DE4010585A1 - Verfahren zur gesteigerten oxidbildung - Google Patents

Verfahren zur gesteigerten oxidbildung

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zur Herstellung von Oxiden, speziell ein Verfahren zur gesteigerten bzw. ansteigenden (ramped) Oxidbildung.
Bekannte Verfahren zur Herstellung von Oxidschichten hoher Qualität stoßen im allgemeinen auf viele Probleme. Bei Speichereinheiten unter Anwendung des Fowler-Nordheim-Tunnelns, die die Oxidation von Polysilicium-Gates anwenden, ist es wünschenswert, die Temperatur in einem Bereich von ungefähr 900 bis 1000°C zu halten, um die Lebensdauercharakteristika der Einheit zu erhalten. Wenn die Oxidation bei einer höheren Temperatur erfolgt (bei 1050 bis 1100°C), wird das Tunneloxid oft abgebaut. Wenn niedrigere Temperaturen verwendet werden, ist das Oxid, das auf dem Polysilicium-Gate gebildet wird, im allgemeinen von niedriger Qualität, weil die schlechte Kornstruktur eine rauhe Oxidoberfläche ("Schroffheit") zur Folge hat.
Bekannte Oxidationsverfahren umfassen eine "verdünnte" Oxidation im Verlauf des gesamten Zyklus, wobei Sauerstoff mit einem Inertgas verdünnt wird. Im allgemeinen sind Verfahren unter "verdünnter" Oxidation relativ langsam, da der Sauerstoff längere Zeit benötigt, um die Grenzfläche zwischen Polysilicium und Oxid zu erreichen, wenn die Oxidschicht dicker wird. Zusätzlich herrschen die Beschränkungen der Temperatur, wie oben erwähnt. Oxidationen in zwei Schritten, bei denen zunächst ein verdünnter und anschließend ein beträchtlich erhöhter Sauerstoffstrom verwendet wird, sind auch weit verbreitet. Wird jedoch der niedrige Sauerstoffstrom zu lange aufrechterhalten, kommt es zur Sauerstoffverarmung ("freie Bindungen") an der Grenzfläche zwischen Polysilicium und Oxid. Stickstoff-Temperungen häufig gefolgt von kurzen Pulsen von Sauerstoff- und Wasserstoff-Temperungen wurden verwendet, um das Problem der Sauerstoffverarmung an der Grenzfläche zwischen Polysilicium und Oxid zu beheben. Obwohl diese Temperungen zum Teil erfolgreich sind, ist deren Kontrolle schwierig und sie hinterlassen immer noch eine größere Menge an nicht reagiertem Polysilicium an der Grenzfläche.
Demzufolge besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren zur Herstellung von Oxiden hoher Qualität zur Verfügung zu stellen, die eine längere Lebensdauer der Einheit erlauben.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung von Oxiden hoher Qualität zur Verfügung zu stellen, bei dem ein diffusionskontrollierter Vorgang verwendet wird.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung von Oxiden hoher Qualität zur Verfügung zu stellen, welches Zeit und Temperatur rationell nützt.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung von Oxiden hoher Qualität zur Verfügung zu stellen, bei dem der Sauerstoffstrom gesteigert (ramped) wird.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung von Oxiden hoher Qualität zur Verfügung zu stellen, bei dem eine verringerte Anzahl an freien Bindungen an der Grenzfläche zwischen Halbleitermaterial und Oxid vorhanden ist.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung von Oxiden hoher Qualität für Speichereinheiten zur Verfügung zu stellen, bei dem Oxide sowohl auf polykristallinem Material sowie weitere Oxide gleichzeitig gebildet werden können.
Die genannten Aufgaben werden gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, daß bei einer Ausführungsform eine Halbleiterstruktur, die sowohl Polysilicium- als auch Einzelkristalloberflächen besitzt, in eine oxidierende Umgebung eingebracht wird. Die Halbleiterstruktur wird einer vorbestimmten Konzentration an Sauerstoff ausgesetzt, welche im Verlauf der Zeit gesteigert wird, bis eine vorbestimmte Menge an Oxid gleichzeitig, sowohl auf der Polysilicium- als auch auf der Einzelkristalloberfläche, gebildet worden ist. Ein Puls an Dampf, enthaltend Wasserstoff und Sauerstoff, kann anschließend verwendet werden, um die Grenzflächen zwischen Silicium und Oxid zu passivieren.
