DE69838790T2 - Verfahren zur oxidation durch in situ erzeugten dampf - Google Patents

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Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Dampfoxidation und insbesondere betrifft sie ein Verfahren zur in situ Feuchtigkeitserzeugung in einem schnellen thermischen Dampfoxidationsprozess.
  • 2. Diskussion des Fachgebiets
  • Bei der Herstellung moderner integrierter Schaltungen, wie beispielsweise Mikroprozessoren und Speichern, werden Oxidationsprozesse verwendet, um Siliziumfilme zu passivieren oder zu oxidieren. Ein populäres Verfahren zur Oxidierung von Siliziumoberflächen und -filmen, wie beispielsweise Polysiliziumgateelektroden und -substraten, ist es, einen Dampf(H2O)-oxidationsprozess zu verwenden. In derartigen Fällen wird Wasserdampf (H2O) in eine Oxidationskammer eingebracht, um mit den Siliziumoberflächen unter Bildung von Siliziumdioxid zu reagieren.
  • Die gegenwärtigen Dampfoxidationsprozesse finden im Allgemeinen in „Heißwand"-Öfen mittels Widerstandsheizen statt. Die gegenwärtigen Dampfoxidationsprozesse verwenden typischerweise eine pyrogene Fackel oder eine Blasenbildungsvorrichtung, welche außerhalb der Reaktionskammer lokalisiert sind, in welcher der Dampfoxidationsprozess stattfinden soll. Im Falle einer pyrogenen Fackel werden ein wasserstoffhaltiges Gas und ein sauerstoffhaltiges Gas durch eine Flamme entzündet in einem Reaktionsbereich bei Atmosphärendruck und entfernt lokalisiert und im Allgemeinen in einer anderen Kammer als in der Kammer, in welcher die Wafer platziert sind. Die Flammentzündung findet bei Atmosphärendruck statt. Ein Problem, welches mit Verfahren unter Verwendung einer pyrogenen Fackel verbunden ist, ist, dass aus Sicherheitsgründen nur bestimmte Konzentrationsverhältnisse von wasserstoffhaltigem Gas und sauerstoffhaltigem Gas verwendet werden können. Eine Beschränkung des verfügbaren Gasverhältnisses schränkt die Möglichkeiten zur Erzeugung von Umgebungen mit gewünschten Konzentrationen von H2O/H2 oder H2O/O2 übermäßig stark ein. Beispielsweise benötigen Verfahren mit einer Fackel, um eine stabile Flamme am Brennen zu halten, üblicherweise H2:O2-Verhältnisse von mehr als .5:1 bzw. weniger als 1,8:1. Vorrichtungen zur Blasenerzeugung sind zur Erzeugung von Feuchtigkeit nicht wünschenswert, da sie eine entscheidende Quelle von Verunreinigungen sein können, und da sie die Menge an erzeugter Feuchtigkeit nicht genau und verlässlich kontrollieren können.
  • Ein anderes Problem, welche mit der Verwendung von pyrogenen Fackeln und Vorrichtungen zur Blasenerzeugung verbunden ist, ist, dass diese Verfahren nicht auf einfache Art und Weise in moderne schnelle thermische Heizapparaturen implementiert werden können, welche Lichtquellen für schnelle Temperaturanstiege und Reaktionszeiten verwenden, welche im Gegensatz zu Minuten oder Stunden in Sekunden gemessen werden. Schnelle thermische Heizvorrichtungen sind aufgrund ihrer hervorragenden Temperaturkonstanz und -kontrolle gegenüber Widerstandsheizöfen bevorzugt und bieten eine gleichmäßigere Verarbeitung und verringern aufgrund ihrer kurzen Reaktionszeit das Wärmebudget für hergestellte Baugruppen.
  • Deshalb ist ein Verfahren zur Feuchtigkeitserzeugung in einer schnellen thermischen Heizapparatur erwünscht, welches nicht unter Verunreinigungen und Sicherheitsaspekten leidet, und welches sowohl ein vollständiges Spektrum an Gasgemischen als auch an Konzentrationsverhältnissen verwenden kann.
  • US 5,294,571 betrifft Verfahren zur Herstellung von SiO2-Schichten in Halbleiterbaugruppen durch die schnelle thermische Oxidation von Silizium in einer Ozonumgebung.
  • Entsprechend stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Bildung eines Oxids bereit, wobei das Verfahren umfasst:
    • (a) Platzieren eines Substrats in einer Kammer eines Kaltwandreaktors;
    • (b) Bereitstellen eines sauerstoffhaltigen Gases in der Kammer;
    • (c) Bereitstellen von Wasserstoffgas (H2O) in der Kammer;
    • (d) Erwärmen des Substrats auf eine Temperatur, welche ausreicht, um eine Reaktion zwischen dem sauerstoffhaltigen Gas und dem Wasserstoffgas (H2) in der Kammer in der Nähe des Substrats zu initiieren zur Bildung eines Umgebungsgases in der Kammer; und
    • (e) Oxidieren des Substrats mit dem Umgebungsgas.
  • Bevorzugte Merkmale der vorliegenden Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen und in den hieran angefügten Ansprüchen beschrieben.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Substrat in einer Reaktionskammer eines Kaltwandreaktors platziert. Ein sauerstoffhaltiges Gas und ein Wasserstoffgas werden anschließend in die Kammer eingeführt. Das sauerstoffhaltige Gas und das Wasserstoffgas werden anschließend dazu gebracht, in der Kammer unter Bildung von Wasserdampf zu reagieren. Der gebildete Wasserdampf wird verwendet, um das Substrat zu oxidieren. In einer Ausführungsform der Erfindung wird ein kombinierter Partialdruck des sauerstoffhaltigen Gases und des Wasserstoffgases in der Reaktionskammer zwischen 1–50 Torr (1 Torr = 133 Pa) entwickelt, um die Oxidationsrate von Silizium durch den Wasserdampf zu steigern.
