DE19983456B4 - Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung
mit einem Schritt a) des Erhitzens eines Halbleiterwafers in einem Diffusionsofen (1), der zur Bildung eines thermischen Oxidfilms auf dem Halbleiterwafer geeignet ist, und
mit einem Schritt b) des Transferierens des Halbleiterwafers von dem Diffusionsofen (1) in eine Ladeverriegelungskammer (6) nach dem Schritt a), wobei
der Diffusionsofen (1) über eine Schleuse (G1) mit der Ladeverriegelungskammer (6) in Verbindung steht,
die Ladeverriegelungskammer (6) vor dem Schritt b) erst abgesaugt und dann bei geschlossener Schleuse (G1) mit Stickstoffgas gefüllt wird,
der Halbleiterwafer sich vor dem Schritt b) in dem Diffusionsofen (1) bei geschlossener Schleuse (G1) in einer Gasatmosphäre befindet, die ein Gasgemisch aus Stickstoff und Sauerstoff enthält, wobei
im Gasgemisch der Sauerstoff in einer derartigen Menge mit dem Stickstoff gemischt wird, dass die Dicke des Oxidfilms im Wesentlichen konstant bleibt, wenn der Halbleiterwafer bei geöffneter Schleuse (G1) von dem Diffusionsofen...

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung mit einem Schritt zur Bildung eines thermischen Oxidfilms. Speziell betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung, wodurch ein qualitativ hochwertiger thermischer Oxidfilm gebildet werden kann.
  • Im allgemeinen wird ein thermischer Oxidfilm zum Beispiel mit einem vertikalen Diffusionsofen 10 gebildet, wie in 3 gezeigt. Dieser vertikale Diffusionsofen enthält einen zylindrischen Diffusionsofen 1 aus einer Quarzröhre, deren unteres Ende offen ist. Zur thermischen Oxidation wird zuerst eine Wafer-Wanne 3, auf der eine Mehrzahl von Halbleiterwafern angeordnet ist, über die Öffnung eingeführt, die dann geschlossen wird. Der Diffusionsofen 1 wird extern mit einer Heizvorrichtung 4, die den Diffusionsofen 1 umschließt, erwärmt. Während dieser Zustand aufrechterhalten wird, werden über einen Gaseinlaß 5 am oberen Ende des Diffusionsofens 1 Gase, wie etwa Stickstoff N2, Sauerstoff O2 und Dampf H2O in den Diffusionsofen 1 eingeleitet, um die Halbleiterwafer auf der Wafer-Wanne 3 thermisch zu oxidieren.
  • Eine Gasatmosphäre wie etwa aus Stickstoff N2, Sauerstoff O2 und Dampf H2O wird entsprechend in jedem einer Folge von Schritten in den Diffusionsofen 1 eingeleitet, enthaltend folgende Schritte: Einführen der Wafer-Wanne 3 in der Diffusionsofen 1; Stabilisieren einer internen Temperatur des Ofens; Oxidieren, um einen Oxidfilm zu bilden; Erwärmen; und Entfernen der Wafer-Wanne 3 aus dem Ofen. Speziell wird nach der Erwärmung die Wafer-Wanne 3 bei einer Atmosphäre aus hochreinem Stickstoff entfernt, um weitere Oxidation zu verhindern.
  • Ein derartiges Verfahren zur Bildung eines thermischen Oxidfilms unter Verwendung des vertikalen Diffusionsofen 10 ist jedoch zum Beispiel was die Lebensdauer des resultierenden thermischen Oxidfilms in Bezug auf Brechen betrifft, unzureichend.
  • Folglich sind eine Reihe von thermischen Oxidationen unter Verwendung eines Diffusionsofens durchgeführt worden, der mit einer Ladeverriegelungskammer ausgestattet ist, einem sogenannten „Ladeverriegelungsdiffusionsofen", wie in der japanischen Patentveröffentlichung 4-329 630 beschrieben, und zwar im Lichte der Tatsache, dass in einem Verfahren, bei dem ein herkömmlicher Diffusionsofen verwendet wird, Sauerstoff und andere Verunreinigungsgase sowie Partikel in der Luft in den Gasatmosphären enthalten sind, wobei die Luft während des Einführens eines Halbleiterwafers in den Diffusionsofen 1, der aus einer Quarzröhre gebildet ist, oder während des Entfernens des Halbleiterwafers aus dem Diffusionsofen 1 mitgenommen wird.
  • Der Ladeverriegelungsdiffusionsofen 100 enthält eine Ladeverriegelungskammer 6 an einem unteren Öffnungsbereich des Diffusionsofens 1 aus einer Quarzröhre, wie in 1 gezeigt. Diese Ladeverriegelungskammer 6 enthält ferner eine Pumpe DP zum Entgasen sowie ein Gate G1 zur Trennung des Diffusionsofens 1 von der Ladeverriegelungskammer 6, ein Gate G2 zur Trennung der Ladeverriegelungskammer 6 von der äußeren Atmosphäre und einen Gaseinlaß 7 zur Zuführung von Stickstoffgas in die Ladeverriegelungskammer 6.