Die einzige Abbildung zeigt einen stark vergrößerten Querschnitt einer Halbleiterspeichereinheit 10 von einer Art, wie sie anhand der vorliegenden Erfindung hergestellt werden kann. Die Einheit 10 ist nur ein Beispiel und es ist selbstverständlich, daß die vorliegende Erfindung im Zusammenhang mit anderen Arten von Einheiten verwendet werden kann. Einheit 10 umfaßt ein Siliciumträgermaterial 12, enthaltend gedopte Bereiche 14. Eine Oxidschicht 16 wird auf dem Trägermaterial 12 ausgebildet. Ein getrenntes Gate 18 aus Polysilicium ist auf der Oxidschicht 16 des Trägermaterials angeordnet. Der Anteil, der auf dem Trägermaterial befindlichen Oxidschicht 16, welcher unterhalb des getrennten Gates 18 angeordnet ist, wird häufig als Tunneloxid bezeichnet und ist hier durch die Nummer 20 gekennzeichnet. Eine Oxidzwischenschicht 22 wird dann gebildet, um das getrennte Gate 18 zu umgeben, und es wird ein Bereich aus Polysilicium 24 auf der Oxidzwischenschicht 22 gebildet. Eine dielektrische Schicht 26 wird dann auf dem Bereich aus Polysilicium 24 gebildet. In Einheiten wie der Halbleiterspeichereinheit 10 ist es sehr wünschenswert, die Oxidzwischenschicht 22 und zusätzliches Oxid auf der Oxidschicht des Trägermaterials 16 gleichzeitig zu bilden. Es ist wichtig, daß dieses Oxid von hoher Qualität ist und daß bestehende dünne Oxide wie das Tunneloxid 20 nicht abgebaut werden. Der Abbau des Tunneloxids 20 hat eine Einheit mit extrem niedriger Lebensdauercharakteristik zur Folge.
Oxide hoher Qualität können in einem Temperaturbereich von ungefähr 900 bis 1000°C gebildet werden, indem lediglich genügend Sauerstoff an der Grenzfläche zwischen Halbleitermaterial und Oxid vorhanden ist, um mit dem Halbleitermaterial genau an der Grenzfläche zu reagieren. Dies erlaubt die Verringerung der Menge an nur teilweise reagiertem Halbleitermaterial an der Grenzfläche. Sobald die Oxiddicke zunimmt, muß die Sauerstoffkonzentration präzise im Verlaufe der Zeit gesteigert werden (aufwärts gesteigert), so daß der Sauerstoff durch das bestehende Oxid diffundieren kann und nur an der Grenzfläche reagiert. Das Aufwärtssteigern der Sauerstoffkonzentration erlaubt ein Verfahren, bei dem Zeit und Temperatur rationell genützt werden und das eine reproduzierbare Oxidationsrate unter durch Diffusion kontrollierten Bedingungen aufrechterhält. Dieses Verfahren erlaubt die Herstellung von Oxiden mit geringsten Schäden.
Ist die Steigerung der Oxidkonzentration beendet und eine vorbestimmte Menge des Oxids gebildet worden, sollte der Grenzfläche zwischen Halbleitermaterial und Oxid Sauerstoff entzogen werden. Dies bedeutet, daß sich an der Grenzfläche unvollständig reagierte Atome des Halbleitermaterials befinden. Indem die Grenzfläche einem Puls aus Dampf, enthaltend Wasserstoff und Sauerstoff, ausgesetzt wird, kann die Grenzfläche passiviert und die Anzahl nicht reagierter Atome stark verringert werden. Es ist wichtig, daß der Puls aus Dampf nur die Grenzfläche erreicht, da sein Zweck darin besteht, die Anzahl nicht reagierter Atome des Halbleitermaterials zu verringern und nicht das Halbleitermaterial bedeutend zu oxidieren.
Bezugnehmend auf die Einheit 10 aus der Abbildung kann die Oxidzwischenschicht 22 gleichzeitig mit weiterem Oxid auf der Oxidschicht des Trägermaterials 16 gebildet werden, indem der folgende spezielle Verfahrensablauf angewendet wird. Nachdem das Halbleitermaterial in einen Reaktor eingebracht wurde, wird die Temperatur im Verlaufe der Zeit aufwärts gesteigert bis ungefähr 975°C. Während dieser Temperatursteigerung wird eine niedrige Konzentration an Sauerstoff (ungefähr 2,5%) in einem inerten Trägergas, wie Stickstoff (ungefähr 97,5%), in den Reaktor eingeleitet. Ist die gewünschte Temperatur erreicht, wird ein Gasstrom, enthaltend ungefähr 5% Sauerstoff und ungefähr 95% Stickstoff, in den Reaktor eingeleitet. Dieser Vorgang dauert ungefähr 40 Minuten. Die Aufwärtssteigerung der Sauerstoffkonzentration beginnt jetzt und der Sauerstoffgehalt wird auf ungefähr 30% erhöht, während der Gehalt an inertem Trägergas (Stickstoff) auf ungefähr 70% verringert wird. Diese Steigerung findet im Verlauf von ca. einer Stunde statt und die Sauerstoffkonzentration steigt mit einer Rate von 0,5% pro Minute.