  • Kurze Beschreibung der Figuren
  • 1 ist eine Abbildung einer schnellen thermischen Heizapparatur, welche den in situ Feuchtigkeitserzeugungsoxidationsprozess der vorliegenden Erfindung durchführen kann.
  • 2 ist eine Abbildung der Lichtquellenanordnung in der schnellen thermischen Heizapparatur gemäß 1.
  • 3 ist ein Flussdiagramm, welches einen schnellen thermischen Oxidationsprozess veranschaulicht, welcher den in situ Feuchtigkeitserzeugungsprozess der vorliegenden Erfindung verwendet;
  • 4a ist eine Querschnittsansicht eines Halbleiterwafers oder eines Substrats vor der Dampfoxidation.
  • 4b ist eine Abbildung eines Querschnitts, welcher die Bildung eines Oxids auf dem Substrat von 4a durch einen schnellen thermischen Oxidationsprozess zeigt, welcher die in situ Feuchtigkeitserzeugung der vorliegenden Erfindung verwendet.
  • 5 ist ein Graph, welcher den Detonationsdruck zeigt, der für verschiedene O2/H2-Konzentrationsverhältnisse mit einem Partialdruck von 150 Torr erzeugt wurde.
  • 6 zeigt graphische Darstellungen, welche die Oxiddicke gegen den Reaktionspartnerpartialdruck für verschiedene O2/H2-Konzentrationen zeigen.
  • 7 ist eine graphische Darstellung, welche die Oxiddicke gegen die H2/O2-Reaktionspartnergasverhältnisse zeigt.
  • 8 zeigt graphische Darstellungen, welche die Oxiddicke gegen die Oxidationszeit für verschiedene Konzentrationsverhältnisse und Reaktionspartnerpartialdrücke zeigen.
  • 9 ist eine graphische Darstellung, welcher die Oxiddicke gegen den Gesamtstrom an Prozessgas zeigt.
  • Ausführliche Beschreibung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung beschreibt ein neues Verfahren zur in situ Feuchtigkeitserzeugung in einem schnellen thermischen Dampfoxidationsprozess. In der folgenden Beschreibung werden zahlreiche spezifische Details, wie beispielsweise Apparaturkonfigurationen als auch Prozessspezifizierungen, wie beispielsweise Zeit und Temperatur, dargelegt, um für ein vollständiges Verständnis der vorliegenden Erfindung zu sorgen. Der Fachmann erkennt die Möglichkeit, alternative Konfigurationen und Prozessdetails zu den offenbarten genauen Angaben zu verwenden, ohne vom Bereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. In anderen Fällen wurden wohl bekannte Halbleiterverarbeitungsausrüstung und -techniken nicht ausführlich beschrieben, um die vorliegende Erfindung nicht in unnötiger Weise zu verschleiern.
  • Die vorliegende Erfindung beschreibt einen Dampfoxidationsprozess. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird Dampf (H2O) in der gleichen Kammer erzeugt, in der das zu oxidierende Substrat lokalisiert ist (d. h. Dampf wird in situ mit dem Substrat gebildet). Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Reaktionspartnergasgemisch, umfassend Wasserstoffgas und ein sauerstoffhaltiges Gas, wie beispielsweise aber nicht beschränkt auf O2 und N2O, in die Reaktionskammer eingeführt, in welcher ein Substrat lokalisiert ist. Das sauerstoffhaltige Gas und das Wasserstoffgas werden dazu gebracht, unter Bildung von Feuchtigkeit oder Dampf (H2O) in der Reaktionskammer zu reagieren. Die Reaktion des Wasserstoffgases und des sauerstoffhaltigen Gases wird gezündet oder katalysiert durch Erwärmen des Wafers auf eine Temperatur, welche ausreicht, die Feuchtigkeitsreaktion auszulösen. Da der erwärmte Wafer als Zündungsquelle für die Reaktion verwendet wird, vollzieht sich die Feuchtigkeitserzeugungsreaktion in enger Nähe zur Waferoberfläche. Reaktionspartnerkonzentrationen und Partialdrücke werden kontrolliert, um so eine spontane Verbrennung in der Kammer zu verhindern. Durch Halten des Kammerpartialdrucks des Reaktionspartnergasgemisches bei weniger als oder gleich 150 Torr während der Reaktion kann zur Bildung von Feuchtigkeit eine beliebige Reaktionspartnerkonzentration verwendet werden, ohne eine spontanen Verbrennung auszulösen. Der in situ Feuchtigkeitserzeugungsprozess der vorliegenden Erfindung geschieht vorzugsweise in einer Einzelwaferkammer mit reduziertem Druck einer schnellen thermischen Anlage. Ein schneller thermischer Dampfoxidationsprozess unter Verwendung von in situ Feuchtigkeitserzeugung ist in idealer Weise zur Oxidation eines Siliziumfilms oder Substrats bei der Bildung von modernen integrierten Schaltungen mit ultrahoher Dichte geeignet.
  • Der in situ Feuchtigkeitserzeugungsprozess der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise in einer schnellen thermischen Heizapparatur durchgeführt, wie beispielsweise aber nicht beschränkt auf die Applied Materials, Inc. RTP Centura mit Honigwabensource (Honeycomb Source). Ein andere geeignete schnelle thermische Heizapparatur und ihr Betriebsverfahren wird dargelegt in US-Patent Nr. 5,155,336 , übertragen auf den Begünstigten der vorliegenden Anmeldung. Darüber hinaus können, obwohl die in situ Feuchtigkeitserzeugungsreaktion der vorliegenden Erfindung vorzugsweise in einer schnellen thermischen Heizapparatur durchgeführt wird, andere Typen thermischer Reaktoren verwendet werden, wie beispielsweise der Epi- oder Poly-Centura Einzelwafer „Kaltwand"-Reaktor von Applied Materials, welcher verwendet wird, um Hochtemperaturfilme (HTF), wie beispielsweise epitaxisches Silizium, Polysilizium, Oxide und Nitride, zu bilden.