  • Unter Verwendung des Ladeverriegelungsdiffusionsofens 100 erfolgt eine thermische Oxidation folgendermaßen: Zuerst wird in dem Diffusionsofen 1 eine Oxidation bei einer hochreinen Atmosphäre aus Wasserstoff und Sauerstoff durchgeführt. Nach dem Ersetzen der Gasatmosphäre im Diffusionsofen 1 mit hochreinem Stickstoff wird das System gekühlt. Es wird dann die Pumpe DP eingeschaltet, um die Verriegelungskammer 6 abzusaugen, Stickstoffgas über den Gaseinlaß 7 eingeführt, das Gate G1 geöffnet und die Wafer-Wanne 3 in die Ladeverriegelungskammer 6 eingeführt.
  • Wie oben beschrieben wird ein Kühlschritt und ein Entfernungsschritt bei einer hochreinen Stickstoffatmosphäre durchgeführt, die frei von Verunreinigungsgasen wie etwa Sauerstoff oder Partikeln in der Luft ist.
  • Man hat jedoch herausgefunden, dass bei diesem Verfahren zur Bildung eines thermischen Oxidfilms in einer SiO2/Si-Verbindung eine Spannung auftritt, aufgrund einer an der Grenzfläche zwischen einem thermischen Oxidfilm und einem Siliziumsubstrat erzeugten Spannung während des Kühl- und Entfernungsschrittes, wodurch ein Isolationsfilm für Spannungen anfällig wird. Ferner hat eine Bestimmung einer Lebensdauer des gebildeten thermischen Oxid films gezeigt, dass diese signifikant reduziert ist, im Vergleich zu einem thermischen Oxidfilm, der durch ein Verfahren gebildet wird, bei dem ein herkömmlicher vertikaler Diffusionsofen 10, wie in 3 gezeigt, verwendet wird.
  • Die JP 07054125 A beschreibt einer Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung mit einem Schritt a) des Erhitzers eines Halbleiterwafers in einem Diffusionsofen, der zur Bildung eines thermischen Oxidfilms auf dem Halbleiterwafer geeignet ist, und mit einem Schritt b) des Transferierens des Halbleiterwafers von dem Diffusionsofen in eine Ladeverriegelungskammer nach dem Schritt a), wobei der Diffusionsofen über eine Schleuse mit der Ladeverriegelungskammer in Verbindung steht, die Ladeverriegelungskammer vor dem Schritt b) abgesaugt wird, und der Halbleiterwafer sich vor dem Schritt b) in dem Diffusionsofen bei geschlossener Schleuse in einer Gasatmosphäre befindet, die zumindest Sauerstoff enthält.
  • Die JP 05102132 A betrifft ein Verfahren zur Bildung eines Oxidfilms unter Verwendung einer Gasatmosphäre aus Stickstoff und Sauerstoff während des Einführens eines Halbleiterwafers in den Ofen.
  • Die US 5,352,636 betrifft ein Verfahren zum Reinigen einer Siliziumoberfläche, um Verunreinigungen zu beseitigen und dann über der gereinigten Siliziumoberfläche eine Polysiliziumschicht oder eine Oxidschicht zu bilden.
  • Die US 4,784,975 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung mit einem Schritt des Erhitzens des Halbleiterwafers in einem Diffusionsofen, der zur Bildung eines thermischen Oxidfilms auf dem Halbleiterwafer geeignet ist, wobei sich der Halbleiterwafer nach dem Schritt des Erhitzens in dem Diffusionsofen in einer Gasatmosphäre befindet, die ein Gasgemisch aus Stickstoff und Sauerstoff enthält, und im Gasgemisch der Sauerstoff in einer derartigen Menge mit dem Stickstoff gemischt wird, dass die Dicke des Oxidfilms nach dem Schritt des Erhitzens im Wesentlichen konstant bleibt.
  • Die US 5,328,360 beschreibt ein Verfahren einer Halbleitervorrichtung mit einem Schritt a) des Erhitzens eines Halbleiterwafers in einem Diffusionsofen, der zur Bildung eines thermischen Oxidfilms auf dem Halbleiterwafer geeignet ist, und mit einem Schritt b) des Transferierens des Halbleiterwafers von dem Diffusionsofen in eine Ladeverriegelungskammer nach dem Schritt a), wobei der Diffusionsofen über eine Schleuse mit der Ladeverriegelungskammer in Verbindung steht, die Ladeverriegelungskammer vor dem Schritt b) erst abgesaugt und dann bei geschlossener Schleuse mit Stickstoff gefüllt wird, der Halbleiterwafer sich vor dem Schritt b) in den Diffusionsofen bei geschlossener Schleuse in einer Gasatmosphäre aus Stickstoff befindet und die Dicke des Oxidfilms im Wesentlichen konstant bleibt, nachdem der Halbleiterwafer vor dem Schritt b) in eine Gasatmosphäre aus Stickstoff gebracht wurde, insbesondere, wenn der Halbleiterwafer bei geöffneter Schleuse von dem mit Stickstoff gefüllten Diffusionsofen in die mit Stickstoff gefüllte Ladeverriegelungskammer transferiert wird.
