DE19915156A1 - Verfahren zur Herstellung dünner gleichförmiger Oxidschichten auf Silizium-Oberflächen - Google Patents
Verfahren zur Herstellung dünner gleichförmiger Oxidschichten auf Silizium-OberflächenInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung dünner gleichförmiger Oxidschichten auf Silizium-Oberflächen. DOLLAR A Innerhalb der nächsten 10 Jahre werden sich die lateralen Abmessungen von Silizium-Bauelementen auf etwa 200 Atomabstände und die vertikalen Ausdehnungen der Dotierungsprofile auf etwa 50 Atomabstände verringern. Das erfordert unter anderem atomar glatte ultradünne Oxidschichten auf Silizium-Oberflächen, beispielsweise Gate-Oxide. DOLLAR A Es ist somit Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung dünner gleichförmiger Oxidschichten auf Silizium-Oberflächen vorzuschlagen, das zur Realisierung von Oxiddicken kleiner als 6 nm geeignet ist. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß eine Silizium-Oberfläche mit erhöhter Zugspannung und hoher Glattheit oxydiert wird.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung dünner gleichförmiger Oxidschichten auf
Silizium-Oberflächen.
Innerhalb der nächsten 10 Jahre werden sich die lateralen Abmessungen von Silizium-
Bauelementen auf etwa 200 Atomabstände und die vertikalen Ausdehnungen der Dotierungs
profile auf etwa 50 Atomabstände verringern. Das erfordert unter anderem atomar glatte ultra
dünne Oxidschichten auf Silizium-Oberflächen, beispielsweise Gate-Oxide.
Während die SIA National Technology Roadmap for Semiconductors 1994 noch eine anzustre
bende minimale Dicke der Gate-Oxide, d. h. der Gate-Isolatordicke von etwa 3 nm vorher
sagte, prophezeit die 1997 erschienene Ausgabe eine weitergehende Verringerung der Gate-
Isolatordicke. Das Unterschreiten einer Gate-Oxiddicke von 3 nm hängt maßgeblich von der
Fähigkeit ab, ultradünne SiO2-Schichten herstellen, charakterisieren und deren Interface-
Struktur beeinflussen zu können.
Sobald die Gate-Oxiddicke einen Wert von 6 nm unterschreitet, wird das Übergangsgebiet
zwischen dem Si-Substrat und der SiO2-Schicht ein signifikanter Teil der Oxidschicht. Daraus
folgt unmittelbar, daß die Mikrostruktur der Oberfläche und die Interface-Rauheit einen er
heblichen Einfluß auf die Qualität der Oxidschicht bei weiterer Verringerung ihrer Dicke ha
ben.
Es ist somit Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung dünner gleichförmiger
Oxidschichten auf Silizium-Oberflächen vorzuschlagen, das zur Realisierung von Oxiddicken
kleiner als 6 nm geeignet ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß eine Silizium-Oberfläche mit er
höhter Zugspannung und hoher Glattheit oxydiert wird.
Bei der Oxydation einer Silizium-Oberfläche mit erhöhter Zugspannung kommt es leichter zu
einem Spannungsabbau in der Oxidschicht, so daß deren geforderte Qualität bereits bei niedri
gen Reaktionstemperaturen realisiert werden kann, d. h. der technologische Vorteil liegt auch
in einem geringen thermischen Budget. Die hohe Glattheit der Oberfläche, d. h. eine Oberflä
che ohne Inseln, bewirkt eine homogene Verteilung des oxydierenden Mediums und damit eine
glatte Interface.
Durch Änderung der Orientierung des Siliziumsubstrats wird die Dicke und Homogenität der
Oxidschicht vorteilhaft beeinflußt. Eine Si(113)-Oberfläche ist thermisch stabil, atomar glatt
und bietet zahlreiche Bindungsmöglichkeiten. Sie liegt zwischen den Orientierungen (001) und
(111) und kann als dicht gestufte (001)- oder (111)-Oberfläche angesehen werden. Ihre Kri
stallographie ist dadurch gekennzeichnet, daß sich bei der Oberflächenrekonstruktion eine hohe
Zugspannung ausbildet.