  • Die 1 und 2 veranschaulichen eine schnelle thermische Heizapparatur 100, welcher verwendet werden kann, um den in situ Feuchtigkeitsoxidationsprozess der vorliegenden Erfindung auszuführen. Eine schnelle thermische Heizapparatur 100, wie in 1 gezeigt, umfasst eine evakuierte Prozesskammer 13, welche abgeschlossen ist durch eine seitliche Wand 14 und eine untere Wand 15. Die seitliche Wand 14 und die untere Wand 15 sind vorzugsweise aus rostfreiem Stahl hergestellt. Der obere Abschnitt der seitlichen Wand 14 der Kammer 13 ist mit einer Fensteranordnung 17 durch „O"-Ringe 16 abgedichtet. Eine Strahlungsenergie-Lichtröhrenanordnung 18 ist positioniert über und gekoppelt mit der Fensteranordnung 17. Die Strahlungsenergie-Anordnung 18 fasst mehrere Wolframhalogenlampen 19, wie beispielsweise Sylvania EYT Lampen, jeweils montiert in einer Lichtröhre 21, welche aus rostfreiem Stahl, Messing, Aluminium oder einem anderen Metall sein kann.
  • Ein Substrat oder ein Wafer 61 wird an seinem Rand der Seitenkammer 13 durch eine Trägerring 62, welche aus Siliziumcarbid hergestellt ist, getragen.
  • Der Trägerring 62 ist auf einem rotierbaren Quarzzylinder 63 montiert. Durch Rotieren des Quarzzylinders 63 können der Trägerring 62 und der Wafer 61 zum Rotieren gebracht werden. Es kann ein zusätzlicher Siliziumcarbid-Adapterring verwendet werden, um es zu ermöglichen, Wafer mit verschiedenen Durchmessern zu verarbeiten (z. B. sowohl 150 mm als auch 200 mm). Das äußere Ende des Trägerrings 62 erstreckt sich vorzugsweise weniger als zwei Zoll vom Außendurchmesser des Wafers 61 aus. Das Volumen der Kammer 13 beträgt etwa zwei Liter.
  • Die untere Wand 15 der Apparatur 100 umfasst eine goldbeschichtete Deckfläche 11 zum Reflektieren von Energie auf die Rückseite des Wafers 61. Darüber hinaus umfasst die schnelle thermische Heizapparatur 100 mehrere faseroptische Sonden 70, positioniert durch die untere Wand 15 der Apparatur 100, um die Temperatur des Wafers 61 an einer Vielzahl von Stellen über seine untere Oberfläche zu detektieren. Reflexionen zwischen der Rückseite des Siliziumwafers 61 und der reflektierenden Oberfläche 11 erzeugen einen Schwarzkörperhohlraum, welcher die Temperaturmessung unabhängig vom Waferrückseiten-Emissionsvermögen gestaltet und stellt so die Fähigkeit zur genauen Temperaturmessung bereit.
  • Die schnelle thermische Heizapparatur 100 umfasst einen Gaseinlass 69, ausgebildet durch die seitliche Wand 14, zum Einspeisen von Prozessgas in die Kammer 13, um verschiedene Verarbeitungsschritte, welche in der Kammer 13 auszuführen sind, zu ermöglichen. Gekoppelt mit dem Gaseinlass 69 ist eine Quelle, wie beispielsweise ein Tank für sauerstoffhaltiges Gas wie beispielsweise O2, und eine Quelle für Wasserstoffgas. Positioniert auf der gegenüber liegenden Seite des Gaseinlasses 69 in der seitlichen Wand 14 ist ein Gasauslass 68. Der Gasauslass 68 ist gekoppelt mit einer Vakuumquelle, wie beispielsweise einer Pumpe, um das Prozessgas aus der Kammer 13 abzusaugen und um den Druck in der Kammer 13 zu reduzieren. Die Vakuumquelle hält einen gewünschten Druck aufrecht, während Prozessgas während des Verarbeitens kontinuierlich in die Kammer eingeführt wird.
  • Die Lampen 19 umfassen einen Draht gewunden als Spirale, wobei deren Achse parallel zu der der Lampenhülle verläuft. Das meiste Licht wird senkrecht zu der Achse gerichtet auf die Wand der umgebenden Lichtröhre emittiert. Die Lichtröhrenlänge wird so gewählt, dass sie wenigstens so lang ist, wie die zugehörige Lampe. Sie kann länger sein, vorausgesetzt dass die Energie, welche den Wafer erreicht, durch erhöhte Reflexion nicht wesentlich geschwächt wird. Die Lichtanordnung 18 umfasst vorzugsweise 187 Lampen, positioniert in einem hexagonalen Array oder in einer „Honigwabenform" wie in 2 abgebildet. Die Lampen 19 sind positioniert, um die vollständige Oberfläche des Wafers 61 und des Trägerrings 62 abzudecken. Die Lampen 19 sind in Zonen gruppiert, welche unabhängig kontrolliert werden können, um ein äußerst gleichmäßiges Erwärmen des Wafers 61 bereitzustellen. Die Heizröhren 21 können gekühlt werden durch Strömenlassen eines Kühlmittels, wie beispielsweise Wasser, zwischen den verschiedenen Heizröhren. Die Strahlungsenergiequelle 18, welche die Vielzahl an Lichtröhren 21 und assoziierte Lampen 19 umfasst, ermöglicht die Verwendung von dünnen Quarzfenstern zur Bereitstellung eines optischen Eingangs zum Erwärmen eines Substrats innerhalb der abführenden (evacuative) Prozesskammer.
