DE3142548A1 - Verfahren zum herstellen von oxidschichten auf aus silizium oder anderem oxidierbarem material bestehenden substratscheiben in extrem trockener sauerstoffatmosphaere bzw. in sauerstoffatmosphaere mit chlorwasserstoffgas-zusaetzen - Google Patents

Verfahren zum herstellen von oxidschichten auf aus silizium oder anderem oxidierbarem material bestehenden substratscheiben in extrem trockener sauerstoffatmosphaere bzw. in sauerstoffatmosphaere mit chlorwasserstoffgas-zusaetzen

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Description

  • Verfahren zum Herstellen von Oxidschichten auf aus ßili-
  • zium oder anderem oxidierbarem Material bestehenden Substratscheiben in extrem trockener Sauerstoffatmosphäre bzw. in Sauerstoffatmosphäre mit Chlorwasserstoffgas-Zusätzen.
  • Die vorliegende Patentanmeldung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Oxidschichten auf aus Silizium oder anderem oxidierbarem Material bestehenden Substratscheiben in extrem trockener Sauerstoffatmosphre bzw. in Sauerstoffatmosphäre mit Chlorwasserstoffgas-Zusätzen.
  • Solche Verfahren sind aus dem J. Electrochem. Soc.: Solid-State Science and Technology, 1977, Vol. 124 auf den Seiten 1757 bis 1761 für Oxidationen in reinem Sauerstoff und-auf den Seiten 735 bis 739 für Oxidationen mit Chlorwasserstoff (HCl ) -Gas-Zusätzen bekannt.
  • Die Verkleinerung der lateralen Strukturen bei hochintegrierten Halbleiterschaltungen (VLSI-Technologie) erfordert auch eine Verkleinerung der vertikalen Dimension der Schichten wie z. B. der Gateoxidschichtdicke. Diese liegt im Bereich von 5 bis 10 nm. Die Herstelltemperatur liegt wegen der geforderten guten elektrischen Eigenschaften der Oxide bei Temperaturen größer als 9000C.
  • Feuchtigkeit im Oxidationsgas führt besonders bei hoher Oxidationstemperatur zu Schwankungen der Oxidationsrate Für die reproduzierbare Herstellung extrem dünner Gateoxide (5 bis 10 nm + 2 C/o) ist daher ein trockenes Oxidationsgas erforderlich.
  • Die korrosiven Eigenschaften von HCl-Gas, welches in der MOS-Technologie als Zusatz zum Sauerstoff zur Verbesserung der elektrischen Qualität der Gateoxide verwendet wird, machen eine hohe Dichtigkeit der Oxidationsapparatur erforderlich.
  • Die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegt, besteht deshalb in der Durchführung eines Oxidationsverfahrens für aus Silizium oder anderem oxidierbarem Material bestehenden Substratscheiben, bei dem eine absolut trockene Sauerstoffatmosühäre gewährleistet wird.
  • Außerdem soll durch das Verfahren die Möglichkeit gegeben sein, Gateoxidschichten mit einer Schichtdicke kleiner 10 nm reproduzierbar herzustellen. Desweiteren soll auch die Forderung einer optimalen Sicherheit bei Oxidationen in Sauerstoffatmosphäre mit HCl-Gaszusätzen erfüllt sein.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die zu oxidierenden Substratscheiben zunächst in einer Zone kleiner 1000C in einer Hochtemperaturofenanlage angeordnet werden, daß das Oxidationsgas von der Beschickungsseite her in die Anlage eingeleitet wird und einen Feuchtigkeitsgehalt von kleiner 0,5 ppm aufweist, daß nach Freispülung der Anlage von Feuchtigkeit die Substratscheiben in die, in der Ofenmitte befindliche Oxidationszone gebracht, aiff die Oxidationstemperatur aufgeheizt werden und nach Ablauf der Oxidationszeit in die Ausgangszone zurtckgebracht und auf Temperaturen kleiner 100 0C abgekühlt werden.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel nach der Lehre der Erfindung ist vorgesehen, als Oxidationsgas Sauerstoff, bzw. Stickstoff, Argon oder Helium mit Sauerstoff-Anteilen zu verwenden. Als Oxidationsgas kann auch Sauerstoff mit Anteilen von Chlorwasserstoff (HCl)-Gas kleiner 10 # verwendet werden.
  • Im folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels, aus dem weitere Einzelheiten und Vorteile hervorgehen, noch näher erläutert werden. Dabei wird der Prozeßablauf bei der Herstellung von Oxidschichten auf Siliziumsubstraten beschrieben.
  • Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Vorrichtung verwendet, wie sie in der, in der Zeichnung befindlichen Figur abgebildet und nachfolgend näher erläutert ist.
  • Ein sich zum einen Ende hin verjüngendes Quarzrohr 1 ist an seinen beiden Enden horizontal in kappenförmigen Halterungen 2 und 3 befestigt. In Richtung auf das verjüngere Quarzrohrende hin mit der kappenförmigen Halterung 3 wird das Quarzrohr 1 von einem Heizofen 4 umschlossen, welcher die Temperaturen für die Oxidation der imQuarzrohr 1 in einer Horde 5 oder in einem Boot angeordneten, zu behandelnden Substratscheiben 6 liefert, Das für die Gasversorgung zuständige System 7 besteht ausschließlich aus Bauteilen aus V2A-Stahl. Für die Regelung der Gasflüsse für Sauerstoff, Chlorwasserstoffgas, Stickstoff und Argon bzw. Helium sind Strömungsmesser 8 und Ventile 28 vorgesehen. Die Restfeuchtigkeit im Oxidationsgas wird mit einer Kühlfalle 9 (T = -600c) ausgefroren.