    •
  • Um die oben genannten Probleme beim Stand der Technik zu lösen, ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung bereitzustellen, die einen qualitativ hochwertigen thermischen Oxidfilm zur Verfügung stellen kann.
  • Nach einer Untersuchung der oben genannten Probleme bei einem thermischen Oxidationsfilm hat sich ergeben, dass diese Probleme durch eine reduzierte Reinheit der Gasatmosphäre aus Stickstoff (N2) während des Abkühl- oder Entfernungsschritts hervorgerufen wird, und dass diese Probleme gelöst werden können, indem eine geringe Menge Sauerstoff O2 mit dem hochreinen N2-Gas gemischt wird, während bei diesen Schritten Verunreinigungen in der Luft eliminiert werden.
  • Diese Erfindung, die die oben genannten Aufgaben lösen kann, stellt ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung bereit mit einem Schritt zum Erhitzen eines Halbleiterwafers in einem Diffusionsofen, der mit einer Ladeverriegelungskammer ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet, dass während des Entfernens des Wafers aus dem Diffusionsofen eine Gasatmosphäre für den Halbleiterwafer ein Gemisch aus Stickstoffgas und Sauerstoffgas ist, in einer derartigen Dosis, dass die Dicke des Oxidfilms auf dem Halbleiterwafer im wesentlichen konstant ist.
  • Bei dem Verfahren wird nach dem Erwärmen der Diffusionsofen auf eine vorbestimmte interne Temperatur abgekühlt, bevor der Halbleiterwafer aus dem Diffusionsofen entfernt wird. Während des Abkühlens ist die Gasatmosphäre in dem Diffusionsofen ebenfalls ein Gasgemisch.
  • Während sich der Halbleiterwafer in dem Diffusionsofen befindet, wird die Ladeverriegelungskammer abgesaugt, bevor ein Stickstoffgas zugeführt wird. Der Halbleiterwafer wird dann in die Ladeverriegelungskammer transferiert, während das Gasgemisch in die Ladeverriegelungskammer geleitet wird.
  • Das Verfahren enthält ferner einen Schritt zum Transferieren des Halbleiterwafers von der Ladeverriegelungskammer in den Diffusionsofen. Das oben genannte Gasgemisch wird ebenfalls als Gasatmosphäre für den Halbleiterwafer während des Transferierens verwendet und während einer Vorbereitungsverarbeitung in dem Diffusionsofen vor Beginn des Erwärmens. Der vorbereitende Schritt umfasst einen Schritt zum Erwärmen des Diffusionsofens auf eine vorbestimmte interne Temperatur und einen Schritt zum Stabilisieren der internen Temperatur des Diffusionsofens nach dem Erwärmen.
  • Das Gasgemisch enthält 0,1 bis 10 % Sauerstoff.
  • Die verwendeten Stickstoff- und Sauerstoffgase weisen eine hohe Reinheit von ungefähr 99,999 % oder höher auf.
    •
  • 1 zeigt schematisch eine Anordnung eines beispielhaften Ladeverriegelungsdiffusionsofens, der bei der Erfindung verwendet wird;
  • 2 zeigt eine kumulative Störrate gegenüber einer Spannungsanwendzeit, wobei die Ergebnisse einer TDDB-Auswertung gezeigt sind; und
  • 3 zeigt schematisch eine Anordnung eines beispielhaften herkömmlichen vertikalen Diffusionsofens.
  • Im folgenden werden einige Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung beschrieben.
  • 1 zeigt schematisch eine Anordnung eines bei der Erfindung verwendeten Ladeverriegelungsdiffusionsofens 100. Der Ladeverriegelungsdiffusionsofen 100 enthält einen Diffusionsofen 1 aus einer Quarzröhre, deren unteres Ende offen ist, und eine Ladeverriegelungskammer 6 an der Öffnung des Diffusionsofens 1.