  • Die Fensteranordnung 17 umfasst eine Vielzahl kurzer Lichtröhren 41, welche an höher liegenden/darunter liegenden Flanschplatten angelötet sind, wobei deren Außenränder zu einer Außenwand 44 hin abgedichtet sind. Ein Kühlmittel, wie beispielsweise Wasser, kann in den Raum zwischen den Lichtröhren 41 eingeführt werden, um die Lichtröhren 41 und die Flansche zu kühlen. Die Lichtröhren 41 rasten mit den Lichtröhren 21 des Illuminators ein. Der wassergekühlte Flansch mit dem Lichtröhrenmuster, welcher mit dem Lampengehäuse einrastet, ist zwischen zwei Quarzplatten 47 und 48 sandwichartig aufgenommen. Diese Platten sind zum Flansch mit „O"-Ringen 49 und 51 nahe der Flanschperipherie abgedichtet. Die höher liegenden und darunter liegenden Flanschplatten umfassen Auskehlungen, welche eine Kommunikation zwischen den Lichtröhren bereitstellen. Es kann ein Vakuum in der Vielzahl von Lichtröhren 41 erzeugt werden durch Pumpen durch eine Röhre 53, welche mit einer der Lichtröhren 41 verbunden ist, welche wiederum mit dem Rest der Röhren durch eine sehr kleine Aussparung oder Auskehlung in der Flanschfläche verbunden ist. Daher stellt, wenn die sandwichartige Struktur in einer Vakuumkammer 13 platziert ist, der Metallflansch 13, welcher typischerweise aus rostfreiem Stahl besteht und welcher eine exzellente mechanische Festigkeit aufweist, eine geeignete strukturelle Halterung bereit. Das untere Quarzfenster 48, dasjenige welches eigentlich die Vakuumkammer 13 abdichtet, erfährt eine geringe oder keine Druckdifferenz, da das Vakuum auf jeder Seite vorliegt, und es kann deshalb sehr dünn gestaltet werden. Das Adapterplattenkonzept der Fensteranordnung 17 ermöglicht es, dass die Quarzfenster zur Reinigung oder Analyse auf einfache Art gewechselt werden können. Darüber hinaus stellt das Vakuum zwischen den Quarzfenstern 47 und 48 der Fensteranordnung einen extra Grad an Schutz gegen toxische Gase, welche aus der Reaktionskammer entweichen, bereit.
  • Die schnelle thermische Heizapparatur 100 ist eine Einzelwaferreaktionskammer, welche die Temperatur eines Wafers 61 oder eines Substrats mit einer Rate von 25–100°C/s schnell erhöhen kann. Die schnelle thermische Heizapparatur 100 wird als eine „Kaltwand"-Reaktionskammer bezeichnet, da die Temperatur des Wafers während des Oxidationsprozesses wenigstens 400°C höher ist als die Temperatur der Kammerseitenwände 14. Es kann „Erwärmungs-/Kühlungsfluid" durch die Seitenwände 14 und/oder die untere Wand 15 zirkuliert werden, um die Wände bei einer gewünschten Temperatur zu halten. Für einen Dampfoxidationsprozess unter Verwendung der in situ Feuchtigkeitserzeugung der vorliegenden Erfindung werden die Kammerwände 14 und 15 bei einer Temperatur höher als Raumtemperatur (23°C) gehalten, um Kondensation zu verhindern. Die schnelle thermische Heizapparatur 100 wird vorzugsweise konfiguriert als Teil eines „Clustergeräts" („Cluster tool"), welches eine Chargenschleuse und eine Transferkammer mit einem Roboterarm umfasst.
  • Ein Verfahren zur in situ Erzeugung von Feuchtigkeit oder Dampf in einem schnellen thermischen Oxidationsprozess gemäß der vorliegenden Erfindung ist im Flussdiagramm 300 gemäß 3 abgebildet. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung wird in Bezug auf einen in situ Feuchtigkeitserzeugungsprozess in der schnellen thermischen Heizapparatur, welche in den 1 und 2 abgebildet ist, beschrieben. Darüber hinaus wird der Oxidationsprozess der vorliegenden Erfindung beschrieben in Bezug auf die Dampfoxidation oder Passivierung einer Siliziumgateelektrode 402 und einer Siliziumsubstratoberfläche 404 eines Siliziumwafers 61, wie in 4a gezeigt. Man erkennt, dass der in situ Feuchtigkeitserzeugungsoxidationsprozess der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, um eine beliebige Form von Silizium einschließlich epitaxisch, amorph oder polykristallin, umfassend dotierte und nicht dotierte Formen, zu oxidieren. Darüber hinaus kann der Prozess verwendet werden, um andere Vorrichtungen oder Schaltungsmerkmale zu passivieren oder zu oxidieren, einschließlich aber nicht beschränkt auf Emitter- und Kondensatorelektroden, Verbindungen und Trenchelemente und der Prozess kann auch zur Bildung von dielektrischen Gateschichten verwendet werden.
  • Der erste Schritt gemäß der vorliegenden Erfindung, wie in Block 302 dargelegt, ist es, einen Wafer oder ein Substrat, wie beispielsweise Wafer 61, in die Vakuumkammer 13 zu bewegen. Wie es für moderne Clustergeräte typisch ist, wird Wafer 61 mittels eines Roboterarms von einer Chargenschleuse durch eine Transferkammer überführt und mit der Oberseite nach oben auf dem Siliziumcarbidträgerring 62, welcher in Kammer 13 lokalisiert ist, wie in 1 gezeigt, platziert. Der Wafer 61 wird im Allgemeinen in die Vakuumkammer 13 mit einer Stickstoff(N2)umgebung bei einem Überführungsdruck von etwa 20 Torr überführt. Die Kammer 13 wird anschließend abgedichtet.
  • Als nächstes wird, wie in Block 304 dargelegt, der Druck in der Kammer 13 weiter reduziert durch Evakuieren der Stickstoff(N2)umgebung durch Gasauslass 70. Die Kammer 13 wird bis zu einem Druck evakuiert, um die Stickstoffumgebung ausreichend zu entfernen. Die Kammer 13 wird bis zu einem Vorreaktionsdruck abgepumpt, welcher geringer ist als der Druck, an welchem die in situ Feuchtigkeitserzeugung stattfinden soll und wird vorzugsweise bis zu einem Druck von weniger als 1 Torr abgepumpt.