  • Der Feuchtigkeitsgehalt im Gas wird ständig an der Gaseinlaßseite und-an der Gasauslaßseite (siehe Strömungspfeile 10) mit Meßfühlern 11 und 21 überprüft (Nachweisempfindlichkeit 0,1 ppm H20).
  • Die Einführung des Gases in das Quarzrohr 1 geschieht über einen Federbalg 24 in die kappenför#mige Halterung 2 aus V2A-Stahl, die durch temperaturbeständige Kunststoff (Viton)-Dichtringe 13 gegen das Quarzrohr 1 abgedichtet ist. Die Gasflußrichtung in der Apparatur ist durch die Pfeile 10 gekennzeichnet. Durch die Öffnung in der Kappe 2 wird die Horde 5 (Boot) in die Vorrichtung eingeführt. Der Abstand x zwischen Horde 5 und Ofen 4 muß so gewählt sein, daß die dort herrschende Temperatur nicht höher als 1000C ist, so daß die Substratscheiben 6 während der Frei spülung der Vorrichtung bei niedriger Temperatur sind.
  • Der Verschluß des mit der Halterung 2 versehenen Quarzrohres 1 erfolgt durch eine mit Federdruck gegen den Viton-Dichtring 14 gepreßte V2A-Stahlplatte 15 (gasdichter Verschluß #as Gas, welches an der Kappe 2 eingeführt wird, strömt über eine große Anzahl von Öffnungen, beispielsweise in Form einer Brause (siehe Pfeile 16), in das Quarzrohr 1. Hierdurch wird eine schnelle Freispülung im Bereich der Beladestation von Feuchtigkeit erreicht. An der Beschickungsseite (1, 2) kann eine mit Stickstoff gespülte Box 17 angeschlossen werden. Sie hat den Zweck, die Belegung des Quarzrohres 1 mit Feuchtigkeit während der Beschickung der mit den Substratscheiben 6 bestückten Horde 5 gering zu halten.
  • An der Gasauslaßseite (1, 3) ist die Vorrichtung durch Teflon-Dichtungen 18 und 19 (Teflon = Tetrafluoräthylen) sowohl gegen das Quarzrohr 1 als auch gegen den als Schiebevorrichtung vorgesehenen Schiebestab 20 abgedichtet. Diese Konstruktion (18 und 19) kann problemlos bis zu Ofentemperaturen von 11000C genutzt werden. An der mit dem Bezugszeichen 27 bezeichneten Öffnung wird das Gas dem Meßfühler 21 zugeführt.
  • Die Schiebestange 20 besteht aus Quarz und kann in einer besseren Ausführung als Rohr ausgeführt sein, in welchem sich zur Verstärkung ein Polysiliziumstab oder Keramikstab befindet. Hierdurch läßt sich ein Verbiegen der Schiebestange 20 weitgehend vermeiden.
  • Die Schiebestange 20, die am vorderen Ende einen ringförmigen Haken 29 besitzt und sich bei der Beladung der Apparatur in der in der Figur gezeigten Lage befindet, kann durch eine 900 Drehung des Stabes 20 in das Boot oder die Horde 5 eingehängt werden. Die Bewegung der Horde (5, 6) erfolgt von der Gasauslaßseite (1, 3). Gegenüber konventionellen Vorrichtungen besitzt die in der Figur gezeigte Anordnung den Vorteil, daß durch die Bewegung des Schiebestabes 20 keine Kontamination der Anlage mit Feuchtigkeit erfolgen kann. Die Oxidation der Substratscheiben läßt sich deshalb reproduzierbar durchführen.
  • Ausführungsbeispiel: Im folgenden wird der Prozeßablauf bei der Oxidation von Siliziumsubstraten näher beschrieben. In gleicher Weise können jedoch auch Oxide auf anderen oxidierbaren Materialien hergestellt werden.
  • Das Boot oder die Horde 5 wird vor der Oxidation 30 Minuten lang bei einer Temperatur von ca. 800 0C in Inertgas (z. B. Stickstoff oder Argon) ausgeheizt. Das Boot 5 wird danach wieder in die Ausgangsposition a gebracht.
  • Sobald das Boot 5 sich auf eine Temperatur unter 1000C abgekühlt hat, wird das Boot aus der Ofenanlage (1, 2, 3, 4) entnommen, die Substratscheiben 6 eingehordet, das Boot (5, 6) in den Rohransatz (1, 2) gestellt und das Rohr 1 mit Inertgas freigespült. Der Spülprozeß ist beendet, sobald das Meßgerät 21 am Apparaturenausgang 27 einen Feuchtigkeitsgehalt des Inertgases von kleiner 0,5 ppm anzeigt. Die Anlage wird danach 5 Minuten lang mit dem Oxidationsgas, das aus reinem Sauerstoff (°2) bzw.
  • Inertgas mit 02-Anteilen bzw. bei HCl-Gas-Oxidationen aus 02 mit HCl-Zusätzen besteht, gespült. Sobald die am Feuchtigkeitsmeßgerät 21 angezeigte Feuchtigkeit unter 0,5 ppm liegt, werden die Scheiben langsam mit etwa 10 cm/min in die Ofenmitte gefahren, die sich auf Oxidationstemperatur befindet. Bei Anwendung sehr hoher Oxidationstemperatur (größer 9000C) empfiehlt es sich zur Vermeidung von Kristallfehlern die Temperatur im Ofen von ca. 800 0C auf die Oxidationstemperatur mit definierter Rate (kleiner 80C/min) aufzuheizen. Nach Ablauf der Oxidationszeit wird die Ofentemperatur auf 8000C mit maximaler Abkühlrate des Ofens 4 (ca. 40/min) abgesenkt und danach das Boot (5, 6) mit einer Geschwindigkeit von ca. 10 cm/min ausgefahren. Der Ausbau der Scheiben 6 erfolgt, sobald die Horde 5 eine Temperatur von ca.
  • 1000C erreicht hat.
  • Für das Gasversorgungssystem 7 der Anlage ist eine Programmsteuerung 25 vorgesehen, durch welche über die -Strömungsmesser 8 und die Ventile 28 die Anlage wechselseitig mit Stickstoff, Argon oder Helium, Sauerstoff und HCl-Gas oder einem Gemisch davon betrieben werden kann.
  • über die Programmsteuerung 25 wird auch die Fahrvorrichtung 22 betätigt und der Temperaturregler 26 zur Einstellung der Ofentemperatur (4) gesteuert.
  • 6 Patentansprüche 1 Figur