  • Zur thermischen Oxidation eines Halbleiterwafers wird zuerst eine Wafer-Wanne 3, auf der eine Mehrzahl von Halbleiterwafern angeordnet sind, in den Diffusionsofen eingeführt und dann der Diffusionsofen 1 extern mittels eines Heizers 4, der den Diffusionsofen 1 umgibt, erwärmt. Während dieser Zustand aufrecht erhalten wird, werden Gase, wie etwa Stickstoff N2, Sauerstoff O2 und Dampf H2O in den Diffusionsofen 1 über einen Gaseinlaß 5 eingeführt, der mit dem oberen Ende des Diffusionsofens 1 verbunden ist. Folglich werden die Gase, die über den Gaseinlaß 5 zugeführt werden, der Reihe nach über eine Entlüftung (nicht gezeigt) abgesaugt, während die Halbleiterwafer einer thermischen Oxidation unterzogen werden.
  • Die Ladeverriegelungskammer 6 enthält ein Schaltgate/eine Schleuse G1 zur Trennung des Diffusionsofens 1 von der Ladeverriegelungskammer 6 und ein Gate G2 zum Einführen der Wafer in die Ladeverriegelungskammer 6. Sie enthält ferner eine Pumpe DP zur Entgasung, sowie einen Gaseinlaß 7, um Stickstoff N2-Gas zuzuführen.
  • Eine Gasatmosphäre wie etwa aus Stickstoff N2, Sauerstoff O2 und Dampf H2O wird entsprechend bei jedem Schritt von einer Sequenz von Schritten in den Diffusionsofen 1 eingeführt, enthaltend folgende Schritte: Einführen der Wafer-Wanne 3 in den Diffusionsofen 1; Erwärmen des Ofens auf eine gewünschte interne Temperatur; Stabilisieren der internen Temperatur des Ofens; Oxidieren zur Bildung eines Oxidfilms; Erwärmen; Abkühlen des Ofens auf eine gegebene interne Temperatur; und Entfernen der Wafer-Wanne 3 aus dem Ofen.
  • Zum Einführen der Wafer-Wanne 3 in den Diffusionsofen 1 wird zuerst das Gate G1 geschlossen, die Wafer-Wanne 3 in die Ladeverriegelungskammer 6 eingeführt, das Gate G2 geschlossen und dann die Atmosphäre in der Ladeverriegelungskammer 6 von Luft in Stickstoffgas geändert. Folglich wird erst nach der Trennung der Wafer-Wanne 3 von Luft das Gate G1 geöffnet und die Wafer-Wanne 3 dann in den Diffusionsofen 1 transferiert.
  • Andererseits wird zum Entfernen der Wafer-Wanne 3 aus dem Diffusionsofen 1 Stickstoffgas in die Ladeverriegelungskammer 6 eingeleitet, die Wafer-Wanne 3 von dem Diffusionsofen 1 in die Ladeverriegelungskammer 6 transferiert und dann die Wafer-Wanne 3 aus der Ladeverriegelungskammer entfernt.
  • Im folgenden wird ein Verfahren zur Bildung eines thermischen Oxidfilms beschrieben, unter Verwendung des oben genannten Diffusionsofens 100 vom Ladeverriegelungstyp. Bei dem Verfahren sind Stickstoff N2 und Sauerstoff O2, die in den Diffusionsofen 1 und die Ladeverriegelungskammer 6 eingeleitet werden, hochreine Gase mit einer Reinheit von 99,999% oder höher.
  • In den Diffusionsofen 1 werden Stickstoff N2 und eine geringe Menge Sauerstoff O2 über den Gaseinlaß 5 eingeleitet, um den Ofen bei einer Temperatur von 700°C mit einer hochreinen Gasatmosphäre aus N2 99 % und Sauerstoff O2 1 % zu füllen. Das Gate G1 wird geschlossen, um den Diffusionsofen 1 in einem Stand-by-Zustand zu halten.
  • Während das Gate G1 geschlossen ist, wird das Gate G2 geöffnet und die Wafer-Wanne 3 in der Luft, auf der die Halbleiterwafer angeordnet sind, in die Ladeverriegelungskammer 6 transferiert.
  • Das Gate G2 wird dann geschlossen, die Ladeverriegelungskammer 6 versiegelt und die Pumpe DP zur Entgasung eingeschaltet, um die Ladeverriegelungskammer 6 abzusaugen. Über den Gaseinlaß 7 wird dann hochreiner Stickstoff N2 zugeführt und die Kammer geschlossen. Folglich ist die Wafer-Wanne 3 in der Atmosphäre aus Stickstoffgas von Luft getrennt.
  • Das Gate G1 wird dann geöffnet und die Wafer-Wanne 3 für 20 min. in den Diffusionsofen 1 eingeführt, der in einem Stand-by-Zustand bei 700°C in einem hochreinen Gasgemisch aus Stickstoff N2 99% und Sauerstoff O2 1 % gehalten wird, und das Gate G1 wird dann geschlossen (Einführschritt).
  • Während die Gasatmosphären in dem Stand-by-Zustand gehalten werden, wird das Innere des Ofens für 30 min. auf 850°C erwärmt (Erwärmungsschritt).