  • Gleichzeitig zum Abpumpen vor der Reaktion wird auf die Lampen 19 Energie angelegt, welche wiederum die Wafer 61 und den Siliziumcarbidträgerring 62 bestrahlen und dadurch den Wafer 61 und den Trägerring 62 bis zu einer Stabilisierungstemperatur erwärmen. Die Stabilisierungstemperatur des Wafers 61 ist geringer als die Temperatur (Reaktionstemperatur), welche benötigt wird, um die Reaktion des Wasserstoffgases und des sauerstoffhaltigen Gases, welche zur in situ Feuchtigkeitserzeugung verwendet werden sollen, zu initiieren. Die Stabilisierungstemperatur in der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt etwa 500°C.
  • Sobald die Stabilisierungstemperatur und der Vorreaktionsdruck erreicht worden sind, wird die Kammer 13 mit dem gewünschten Gemisch an Prozessgas wieder befüllt. Das Prozessgas umfasst ein Reaktionspartnergasgemisch, umfassend zwei Reaktionspartnergase: Wasserstoffgas und ein sauerstoffhaltiges Gas, welche miteinander umgesetzt werden können zur Bildung von Wasserdampf (H2O) bei Temperaturen zwischen 400–1250°C. Das sauerstoffhaltige Gas ist vorzugsweise Sauerstoffgas (C2), aber kann jede andere Art von sauerstoffhaltigem Gas sein, wie beispielsweise aber nicht beschränkt auf Distickstoffoxid (N2O). Andere Gase, wie beispielsweise aber nicht beschränkt auf Stickstoff (N2) können, falls gewünscht, vom Prozessgasgemisch umfasst sein. Das sauerstoffhaltige Gas und das Wasserstoffgas werden vorzugsweise in Kammer 13 zur Bildung des Reaktionspartnergasgemisches miteinander gemischt.
  • In der vorliegenden Erfindung wird der Partialdruck des Reaktionspartnergasgemisches (d. h. der kombinierte Partialdruck des Wasserstoffgases und des sauerstoffhaltigen Gases) kontrolliert, um sichere Reaktionsbedingungen zu gewährleisten. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird Kammer 13 wieder mit Prozessgas befüllt, so dass der Partialdruck des Reaktionspartnergasgemisches geringer ist als der Partialdruck, an welchem eine spontane Verbrennung des vollständigen Volumens des gewünschten Konzentrationsverhältnisses von Reaktionspartnertengas eine Detonationsdruckwelle mit vorbestimmten Ausmaß nicht erzeugen wird. Das vorbestimmte Ausmaß ist das Ausmaß an Druck, welches Kammer 13 verlässlich handhaben kann, ohne zu versagen. 5 ist eine graphische Darstellung, welche die Detonationsdrücke für verschiedene Reaktionspartnergasgemische von O2 und H2 bei einem Partialdruck von 150 Torr für die spontane Verbrennung des gesamten Volumens, etwa 2 Liter, von Kammer 13 bei einer Prozesstemperatur von 950°C zeigt. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die in situ Feuchtigkeitserzeugung vorzugsweise in einer Reaktionskammer durchgeführt, welche verlässlich eine Detonationsdruckwelle von vier Atmosphären oder mehr bewältigen kann, ohne dass ihre Integrität betroffen wird. In einem derartigen Fall führen Reaktionspartnergaskonzentrationen und Betriebspartialdruck für die spontane Verbrennung des gesamten Volumens der Kammer vorzugsweise nicht zu einer Detonationswelle größer als zwei Atmosphären.
  • Durch Kontrollieren des Kammerpartialdrucks des Reaktionspartnergasgemisches in der vorliegenden Erfindung kann ein beliebiges Konzentrationsverhältnis von Wasserstoffgas und sauerstoffhaltigem Gas verwendet werden, einschließlich wasserstoffreichen Gemischen unter Verwendung von H2/O2-Verhältnissen größer als 2:1 bzw. sauerstoffreichen Gemischen unter Verwendung von H2/O2-Verhältnissen kleiner als 0,5:1. Beispielsweise zeigt 5, dass ein beliebiges Konzentrationsverhältnis von O2 und H2 auf sichere Art und Weise verwendet werden kann, solange der Kammerpartialdruck der Reaktionspartnergase bei weniger als 150 Torr bei Prozesstemperatur gehalten wird. Die Fähigkeit, ein beliebiges Konzentrationsverhältnis von sauerstoffhaltigem Gas und Wasserstoffgas zu verwenden, ermöglicht es, eine Umgebung mit einem beliebigen gewünschten Konzentrationsverhältnis von H2/H2O oder einem beliebigen gewünschten Konzentrationsverhältnis von O2/H2O zu erzeugen. Ob die Umgebung sauerstoffreicher oder -verdünnter Dampf oder wasserstoffreicher oder -verdünnter Dampf ist, kann die elektrischen Eigenschaften der Vorrichtung in starkem Maße beeinflussen. Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine breite Vielfalt an verschiedenen Dampfumgebungen, welche hergestellt werden können, und somit eine breite Vielfalt an verschiedenen zu implementierenden Oxidationsprozessen.
  • In einigen Oxidationsprozessen kann eine Umgebung mit einer niedrigen Dampfkonzentration mit dem Rest O2 erwünscht sein. Eine derartige Umgebung kann gebildet werden unter Verwendung eines Reaktionspartnergasgemisches, umfassend 10% H2 und 90% O2. In anderen Prozessen kann eine Umgebung von wasserstoffreichem Dampf (70–80% H2/30–20% H2O) erwünscht sein. Eine wasserstoffreiche Umgebung mit niedriger Dampfkonzentration kann gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugt werden unter Verwendung eines reaktiven Gasgemisches, umfassend zwischen 5–20% O2 mit den Rest H2 (95–80%). Es wird anerkannt, dass in der vorliegenden Erfindung ein beliebiges Verhältnis von Wasserstoffgas und sauerstoffhaltigem Gas verwendet werden kann, da der erwärmte Wafer eine kontinuierliche Zündquelle zum Steuern der Reaktion bereitstellt. Anders als in Verfahren mit pyrogener Fackel ist die vorliegende Erfindung nicht beschränkt auf spezifische Gasverhältnisse, welche notwendig sind, um eine stabile Flamme brennend zu halten.