Die Tatsache, daß eine hohe Spannung auf der sauberen Oberfläche entsteht und dort existie
ren kann, weist darauf hin, daß die atomare Geometrie der (113)-Fläche (zwischenatomare
Abstände, Richtungen, Winkel zwischen dieser Fläche und den Bindungen) vorteilhaft ist für
die Ausbildung von Schichten mit hoher Glattheit und mit Gitterkonstanten, die größer sind als
die des Siliziums. Das wird unter anderem auch durch die Entstehung von (113)-
Planardefekten infolge der Adsorption von Antimon auf Si(113) belegt.
Die erhöhte Zugspannung, die atomare Glattheit und eine reduzierte Diffusionsfähigkeit der
Reduktionsprodukte bei der Oxydation sind die Gründe dafür, weshalb atomar glatte Oxid
schichten leicht auf Si(113)-Oberflächen wachsen können.
Während die Sauerstoffadsorption auf der Si(001)-Oberfläche hauptsächlich an metallischen
C-Defekten stattfindet und bereits bei Raumtemperatur eine Ejektion von Si-Atomen sowie die
Bildung von Si-Inselkeimen beobachtet werden, findet auf der Si(113)-Oberfläche wegen der
hohen Zugspannung weder eine Ejektion von Si-Atomen noch eine Oberflächendiffusion der
Si-Atome statt. Die Folge ist, daß die Si(113)-Oberfläche bei Raumtemperatur keine Aufrau
hung erfährt. Durch die Oxydation der Si(113)-Oberfläche in zwei Schritten, nämlich durch
eine Voroxydation bei niedriger Temperatur, z. B. bei 25°C, um zunächst eine glatte Inter
face zu erhalten, und anschließend durch Oxydation bei hoher Temperatur, z. B. bei 600°C,
gelingt es, eine dünne Oxidschicht hoher Qualität zu erzeugen. Bei thermischer Oxydation
zeigt sich anfänglich ein bevorzugtes Schichtwachstum in [110]-Richtung, d. h. die Oxydation
verläuft in diesem Stadium quasi-epidaktisch. In einer Abwandlung des Verfahrens wird auf
einer Si(001)-Oberfläche durch geeignete Präparation, z. B. mechanische Deformation, Ätzen
oder lokale Spannungsfelder, insbesondere durch Nitride eine Zugspannung erzeugt. Anschlie
ßend wird die verspannte Si(001)-Oberfläche unter ähnlichen Bedingungen wie die Si(113)-
Oberfläche oxydiert, wobei die Ejektion und die Diffusion von Si-Atomen, die die Aufrauhung
der Oberfläche bewirken, verringert bzw. unterdrückt werden.
Die experimentellen Beweise für das Oxydationsverhalten von Silizium-Oberflächen mit er
höhter Zugspannung wurden unter Ultrahochvakuumbedingungen bei Sauerstoffpartialdrücken
≦ 1.10-6 mbar und Temperaturen im Bereich von 25°C und 600°C gewonnen. Die Ergebnisse
sollten auf andere Oxydationsverfahren übertragbar sein.
Die Merkmale der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung
hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von
Unterkombinationen schutzfähige Ausführungen darstellen, für die hier Schutz beansprucht
wird. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden näher erläutert.
In diesem Ausführungsbeispiel wird eine Si(113)-Oberfläche durch orientiertes Schneiden ei
nes Silizium-Einkristalls erzeugt. Die Oxydation erfolgt unter Ultrahochvakuumbedingungen bei
Sauerstoffpartialdrücken ≦ 1.10-6 mbar in zwei Schritten. Der erste Schritt besteht in einer
Voroxydation bei einer Temperatur von 25°C und der zweite Schritt in einer thermischen
Oxydation bei einer Temperatur von ca. 600°C. Auf Grund der speziellen Bindungsgeo
metrien auf der Si(113)-Oberfläche findet in der Anfangsphase eine bevorzugte Oxydation in
[110]-Richtung statt. Es entsteht eine sehr dünne und glatte Oxidschicht.
