt, wie er in der Fig. 2 dargestellt ist. Dieser Rohrofen 1 weist eine reibfreie Einfahrvorrichtung 2 auf, mit der die siliziumhaltigen Substrate in den Rohrofen 1 eingefahren und ausgefahren werden. Der Rohrofen 1 besteht in seiner Haupt sache aus einem Quarzrohr 3, das mit Heizwicklungen 4 umgeben ist. An einem Ende befindet sich eine Brenner 5, der für die hier durchgeführte Feuchtoxidation aus Gründen einer besseren Kontrollierbarkeit H₂ und O₂ am Rohreingang 6 zu H₂O ver brennt. Die Einfahrvorrichtung 2 ist reibfrei, um beim Ein- und Ausfahren des Quarzbootes 7 mit den siliziumhaltigen Substraten 8 einen Abrieb zwischen dem Quarzboot 7 und dem Rohr und damit Partikel zu vermeiden. Die Einfahrvorrichtung ist demnach als Einschwebevorrichtung ausgeführt, die entwe der das Quarzboot 7 während der Oxidation schwebend hält oder dieses in der Rohrmitte absetzt und dann wieder ausfährt. Ferner ist an dem Rohreingang 6 ein Gassystem 12 angeordnet mit dem das Oxidationsgas O₂ sowie Wasserstoff H₂ und Chlor wasserstoff HCl sowie für das Tempern Stickstoff N₂ bzw. Argon Ar zugeführt werden. Die eingeleiteten Gase werden durch die Öffnung 11 abgesaugt. Schließlich ist die gesamte Rohrofenanlage (1, 2, 12) zu ihrer Steuerung mit einem Meß- und Regelsystem 9 verbunden.

An das Meß- und Regelsystem 9 ist ein Präzisionsbarometer 10 mit einer dazugehörigen Versorgungseinheit (nicht gezeigt) angeschlossen. Das Präzisionsbarometer 10 liefert dabei Sig nale in Form von elektrischen Spannungen, die proportional zur Abweichung eines festgehaltenen Normalwertes sind, an das Meß- und Regelsystem 9. Diese Signale werden dort von einem Algorithmus, der den Oxidationszyklus steuert, über Regelung von Temperatur und/oder Gasflußraten und/oder Oxidationszeit weiterverarbeitet, so daß eine konstante Oxiddicke erzielt wird.

Claims

1. Verfahren zur thermischen Oxidation von siliziumhaltigen Substraten, bei dem die siliziumhaltigen Substrate in einem Oxidationsofen einem Oxidationszyklus mit folgenden Schritten unterworfen werden:

a) Aufheizen der siliziumhaltigen Substrate,
b) Oxidieren der siliziumhaltigen Substrate im Sauerstoffgas fluß,
c) Abkühlen der siliziumhaltigen Substrate, wobei die auf den siliziumhaltigen Substraten gewünschte Oxiddicke über die Meß- und Regelgrößen Temperatur, Gasfluß raten, Gasmischungen und Oxidationszeit eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftdruck gemessen wird und die aufgrund der auftre tenden Schwankungen des Luftdruckes zu erwartenden Schwankun gen der Oxiddicken über die Regelung zumindest einer der be sagten Meß- und Regelgrößen kompensiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftdruck vor einem Oxidationszyklus gemessen wird und daß danach die Meß- und Regelgrößen eingestellt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftdruck permanent gemessen wird und die Meß- und Regelgrößen kontinuierlich nachgeregelt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meß- und Regelgrößen automatisch mittels eines Algorithmus gesteuert werden und daß die Erfassung und Berücksichtigung des Luftdruckes in diesen Algorithmus integriert ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß beim Oxidieren der siliziumhaltigen Substrate ein chlor haltiges Gas zugeführt wird und/oder zwischen Oxidieren und Abkühlen der siliziumhaltigen Substrate diese in einer Schutzgasatmosphäre getempert werden.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-4, bestehend aus einem Horizontalofen, Verti kalofen oder einer RTP-Anlage mit einer Einfahrvorrichtung, einem Aufheizrohr mit Heizwicklungen oder Heizlampen, einem Gassystem sowie einer Meß- und Regeleinheit, dadurch gekennzeichnet, daß am Standort der Anlage ein Barometer angeordnet ist, das mit der Meß- und Regeleinheit in Verbindung steht, und daß die Meß- und Regeleinheit unter Berücksichtigung des Luft druckes die Oxidationszyklen über die Meß- und Regelgrößen Temperatur, Gasflußraten, Gasmischungen und Oxidationszeit steuert.