  • Als nächstes wird, wie in Block 308 dargelegt, die Energie zu den Lampen 19 erhöht, um die Temperatur von Wafer 61 schnell auf Prozesstemperatur zu erhöhen. Wafer 61 wird vorzugsweise von der Stabilisierungstemperatur auf Prozesstemperatur mit einer Rate zwischen 10–100°C/s schnell erhöht, wobei 50°C/s bevorzugt sind. Die bevorzugte Prozesstemperatur der vorliegenden Erfindung liegt zwischen 600–1150°C, wobei 950°C bevorzugt sind. Die Prozesstemperatur muss wenigstens die Reaktionstemperatur sein (d. h. muss wenigstens die Temperatur sein, an welcher die Reaktion zwischen dem sauerstoffhaltigen Gas und dem Wasserstoffgas durch den Wafer 61 initiiert werden kann), welche typischerweise wenigstens 600°C beträgt. Es ist anzumerken, dass die tatsächliche Reaktionstemperatur sowohl vom Partialdruck des Reaktionspartnergasgemisches als auch von dem Konzentrationsverhältnis des Reaktionspartnergasgemisches abhängig ist und zwischen 400°C bis 1250°C liegen kann.
  • Wenn die Temperatur von Wafer 61 schnell auf Prozesstemperatur erhöht wird, durchläuft sie die Reaktionstemperatur und führt zur Reaktion des Wasserstoffgases und des sauerstoffhaltigen Gases unter Bildung von Feuchtigkeit oder Dampf (H2O). Da die schnelle thermische Heizapparatur 100 ein „Kaltwand"-Reaktor ist, sind nur der Wafer 61 und der Trägerring 62 ausreichend heiße Oberflächen in Kammer 13, um die Reaktion zu initiieren.
  • Deswegen vollzieht sich in der vorliegenden Erfindung die feuchtigkeitserzeugende Reaktion in der Nähe, etwa 1 cm entfernt, von der Oberfläche des Wafers 61. In der vorliegenden Erfindung ist die feuchtigkeitserzeugende Reaktion beschränkt auf innerhalb von etwa zwei Zoll des Wafers oder etwa um das Ausmaß, um welches der Trägerring 62 sich über die Außenkante des Wafers 61 erstreckt. Da es die Temperatur des Wafers (und des Trägerrings) ist, welche die feuchtigkeitserzeugende Reaktion initiiert oder „einschaltet", gilt die Reaktion als thermisch kontrolliert durch die Temperatur des Wafers 61 (und des Trägerrings 62). Darüber hinaus gilt die Dampferzeugungsreaktion der vorliegenden Erfindung als „oberflächenkatalysiert", da die erwärmte Oberfläche des Wafers notwendig ist, dass die Reaktion stattfindet, welche aber in der Reaktion, die den Wasserdampf bildet, nicht verbraucht wird.
  • Als nächstes wird, wie in Block 310 dargelegt, sobald die gewünschte Prozesstemperatur erreicht worden ist, die Temperatur von Wafer 61 für einen ausreichend langen Zeitraum konstant gehalten, um es dem Wasserdampf, welcher aus der Reaktion des Wasserstoffgases und des sauerstoffhaltigen Gases erzeugt wurde, zu ermöglichen, die Siliziumoberflächen oder -filme unter Bildung von SiO2 zu oxidieren. Der Wafer 61 wird typischerweise bei einer Prozesstemperatur für zwischen 30 bis 120 Sekunden gehalten. Die Prozesszeit und die -temperatur werden im Allgemeinen durch die gewünschte Stärke des Oxidfilms, dem Zweck der Oxidation und der Art und den Konzentrationen der Prozessgase vorgegeben. 4b zeigt ein Oxid 406, gebildet auf Wafer 61 durch Oxidation von Siliziumoberflächen 402 und 404 durch Wasserdampf (H2O), welcher durch den in situ Feuchtigkeitserzeugungsprozess der vorliegenden Erfindung erzeugt wurde. Es wird anerkannt, dass die Prozesstemperatur ausreichend hoch sein muss, um die Reaktion des erzeugten Wasserdampfs (water vapor) oder Dampfs (steam) mit Siliziumoberflächen zur Bildung von Siliziumdioxid zu ermöglichen.
  • Als nächstes wird, wie in Block 312 dargelegt, die Energie zu den Lampen 19 verringert oder abgeschaltet, um die Temperatur von Wafer 61 zu reduzieren. Die Temperatur von Wafer 61 wird so schnell geringer (nimmt schnell ab), wie er abkühlen kann (mit etwa 50°C/s). Gleichzeitig wird N2-Spülgas in die Kammer 13 eingeführt. Die Feuchtigkeitserzeugungsreaktion endet, wenn der Wafer 61 und der Trägerring 62 unter die Reaktionstemperatur fallen. Wiederum ist es die Wafertemperatur (und der Trägerring), die vorgibt, wann die Feuchtigkeitsreaktion „angeschalten" oder „ausgeschalten" wird.
  • Als nächstes wird, wie in Block 314 dargelegt, die Kammer 13 abgepumpt, vorzugsweise auf unterhalb 1 Torr, um sicherzustellen, dass kein restliches sauerstoffhaltiges Gas und Wasserstoffgas in der Kammer 13 vorliegen. Die Kammer wird dann mit N2-Gas wieder bis auf den gewünschten Überführungsruck von etwa 20 Torr befüllt und Wafer 61 wird aus der Kammer 13 zur Vervollständigung des Prozesses überführt. Zu diesem Zeitpunkt kann ein neuer Wafer in die Kammer 13 eingeführt werden und der Prozess kann, wie in Flussdiagramm 300 dargelegt, wiederholt werden.