  • Die Halbleiterwafer werden dann in dem hochreinen Gas aus Stickstoff N2 99 % und Sauerstoff O2 1 % bei 850°C 10 min. lang gehalten, um die interne Temperatur des Ofens zu stabilisieren, zur Verbesserung der Temperaturhomogenität in und zwischen den Halbleiterwafern (Stabilisierungsschritt).
  • Die Atmosphäre in dem Diffusionsofen 1 wird bei 850°C durch eine Atmosphäre ersetzt, die die Beziehung von Wasserstoff H2:O2 = 1:2 erfüllt. Bei der Temperatur von zum Beispiel 850°C werden die Wafer 3 min. lang einer WET-Oxidation unterzogen, um einen Oxidfilm mit einer gewünschten Filmdicke bereitzustellen (Oxidationsschritt).
  • Die Gasatmosphäre in dem Diffusionsofen 1 wird dann durch Stickstoff N2 ersetzt. Bei hochreiner (100 %) Stickstoffatmosphäre werden die Wafer bei 850°C 30 min. lang erwärmt (Erwärmungsschritt).
  • Die Gasatmosphäre in dem Diffusionsofen 1 wird durch eine hochreine Gasatmosphäre aus Stickstoff N2 99 % und Sauerstoff O2 1 % ersetzt, und dann das Innere des Ofens 40 min. lang auf 700°C abgekühlt (Kühlschritt).
  • Nach dem Absaugen der Ladeverriegelungskammer 6 durch Einschalten der Pumpe DP wird hochreiner Stickstoff N2 in die Ladeverriegelungskammer 6 über den Gaseinlaß 7 eingeleitet, um die Ladeverriegelungskammer 6 mit Stickstoff N2-Gas zu füllen.
  • Das Gate G1 wird dann geöffnet, und während über den Gaseinlaß 5 ein hochreines Gasgemisch aus Stickstoff N2 99 % und Sauerstoff O2 1 % zugeführt wird, wird die Wafer-Wanne 3 aus dem Diffusionsofen 1 bei 700°C entfernt, in die Ladeverriegelungskammer 6, die mit einer Atmosphäre aus Stickstoff 20 min. lang gefüllt ist (Entfernungsschritt), aus der dann die Wafer-Wanne 3 entfernt wird.
  • Folglich wird eine Sequenz von Verfahrensschritten für die thermische Oxidation unter Verwendung des Ladeverriegelungsdiffusionsofens 100 abgeschlossen.
  • Ein auf die oben genannte Weise gebildeter thermischer Oxidationsfilm ist in Bezug auf seine Lebensdauer bewertet worden. Speziell wurde zur Vorbereitung einer Probe auf einem Halbleiterwafer ein thermischer Oxidfilm mit einer Dicke gebildet, so dass eine Oberflächenbedingung in der Probe den Film nicht beeinflusst (ungefähr 800 × 10-10 m). Die Probe ist mittels eines Wellenleiter-Verfahrens bewertet worden (Reflektionsverfahren). Speziell wurde die Probe mit IR-Licht bestrahlt und eine in Abhängigkeit von erzeugten Überschussträgern variierende Leitfähigkeit als Änderung einer Menge von reflektierten Mikrowellen gemessen, um aus einem Abfall der Änderung in einer reflektierten Menge, die exponential abnimmt, eine Lebenszeit zu bestimmen.
  • Zum Vergleich wurde eine Lebensdauer mittels des Wellenleiterverfahrens für einen thermischen Oxidfilm bestimmt, der unter Verwendung eines herkömmlichen vertikalen Diffusionsofens 10 ohne eine Ladeverriegelung, wie in 3 gezeigt, gebildet wurde, und für einen thermischen Oxidfilms, der mittels Durchführens eines Abkühlens und eines Entfernens bei einer hochreinen 100 % Stickstoff N2-Atmosphäre in einem Ladeverriegelungsdiffusionsofen 100, wie in 1 gezeigt, gebildet wurde.
  • Der thermische Oxidfilm wird unter Verwendung des herkömmlichen vertikalen Diffusionsofens 100 folgendermaßen gebildet: Die Wafer-Wanne 3 wird für 15 min. in den Diffusionsofen 1 eingeführt, die mit einer hochreinen Gasatmosphäre aus Stickstoff N2 99 % und Sauerstoff O2 1 % bei 850°C gefüllt ist (Einführschritt).
  • Die Halbleiterwafer werden dann in der hochreinen Gasatmosphäre aus Stickstoff N2 99 % und Sauerstoff O2 1 % bei 850°C für 15 min. gehalten, um die interne Temperatur des Ofens zu stabilisieren, zur Verbesserung der Temperaturhomogenität in und zwischen den Halbleiterwafern.
  • Bei einer Gasatmosphäre, die die Bedingungen von Wasserstoff H2:O2 = 1:2 bei 850°C erfüllt, werden die Wafer einer WET-Oxidation, zum Beispiel 3 min. lang unterzogen, um einen Oxidfilm mit einer gewünschten Filmdicke bereitzustellen (Oxidationsschritt).