Claims (6)

  1. Patentanspr~uche.
    Verfahren zum Herstellen von Oxidschichten auf aus Silizium oder anderem oxidierbarem Material bestehenden Substratscheiben in extrem trockener Sauerstoffatmosphäre bzw. Sauerstoffatmosphäre mit Chlorwasserstoffgas-Zusätzen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß die zu oxidierenden Substrats7###ibe{ii (5, 6) zunächst in einer Zone kleiner 1000C in e#ochtemperaturofenrne~r anlage (1, 2, 3, 4) angeordnet werden, daß das Oxidationsgas von der Beschickungsseite (1, 2) her in die Anlage eingeleitet wird und einen Feuchtigkeitsgehalt von kleiner 0,5 ppm aufweist, daß nach Freispülung der Anlage von Feuchtigkeit die Substratscheiben (5, 6) in die, in der Ofenmitte befindliche Oxidationszone (4) gebracht, die sich auf Oxidationstemperatur befindet, und nach Ablauf der Oxidationszeit in die Ausgangszone (a) zurückgebracht und auf Temperaturen kleiner 1000C abgekühlt werden.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß als Oxidationsgas Sauerstoff, bzw. Stickstoff, Argon oder Helium mit Sauerstoff-Anteilen -verwendet werden.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß als Oxidationsgas Sauerstoff mit Anteilen von HCl-Gas kleiner 10 ,~ verwendet wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Substratscheiben (5, 6) mit einer Geschwindigkeit von maximal 10 cm/min in die Oxidationszone (4) bewegt werden, auf die Oxidationstemperatur aufgeheizt werden, nach Ablauf der Oxidation die Ofentemperatur auf 8000C abgesenkt wird und die Substratscheiben (5, 6) mit einer Geschwindigkeit von maximal 10 cm/min aus der Oxidationszone (4) in die Ausgangszone (a) zurückgebracht werden.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß bei Anwendung von 0 Oxidationstemperaturen von höher 900 C die Aufheizrate von 800 0C auf die Oxidationstemperatur auf maximal 80C/min eingestellt wird.
  6. 6. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 5, zur Herstellung von Gateoxidschichten bei hochintegrierten MOS-Schaltungen.
DE19813142548 1981-10-27 1981-10-27 Verfahren zum herstellen von oxidschichten auf aus silizium oder anderem oxidierbarem material bestehenden substratscheiben in extrem trockener sauerstoffatmosphaere bzw. in sauerstoffatmosphaere mit chlorwasserstoffgas-zusaetzen Withdrawn DE3142548A1 (de)

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