  • Hin und wieder kann es wünschenswert sein, Konzentrationsverhältnisse von Wasserstoffgas und sauerstoffhaltigem Gas zu verwenden, welcher zu einer Umgebung mit einer hohen Konzentration an Wasserdampf (z. B. größer > 40% H2O) führen. Eine derartige Umgebung kann gebildet werden mit einem Reaktionspartnergasgemisch, beispielsweise umfassend 40–80% H2/60–20% O2. Ein Gasgemisch nahe dem stöchiometrischen Verhältnis kann zu viel brennbares Material zur Sicherstellung von sicheren Reaktionsbedingungen ergeben. In einer derartigen Situation kann ein Gasgemisch mit niedriger Konzentration (z. B. weniger als 15% O2 in H2O) in der Reaktionskammer während Schritt 306 bereitgestellt werden, die Wafertemperatur auf die Reaktionstemperatur in Schritt 308 erhöht werden und die Reaktion mit dem niedrigeren Konzentrationsverhältnis initiiert werden. Sobald die Reaktion initiiert worden ist und das vorliegende Reaktionspartnergasvolumen beginnt abzunehmen, kann das Konzentrationsverhältnis auf den gewünschten Grad erhöht werden. Auf diesem Weg wird die Menge an Reaktionspartnergas, welche zu Beginn der Reaktion zur Verfügung steht, klein gehalten und sichere Betriebsbedingungen werden sichergestellt.
  • In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein relativ geringer Reaktivgaspartialdruck zur in situ Dampferzeugung verwendet, um gesteigerte Oxidationsraten zu erhalten. Es wurde herausgefunden, dass durch Bereitstellen eines Partialdrucks von zwischen 1 Torr bis 50 Torr Wasserstoffgas (H2) und Sauerstoffgas (O2) eine gesteigerte Oxidwachstumsrate von Silizium erreicht werden kann. Dass heißt, für einen gegebenen Satz an Prozessbedingungen (d. h. H2/O2-Konzentrationsverhältnis, Temperatur und Strömungsrate) ist die Oxidationsrate von Silizium für niedrigere Partialdrücke (1–50 Torr) von H2 und O2 tatsächlich größer als für höhere Partialdrücke (d. h. von 50 Torr bis 100 Torr).
  • Die graphischen Darstellungen von 6 veranschaulichen, wie Reaktionspartnergaspartialdrücke die Oxidationsrate von Silizium erhöhen können. Die graphische Darstellung 602 zeigt verschiedene Oxiddicken, welche gebildet werden für verschiedene Reaktionspartnergaspartialdrücke für eine Umgebung, erzeugt durch Umsetzen von 9% H2 mit 91% O2 bei 1050°C für 30 Sekunden. Die graphische Darstellung 604 zeigt verschiedene Oxiddicken, welche gebildet werden für verschiedene Reaktionspartnergaspartialdrücke für eine Umgebung, erzeugt durch Umsetzen von 33% H2 mit 66% O2 bei 1050°C für 60 Sekunden.
  • Es ist offensichtlich aus den Graphen von 6, dass wenn der Reaktionspartnergaspartialdruck von H2 und O2 stufenweise erniedrigt wird von Atmosphärendruck zu etwa 50 Torr für 9% H2 und zu etwa 30 Torr für 33% H2, die Oxidationsrate von Silizium ebenfalls stufenweise abnimmt. Eine Abnahme der Oxidationsrate für Silizium mit einer Abnahme des Reaktionspartnergaspartialdrucks wird dahingehend erwartet, dass man erwarten würde, dass, wenn weniger O2 und H2 zur Erzeugung von Dampf zur Verfügung stehen, die Oxidationsrate abnimmt. Wenn ein Reaktionspartnergaspartialdruck von weniger als oder gleich etwa 50 Torr für 9% H2 und 30 Torr für 33% H2 erhalten wird, beginnt die Oxidationsrate ziemlich unerwartet zu steigen mit stufenweisen Abnahmen hinsichtlich des Reaktionspartnergaspartialdrucks. Die Oxidationsrate steigt kontinuierlich bis eine maximale gesteigerte Oxidationsrate erreicht wird bei etwa 8–12 Torr, wobei bei diesem Punkt die Oxidationsrate beginnt abzunehmen für stufenweisen Abnahmen des Reaktionspartnergaspartialdrucks. Obwohl die Oxidationsrate beginnt abzunehmen, nachdem die maximale gesteigerte Oxidationsrate bei 8–12 Torr erreicht wurde, stellt sie noch immer eine gesteigerte Oxidationsrate bereit (d. h. stellt eine Oxidationsrate bereit, welche größer ist, als die Oxidationsrate, welche bei etwa 50 Torr (9% H2) und 30 Torr (33% H2) erzeugt wird), bis ein Reaktionspartnergaspartialdruck von etwa 1–3 Torr erreicht wird, wobei an diesem Punkt die Oxidationsratensteigerung abfällt.
  • In der Ausführungsform mit gesteigerter Oxidation der vorliegenden Erfindung wird die in situ Dampferzeugung durchgeführt bei einem Reaktionspartnergaspartialdruck von sauerstoffhaltigem Gas und Wasserstoffgas, bei welchem die gesteigerte Oxidation stattfindet. Dass heißt, in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung geschieht die in situ Dampferzeugung bei einem maximalen Reaktionspartnergaspartialdruck von Sauerstoffgas (O2) und Wasserstoffgas (H2), welcher geringer ist oder gleich ist zu dem Reaktionspartnergaspartialdruck, bei welchem eine Abnahme des Reaktionspartnergaspartialdrucks für einen gegebenen Satz an Verfahrensparametern zu einer Steigerung der Oxidationsrate von Silizium führt. Darüber hinaus ist in der Ausführungsform mit gesteigerter Oxidation der vorliegenden Erfindung der minimale Reaktionspartnergaspartialdruck der Druck, an welchem die Oxidationsrate größer ist oder gleich ist, wie die Oxidationsrate beim maximalen Reaktionspartnergaspartialdruck. Der minimale Reaktionspartnergaspartialdruck beträgt im Allgemeinen etwa 1–3 Torr. Eine erhöhte Oxidation von Silizium durch eine Dampfumgebung kann erzeugt werden durch Umsetzen von H2 und O2 zwischen einem minimalen Reaktionspartnergaspartialdruck von zwischen 1–3 Torr und einem maximalen Reaktionspartnergaspartialdruck von etwa 50 Torr. In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine in situ Dampferzeugung durchgeführt bei einem kombinierten sauerstoffhaltigen Gas- und Wasserstoffgaspartialdruck von zwischen 5–15 Torr, wobei hier der Scheitelwert der gesteigerten Oxidationsrate auftritt.