  • Die Gasatmosphäre in dem Diffusionsofen 1 wird dann durch Stickstoff N2 ersetzt. Bei der hochreinen 100 %-Stickstoffatmosphäre werden die Wafer bei 850°C 30 min. lang erwärmt (Erwärmungsschritt).
  • Bei einer hochreinen Stickstoffgasatmosphäre N2 100 % bei 850°C wird die Wafer-Wanne 3 für 15 min. entfernt (Entfernungsschritt).
  • Der thermische Oxidfilm, der mittels Durchführung eines Kühlschrittes und eines Entfernungsschrittes bei einer hochreinen Atmosphäre aus Stickstoff N2 100 % in dem Ladeverriegelungsdiffusionsofen 100, wie in 1 gezeigt, gebildet wird, wird wie folgt gebildet.
  • Ein Einführen, ein Erhitzen, ein Oxidieren und ein Erwärmen erfolgt wie bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel.
  • Bei dem Kühlschritt wird der Diffusionsofen 1 von 850°C auf 700°C für 40 min. bei einer reinen Atmosphäre aus Stickstoff N2 100 % (eigentlich 99,999 % oder höher) abgekühlt.
  • Nach dem Absaugen der Ladeverriegelungskammer 6 durch Einschalten der Pumpe DP wird dann Stickstoff N2 in die Ladeverriegelungskammer 6 über den Gaseinlaß 7 eingeleitet. Die Wafer-Wanne 3 wird dann aus dem Diffusionsofen 1 bei einer Atmosphäre aus Stickstoff N2 100 % bei 700°C entfernt, in die Ladeverriegelungskammer 6, die mit Stickstoff N2 für 20 min. gefüllt wurde (Entfernungsschritt).
  • Die Gasatmosphäre, also Stickstoff N2 und Sauerstoff O2, die in den Diffusionsofen 1 und in die Ladeverriegelungskammer 6 geleitet werden, ist bei beiden Prozessen hochrein (99,999 % oder höher), also bei der Bildung eines thermischen Oxidfilm unter Verwendung des herkömmlichen vertikalen Diffusionsofens 10 und bei der Bildung mittels Durchführung des Kühl- und Entfernungsschrittes bei einer hochreinen Atmosphäre aus Stickstoff N2 100 % in dem Ladeverriegelungsdiffusionsofen 100.
  • Es wurde die Lebensdauer für den individuellen thermischen Oxidfilm, der auf die oben beschriebene Weise gebildet wird, bestimmt. Die Ergebnisse sind 150 bis 300 μs Lebensdauer für den thermischen Oxidfilm, der gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren gebildet wurde; 150 bis 300 μs für den unter Verwendung des herkömmlichen vertikalen Diffusionsofens 10 gebildeten, und 5 μs oder weniger für einen Film, der mittels Durchführung eines Kühl- und Entfernungsschrittes bei hochreiner Atmosphäre aus Stickstoff N2 100 % gebildet wurde.
  • Ein thermischer Oxidfilm wurde gebildet und bezüglich seines zeitabhängigen dielektrischen Durchbruchs TDDB unter Verwendung eines herkömmlichen vertikalen Diffusionsofens 10 bewertet, wie für einen thermischen Oxidfilm beschrieben, der gemäß dem erfindungsgemäßen Herstellungsschritt gebildet wird, und es wurde eine Lebensdauer bestimmt. Speziell wurden Proben mit einer MOS-Struktur mit einem thermischen Oxidfilm mit einer Dicke von 65 × 10-10 m präpariert unter Verwendung jedes Bildungsprozesses. Dann wurde ein Durchbruchzustand (ein Fluß von 1 mA Strom in einer Probe) untersucht, bei Anlegen eines konstanten elektrischen Feldes (–12 MV/cm) kontinuierlich an einige zehn MOS-Kondensatoren TEG (Bereich 65000 μm2). Die Messung erfolgte eine Stunde lang.
  • Dabei wurden die in 2 gezeigten Ergebnisse erhalten. In 2 kennzeichnet ☐ einen thermischen Oxidfilm, der mittels eines Verfahrens zur Bildung eines thermischen Oxidfilms unter Verwendung eines herkömmlichen Diffusionsofens 10 gebildet ist, während • einen thermischen Oxidfilm kennzeichnet, der mittels eines Verfahrens zur Bildung eines thermischen Oxidfilms gemäß der Erfindung gebildet ist. Wie in 2 gezeigt, ergeben sich bezüglich anfänglicher Defekte keine Unterschiede, jedoch hat sich andererseits bestätigt, dass sich eine Filmlebensdauer für einen MOS-Kondensator TEG verlängert, der mittels des Verfahrens für einen thermischen Oxidfilm gemäß der Erfindung gebildet wurde.
