DE4010585C2 - Verfahren zur Herstellung von thermischen Oxiden hoher Qualität - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren
zur Herstellung von thermischen Oxiden hoher Qualität, spezi
ell ein Verfahren zur im Verlauf der Zeit 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 Lebensdauercha
rakteristika 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 ver
wendet werden, ist das Oxid, das auf dem Polysilicium-Gate ge
bildet wird, im allgemeinen von niedriger Qualität, weil die
schlechte Kornstruktur eine rauhe Oxidoberfläche
("Schroffheit") zur Folge hat.
Bekannte Oxidationsverfahren umfassen eine "verdünnte" Oxida
tion im Verlauf des gesamten Zyklus, wobei Sauerstoff mit ei
nem Inertgas verdünnt wird. Im allgemeinen sind Verfahren un
ter "verdünnter" Oxidation relativ langsam, da der Sauerstoff
längere Zeit benötigt, um die Grenzfläche zwischen Polysili
cium und Oxid zu erreichen, wenn die Oxidschicht dicker wird.
Zusätzlich herrschen die Beschränkungen der Temperatur, wie
oben erwähnt. Oxidationen in zwei Schritten, bei denen zu
nächst ein verdünnter und anschließend ein beträchtlich er
höhter Sauerstoffstrom verwendet wird, sind auch weit verbrei
tet. Wird jedoch der niedrige Sauerstoffstrom zu lange auf
rechterhalten, kommt es zur Sauerstoffverarmung ("freie Bin
dungen")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 zwi
schen Polysilicium und Oxid zu beheben. Obwohl diese Temperun
gen zum Teil erfolgreich sind, ist deren Kontrolle schwierig
und sie hinterlassen immer noch eine größere Menge an nicht
reagiertem Polysilicium an der Grenzfläche.
Die US-PS 4,776,925 beschreibt ein Verfahren zur Bildung
eines Addukts von Silicium auf einer Oberfläche eines Sili
ciumträgers, wobei ein Ionenstrahl mit einer Energie unterhalb
etwa 150 eV auf die Oberfläche des Siliciumträgers gerichtet
wird. Der Ionenstrahl wird aus einem Gas gebildet, das Sauer
stoff und Argon umfaßt, wobei der Sauerstoffanteil im Verlauf
der Zeit erhöht wird.
Die US-PS 4,574,466 beschreibt ein Verfahren zur Bildung
einer Gate-Oxidschicht für eine CMOS-Vorrichtung. Das
Verfahren umfaßt das Wachsen einer vorbestimmten Dicke eines
Opfer-Oxids auf einer Halbleiteroberfläche, Abstreifen von
vorbestimmten Teilen der Opfer-Oxidschicht, Ausbilden eines
Flusses, der im wesentlichen aus Stickstoff und Sauerstoff
besteht bei einer Temperatur von 700 bis 950°C, Unterbrechen
des Stickstoffflusses bei 950°C und Erhöhen des Sauerstoff
flusses und Abkühlen der Temperatur von 950 auf 900°C.
Demzufolge besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung
darin, ein Verfahren zur Herstellung von thermischen Oxiden
hoher Qualität zur Verfügung zu stellen, die eine längere Le
bensdauer der Einheit erlauben, und welches Zeit und Wärme
rationell nützt.
Die Lösung der Aufgabe ist ein Verfahren gemäß Anspruch 1.
Gemäß einer Ausführungsform wird eine Halbleiterstruktur, die
sowohl Polysilicium- als auch Einzelkristalloberflächen be
sitzt, in eine oxidierende Umgebung eingebracht. Die Halblei
terstruktur wird einer vorbestimmten Konzentration an Sauer
stoff 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.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin
ein Verfahren zur Herstellung von thermischen Oxiden hoher
Qualität für Speichereinheiten zur Verfügung zustellen,
bei dem Oxide sowohl auf polykristallinem Material sowie
weitere Oxide gleichzeitig gebildet werden können.
Eine weitere Ausbildung der vorliegenden Erfindung besteht
darin, ein Verfahren zur Herstellung von thermischen Oxiden
hoher Qualität zur Verfügung zu stellen, bei dem eine verrin
gerte Anzahl an freien Bindungen an der Grenzfläche zwischen
Halbleitermaterial und Oxid vorhanden ist.
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 dotierte 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 reagierte
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 Halb
leitermaterial 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% Stick
stoff, in den Reaktor eingeleitet. Dieser Vorgang dauert unge
fähr 40 Minuten. Die Aufwärtssteigerung der Sauerstoffkonzen
tration beginnt jetzt und der Sauerstoffgehalt wird auf unge
fähr 30% erhöht, während der Gehalt an inertem Trägergas
(Stickstoff) auf ungefähr 70% verringert wird. Diese Steige
rung 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 Gas
strom für ungefähr eine Stunde aufrechterhalten. Am Ende
dieser Zeitspanne sind ungefähr eine 55 nm dicke Oxid
zwischenschicht 22 und eine 35 nm dicke Oxidzwischen
schicht 16 auf dem Trägermaterial gebildet worden. Als näch
stes wird dieses Material einem Puls aus Dampf ausgesetzt, der
ungefähr 35% Sauerstoff, ungefähr 14% Wasserstoff und unge
fähr 51% Stickstoff enthält. Dieser Puls an Dampf dauert un
gefähr 3 1/2 Minuten und er passiviert die Grenzfläche, wäh
rend zusätzlich ungefähr eine 5 nm 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 (13)
1. Verfahren zur Herstellung von thermischen Oxiden hoher Qualität, umfassend die
Schritte:
Bereitstellen von Halbleitermaterial,
Einbringen dieses Halbleitermaterials in eine oxidierende Umgebung und Aussetzen des Halbleitermaterials einer vorbestimmten Sauerstoffkonzentration,
dadurch gekennzeichnet, daß man die Sauerstoffkonzentration im Verlauf der Zeit derart erhöht, daß Sauerstoff durch das bereits gebildete Oxid diffundieren kann, so daß eine Oxidation nur an der Grenzfläche zwischen Halbleitermaterial und Oxid erfolgt, bis eine vorbestimmte Menge an Oxid gebildet worden ist.
Bereitstellen von Halbleitermaterial,
Einbringen dieses Halbleitermaterials in eine oxidierende Umgebung und Aussetzen des Halbleitermaterials einer vorbestimmten Sauerstoffkonzentration,
dadurch gekennzeichnet, daß man die Sauerstoffkonzentration im Verlauf der Zeit derart erhöht, daß Sauerstoff durch das bereits gebildete Oxid diffundieren kann, so 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 Geschwindigkeit 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 nach Anspruch 1, wobei als Halbleitermaterial Siliciummaterial verwendet
wird und wobei Siliciummaterial und Siliciumdioxid einem Dampf ausgesetzt werden,
um die Grenzflächen zwischen Silicium und Siliciumdioxid zu passivieren.
9. Verfahren nach Anspruch 8, 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.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der
oxidierenden Umgebung und die Temperatur, bei der die Dampfbehandlung erfolgt,
ungefähr 975°C beträgt.
11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die
Sauerstoffkonzentration von etwa 5% auf etwa 30% erhöht wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß man die
Sauerstoffkonzentration mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 0,5% pro Minute
erhöht.
13. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß man zum Passivieren
einen Dampf verwendet, der Wasserstoff und Sauerstoff enthält.
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