Bei Anwendung anderer, technologisch relevanter Oxydationsverfahren sind die gleichen Er
gebnisse zu erwarten.
In diesem Ausführungsbeispiel wird auf der Si(001)-Oberfläche durch geeignete Präparation
eine Zugspannung erzeugt. Eine derartige Präparation ist z. B. eine mechanische Deformation,
Ätzen oder die Herstellung lokaler Spannungsfelder.
In diesem Ausführungsbeispiel wird, wie in Fig. 1 schematisch dargestellt, auf der Si(001)-
Oberfläche eine Nitridmaske 1, bestehend aus einer Si3N4-Schicht, erzeugt. Diese Nitrid
maske 1 besitzt mehrere, etwa quadratische Öffnungen 2 mit einer Breite ≦ 100 nm. Auf der
Si(001)-Oberfläche wird anschließend durch die Öffnungen 2 eine Gate-Oxydation unter Zug
spannung durchgeführt. Diese führt ebenfalls, wie auf der Si(113)-Oberfläche im ersten Aus
führungsbeispiel, zu einer verringerten Rauheit in der Anfangsphase der Oxydation. Die Oxy
dation erfolgt unter ähnlichen Bedingungen wie auf der Si(113)-Oberfläche.
In der vorliegenden Beschreibung wurde anhand konkreter Ausführungsbeispiele ein Verfahren
zur Herstellung dünner gleichförmiger Oxidschichten auf Silizium-Oberflächen erläutert. Es
sei aber vermerkt, daß die vorliegende Erfindung nicht auf die Einzelheiten der Beschreibung
im Ausführungsbeispiel beschränkt ist, da im Rahmen der Ansprüche Änderungen und Ab
wandlungen beansprucht werden.
Claims (20)
1. Verfahren zur Herstellung dünner gleichförmiger Oxidschichten auf Silizium
oberflächen, dadurch gekennzeichnet, daß die Silizium-Oberfläche mit erhöhter Zug
spannung oxydiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Silizium-Oberfläche mit
natürlicher Zugspannung oxydiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Silizium-Oberfläche mit
einer durch eine Präparation verursachte erhöhte Zugspannung oxydiert wird.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Si(113)-Oberfläche oxydiert wird.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß auf einer Si(001)-Oberfläche eine Zugspannung erzeugt wird.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Zugspannung mittels mechanischer Deformation erzeugt wird.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die Zugspannung mittels Ätzen erzeugt wird.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die Zugspannung mittels lokaler Spannungsfelder erzeugt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsfelder durch
eine Nitridmaske (1) auf der Silizium-Oberfläche erzeugt werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Nitridmaske (1) minde
stens eine Öffnung (2) aufweist.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Nitridmaske (1)
mehrere Öffnungen (2) aufweist.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (2)
etwa quadratisch ist.
13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeich
net, daß die Öffnung (2) eine Breite ≦ 100 nm aufweist.
14. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet,
daß die Oxydation bei einer Raumtemperatur (25°C) erfolgt.
15. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet,
daß die Oxydation in einem Bereich von 500°C bis 700°C, vorzugsweise bei 600°C
erfolgt.
16. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet,
daß die Oxydation in mehreren Schritten durchgeführt wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxydation in einem
ersten Schritt bei einer niedrigen Temperatur, insbesondere bei einer Temperatur von
25°C durchgeführt wird.
18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxydation in
einem weiteren Schritt bei einer hohen Temperatur, insbesondere bei einer Temperatur
von 600°C durchgeführt wird.
19. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet,
daß die Silizium-Oberfläche bis zu einer Dicke 6 ≦ nm oxydiert wird.
20. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet,
daß die Silizium-Oberfläche bis zu einer Dicke 3 ≦ nm oxydiert wird.
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HWANG,Chan-Cuk, et.al.: Alkali metal promoted oxidation of the Si(113) surface. In: Thin Solid Films 341, 1999, S.156-159 * |
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WPIDS Abstract, Ref. 1991-278555/38 zu JP 03185724 A * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
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WO2000059016A3 (de) | 2001-04-26 |
WO2000059016A2 (de) | 2000-10-05 |
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