  • Folglich wurde bestätigt, dass ein thermischer Oxidfilm bezüglich einer Lebensdauer hervorragende Eigenschaften und TDDB-Bewertung aufweist, wie oben beschrieben, also bei Durchführung eines Kühl- und Entfernungsschrittes bei einer hochreinen Gasatmosphäre aus Stickstoff N2 99 % und Sauerstoff O2 1 % unter Verwendung eines Ladeverriegelungsdiffusionsofens 100.
  • Speziell wird bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel unter Verwendung des Ladeverriegelungsdiffusionsofens 100 die Ladeverriegelungskammer 6 abgesaugt und dann hochreiner Stickstoff N2 in die Ladeverriegelungskammer 6 über den Gaseinlaß 7 eingeleitet. Ein Kühl- und Entfernungsschritt kann somit bei einer hochreinen Atmosphäre aus Stickstoff N2 und Sauerstoff O2 erfolgen, die eine Einarbeitung von Verunreinigungen in der Luft verhindern kann, und folglich kann ausschließlich eine geringe Menge an reinem Sauerstoff O2 in eine Grenzfläche zwischen einem thermischen Oxidfilm in einem Halbleiterwafer und einem Siliziumsubstrat eingebracht werden. Somit kann ein qualitativ hochwertiger thermischer Oxidfilm bereitgestellt werden.
  • Eine Lebensdauer wurde bestimmt, wobei nur einer der Kühl- und Entfernungsschritte durchgeführt wurde bei der oben genannten Mischgasatmosphäre aus Stickstoff N2 99 % und Sauerstoff O2 1 %, während der andere Schritt bei einer Gasatmosphäre aus Stickstoff N2 100 % durchgeführt wurde, und es wurde dann eine Lebensdauer bestimmt. Eine bestimmte Lebensdauer war 100 bis 150 μs. Wenn entweder der Kühlschritt oder der Entfernungsschritt bei der oben genannten Mischgasatmosphäre durchgeführt wird, wird die Filmqualität besser im Vergleich zur Durchführung sowohl des Kühlschrittes als auch des Entfernungsschrittes bei einer Gasatmosphäre aus Stickstoff N2 100 %. Man hat ferner festgestellt, dass eine noch bessere Filmqualität erreicht werden kann, wenn beide Schritte, sowohl der Kühlschritt als auch der Entfernungsschritt, bei einer Gasatmosphäre aus Stickstoff N2 99 % und Sauerstoff O2 1 % durchgeführt werden.
  • Bei den oben genannten Ausführungsbeispielen wurden der Kühlschritt und der Entfernungsschritt bei einer hochreinen Gasatmosphäre aus Stickstoff N2 99 % und Sauerstoff O2 1 % durchgeführt, jedoch kann auch Sauerstoff O2 mit ungefähr 0,1 bis 10 %, vorzugsweise mit ungefähr 0,1 bis 2 % enthalten sein. Kurz gesagt kann jeder Sauerstoffgehalt akzeptabel sein, so lange ein aufgebrochener Ligand aufgrund von Spannung an der Grenzfläche zwischen einem Siliziumsubstrat und einem thermischen Oxidfilm wiederhergestellt werden kann und die Oxidation nicht beschleunigt wird.
  • Auf ähnliche Weise wird Sauerstoff O2, der in einem Einführschritt, einem Erhitzungsschritt und einem Stabilisierungsschritt verwendet wird, eingebracht, um ein thermisches Ätzen auf einer Siliziumsubstratoberfläche zu verhindern (durch thermisches Verfahren induzierte Fehler), wobei keine Begrenzung auf 1 % notwendig ist. Kurz gesagt ist jeder Konzentrationsgehalt auswählbar, solange thermisches Ätzen verhindert werden kann und eine Oxidation nicht beschleunigt wird.
  • Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel erfolgt der Oxidationsschritt als WET-Oxidation in einer Gasatmosphäre mit der Bedingung H2:O2 = 1:2. Die Erfindung ist jedoch nicht darauf begrenzt. Alternativ kann der Oxidationsschritt mittels Trockenoxidation in einer Gasatmosphäre aus Sauerstoff O2 100 % erfolgen.
  • Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde ein aktiver Kühlschritt durchgefiührt, jedoch ist die Erfindung nicht darauf begrenzt. Ähnliche Effekte können erreicht werden, wenn die Kühlung nicht aktiv erfolgt, also wenn ein Entfernen ohne Kühlen erfolgt, speziell bei thermischer Oxidation bei relativ geringer Temperatur oder wenn ein Entfernungsschritt durchgeführt wird, während die Wafer bei hochreiner Atmosphäre aus Stickstoff N2 99 % und Sauerstoff O2 1 % gekühlt werden.
