DE4010585C2 - Verfahren zur Herstellung von thermischen Oxiden hoher Qualität - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von thermischen Oxiden hoher Qualität

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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.
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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