Ist der Sauerstoffgehalt auf 30% angestiegen und der Stickstoffgehalt auf 70% verringert, wird dieser Gasstrom für ungefähr eine Stunde aufrechterhalten. Am Ende dieser Zeitspanne sind ungefähr eine 550 A dicke Oxidzwischenschicht 22 und eine 350 A dicke Oxidschicht 16 auf dem Trägermaterial gebildet worden. Als nächstes wird dieses Material einem Puls aus Dampf ausgesetzt, der ungefähr 35% Sauerstoff, ungefähr 14% Wasserstoff und ungefähr 51% Stickstoff enthält. Dieser Puls an Dampf dauert ungefähr 3 1/2 Minuten und er passiviert die Grenzfläche, während zusätzlich ungefähr eine 50 A dicke Oxidschicht gebildet wird. Die Schäden an der Grenzfläche zwischen Silicium und Siliciumdioxid werden durch OH-Radikale drastisch verringert. Nachdem der Puls an Dampf beendet worden ist, wird der Wasserstoff- und Sauerstoffstrom unterbrochen und die Temperatur von 975°C wird im Verlaufe der Zeit verringert, bis das Material aus dem Reaktor entfernt wird.

Claims (20)

1. Verfahren zur Herstellung von Oxiden hoher Qualität, umfassend die Schritte:
Bereitstellung von Halbleitermaterial,
Einbringen dieses Halbleitermaterials in eine oxidierende Umgebung und Aussetzung des Halbleitermaterials einer vorbestimmten Sauerstoffkonzentration,
dadurch gekennzeichnet, daß man die Sauerstoffkonzentration im Verlauf der Zeit derart erhöht, daß eine Oxidation nur an der Grenzfläche zwischen Halbleitermaterial und Oxid erfolgt, bis eine vorbestimmte Menge an Oxid gebildet worden ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der oxidierenden Umgebung in einem Bereich von etwa 900 bis 1000°C liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der oxidierenden Umgebung ungefähr 975°C beträgt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Sauerstoffkonzentration von etwa 5% auf etwa 30% erhöht.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhöhung der Sauerstoffkonzentration mit einer Rate von ungefähr 0,5% pro Minute erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das oxidierte Halbleitermaterial in einem weiteren Schritt Dampf ausgesetzt wird, um die Grenzflächen zwischen Halbleitermaterial und Oxid zu passivieren.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampf Wasserstoff und Sauerstoff enthält.
8. Verfahren zur Herstellung von Oxiden hoher Qualität, umfassend die Schritte:
Bereitstellung von Halbleitermaterial mit darauf befindlichem Oxid,
dadurch gekennzeichnet,
daß man das Halbleitermaterial mit dem darauf befindlichen Oxid Dampf aussetzt, um die Grenzfläche zwischen Halbleitermaterial und Oxid zu passivieren. passivieren.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampf Wasserstoff und Sauerstoff enthält.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Dampfbehandlung bei einer Temperatur im Bereich von etwa 900 bis 1000°C erfolgt.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Dampfbehandlung bei einer Temperatur von ungefähr 975°C erfolgt.
12. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Bereitstellung beinhaltet, daß Oxide auf dem Halbleitermaterial dadurch gebildet werden, daß das Halbleitermaterial in eine oxidierende Umgebung eingebracht und es einer vorbestimmten Sauerstoffkonzentration ausgesetzt wird und die Sauerstoffkonzentration im Verlaufe der Zeit gesteigert wird, bis eine vorbestimmte Menge an Oxid gebildet worden ist.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß man die Sauerstoffkonzentration von etwa 5% auf etwa 30% erhöht.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß man die Sauerstoffkonzentration mit einer Rate von ungefähr 0,5% pro Minute erhöht.
15. Verfahren zur Herstellung von Siliciumdioxid hoher Qualität, umfassend die Schritte:
Bereitstellung von Siliciummaterial,
Einbringen des Siliciummaterials in eine oxidierende Umgebung und Aussetzung des Siliciummaterials einer vorbestimmten Sauerstoffkonzentration,
dadurch gekennzeichnet, daß man die Sauerstoffkonzentration im Verlaufe der Zeit derart erhöht, bis eine vorbestimmte Menge an Siliciumdioxid gebildet worden ist und daß man das Siliciummaterial und Siliciumdioxid einem Dampf aussetzt, um die Grenzfläche zwischen Silicium und Siliciumdioxid zu passivieren.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der oxidierenden Umgebung und die Temperatur, bei der die Dampfbehandlung erfolgt in einem Bereich von etwa 900 bis 1000°C liegt.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der oxidierenden Umgebung und die Temperatur, bei der die Dampfbehandlung erfolgt, ungefähr 975°C beträgt.
18. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Sauerstoffkonzentration von etwa 5% auf etwa 30% erhöht wird.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß man die Sauerstoffkonzentration mit einer Rate von ungefähr 0,5% pro Minute erhöht.
20. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß man zum Passivieren einen Dampf verwendet, der Wasserstoff und Sauerstoff enthält.
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