  • Wie oben beschrieben ist gemäß der Erfindung eine Gasatmosphäre für einen Halbleiterwafer ein Gemisch aus Stickstoff und Sauerstoff, bei einem derartigen Niveau, dass eine Dicke eines Oxidfilms in dem Halbleiterwafer im wesentlichen nicht variiert, also 0,1 bis 10 % Sauerstoffgas, wenn der Halbleiterwafer aus dem Diffusionsofen entfernt wird, so dass ein thermischer Oxidfilm bereitgestellt werden kann, mit hervorragender Lebensdauer und TDDB-Bewertung.
  • Wenn nach dem Erhitzen das Halbleiterwafers und dem Kühlen des Inneren des Diffusionsofens auf eine vorbestimmte Temperatur der Halbleiterwafer aus dem Diffusionsofen entfernt wird, ist eine Atmosphäre während des Kühlens des Inneren des Diffusionsofens eben falls ein Gemisch aus Stickstoff und Sauerstoff, so dass ein weiter verbesserter thermischer Oxidfilm bereitgestellt werden kann.
  • Während sich der Halbleiterwafer in dem Diffusionsofen befindet, wird die Ladeverriegelungskammer abgesaugt, Stickstoff in die Ladeverriegelungskammer eingeleitet und der Halbleiterwafer dann in die Ladeverriegelungskammer transferiert, während ein Gasgemisch in den Diffusionsofen geleitet wird, so dass der Halbleiterwafer leicht in die Ladeverriegelungskammer bei einer Atmosphäre aus hochreinem Gasgemisch transferiert werden kann, während Verunreinigungen in der Luft abgeblockt werden.
  • Eine Gasatmosphäre um einen Halbleiterwafer ist ein Gasgemisch bei einem Transferschritt, bei dem der Halbleiterwafer von einer Ladeverriegelungskammer in einen Diffusionsofen transferiert wird, und bei einem Vorbereitungsschritt, bevor der Diffusionsofen erhitzt wird, wie etwa einem Erwärmungsschritt, bei dem das Innere des Diffusionsofens auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt wird, und bei einem Stabilisierungsschritt, bei dem die interne Temperatur des Diffusionsofens stabilisiert wird, so dass ein qualitativ hochwertiger thermischer Oxidfilm bereitgestellt werden kann.

Claims (5)

  1. Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung mit einem Schritt a) des Erhitzens eines Halbleiterwafers in einem Diffusionsofen (1), der zur Bildung eines thermischen Oxidfilms auf dem Halbleiterwafer geeignet ist, und mit einem Schritt b) des Transferierens des Halbleiterwafers von dem Diffusionsofen (1) in eine Ladeverriegelungskammer (6) nach dem Schritt a), wobei der Diffusionsofen (1) über eine Schleuse (G1) mit der Ladeverriegelungskammer (6) in Verbindung steht, die Ladeverriegelungskammer (6) vor dem Schritt b) erst abgesaugt und dann bei geschlossener Schleuse (G1) mit Stickstoffgas gefüllt wird, der Halbleiterwafer sich vor dem Schritt b) in dem Diffusionsofen (1) bei geschlossener Schleuse (G1) in einer Gasatmosphäre befindet, die ein Gasgemisch aus Stickstoff und Sauerstoff enthält, wobei im Gasgemisch der Sauerstoff in einer derartigen Menge mit dem Stickstoff gemischt wird, dass die Dicke des Oxidfilms im Wesentlichen konstant bleibt, wenn der Halbleiterwafer bei geöffneter Schleuse (G1) von dem Diffusionsofen (1) in die mit Stickstoff gefüllte Ladeverriegelungskammer (6) transferiert wird, und der Stickstoff und der Sauerstoff als hochreine Gase mit einer Reinheit von mindestens 99,999 % sowohl in den Diffusionsofen (1), als auch in die Ladeverriegelungskammer (6) eingeleitet werden.
  2. Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei nach dem Erhitzen der Diffusionsofen auf eine vorbestimmte Temperatur gekühlt wird, bevor der Halbleiterwafer aus dem Diffusionsofen entfernt wird, und wobei während des Kühlens, die Gasatmosphäre in dem Diffusionsofen das Gasgemisch ist.
  3. Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, ferner enthaltend den Schritt zum Transferieren des Halbleiterwafers von der Ladeverriegelungskammer in den Diffusionsofen, wobei eine Gasatmosphäre für den Halbleiterwafer während des Transferierungsschrittes und Vorbereitungsschritten in dem Diffusionsofen vor Beginn des Erhitzens das Gasgemisch ist.
  4. Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung nach Anspruch 3, wobei die vorbereitenden Schritte folgende Schritte enthalten: Erwärmen des Diffusionsofens auf eine vorbestimmte Temperatur und Stabilisieren dieser Temperatur des Diffusionsofens nach dem Erwärmen.
  5. Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Gasgemisch 0,1 bis 10 % Sauerstoffgas enthält.
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