  • Es wird anerkannt, dass das Betreiben eines in situ Dampferzeugungsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung bei einem Reaktantengaspartialdruck, bei welchem eine erhöhte Oxidation auftritt, aus mehreren Gründen wertvoll ist. Eine Erhöhung der Oxidationsrate bedeutet weniger erforderliche Oxidationszeit, um ein Oxid mit einer gegebenen Stärke aufwachsen zu lassen, wodurch der Durchsatz erhöht wird, was dadurch die Betriebskosten eines Gerät erniedrigt. Derartige Steigerungen hinsichtlich des Waferdurchsatzes sind sehr wichtig, wenn Einzelwaferreaktoren, wie beispielsweise eine schnelle thermische Heizapparatur 100, verwendet werden. Darüber hinaus reduzieren kurze Oxidationszeiten das Wärmebudget (thermal budget) von Halbleiterchips, was ihre Leistungsfähigkeit und Verlässlichkeit verbessert. Darüber hinaus macht es eine Erhöhung der Oxidationsrate möglich, das in situ Dampferzeugungsverfahren der vorliegenden Erfindung zur Erzeugung von dicken Oxiden zu verwenden (z. B. Oxide größer als 100 Å).
  • Darüber hinaus stellt ein Betreiben bei niedrigen Reaktionspartnergaspartialdrücken nicht nur den Vorteil einer gesteigerten Oxidationsrate bereit, sondern stellt auch den Vorteil von sicheren Betriebsbedingungen bereit, da der Detonationsdruck, welcher durch die spontane Verbrennung des gesamten Volumens der Kammer erzeugt wird, aufgrund der kleinen zur Verfügung stehenden Menge Brennstoff minimiert wird. Darüber hinaus beugt ein Arbeiten bei niedrigen Partialdrücken der Kondensation von Feuchtigkeit innerhalb einer „Kaltwand"-Kammer vor, wodurch die Einführung eines unkontrollierten Reaktionspartners vermieden wird.
  • Obwohl die Oxidationsraten von nur zwei Konzentrationsverhältnissen von H2/O2 in 6 dargestellt sind, verhalten sich die Oxidationsraten von anderen Konzentrationsverhältnissen zwischen 2% H2/98% O2 bis 66% H2/33% O2 auf ähnliche Art und Weise. Es wurde herausgefunden, dass, wenn mit Reaktionspartnergaspartialdrücken gearbeitet wird, bei welchen eine erhöhte Oxidation auftritt, die Oxidationsrate von Silizium durch das Konzentrationsverhältnis des Wasserstoffgases und des sauerstoffhaltigen Gases beeinflusst wird. Beispielsweise veranschaulicht 7 verschiedene Oxidationsdicken für verschiedene Konzentrationsverhältnisse von H2 und O2 für einen gegebenen Satz an Verfahrensparametern (d. h. O2-Strömung 10 SLM, Reaktionspartnergaspartialdruck 10 Torr, Temperatur 1050°C und Zeit 30 Sekunden). Wie in 7 dargestellt, tritt der größte Anstieg der Oxidationsrate zwischen 1–5% H2 auf, während sich nach 33% H2 die Oxidationsrate bei etwa 150 Å pro Minute stabilisiert.
  • 8 veranschaulicht, wie die Oxiddicke variiert für die Oxidationszeit für verschiedene in situ Dampfoxidationsprozesse (33% H2/66% O2; 5% H2/95% O2; 2% H2/98% O2; alle bei 10 Torr) und verschiedene Trockenoxidationsprozesse (100% O2 bei 10 Torr und 100% O2 bei Atmosphärendruck). Wie in 8 dargestellt, bieten Dampfoxidationsverfahren bei reduziertem Druck erhöhte Oxidationsraten im Vergleich zu Trockenoxidationsverfahren bei dem gleichen Druck. Darüber hinaus stellen in situ Dampferzeugungsoxidationsverfahren mit einer H2-Konzentration von größer als 3% höhere Oxidationsraten als Trockenoxidationsverfahren bereit, wobei dies bei allen Oxidationsdrücken einschließlich Atmosphärendruck gilt.
  • In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Konzentrationsverhältnis zwischen 2% H2/98% O2 bis 33% H2/66% O2 verwendet, da es eine zufriedenstellende Oxidationsrate erzeugt, aber noch immer eine niedrige Konzentration an Reaktionspartnergas verwendet, wodurch das Verfahren sicher gestaltet wird. Es wird anerkannt, dass, wenn die Konzentrationsverhältnisse näher am stöchiometrischen Verhältnis liegen (66% H2/33% O2), die Möglichkeit besteht, dass das vollständige Volumen der Kammer spontan verbrennt. Durch Arbeiten im Konzentrationsbereich von zwischen 2%–33% H2 ist man in der Lage, Oxidationsraten nahe der Oxidationsrate des stöchiometrischen Verhältnisses zu erhalten, aber ohne die Gefahr der spontanen Verbrennung des vollständigen Volumens, da nur ein kleiner Prozentsatz H2 zur Reaktion zur Verfügung steht. Es wurde herausgefunden, dass durch Arbeiten mit einem Konzentrationsverhältnis von 33% H2/66% O2 eine gute Oxidationsrate erhalten werden kann, während eine ausreichend niedrige Konzentration an H2 bereitgestellt wird, um sichere Betriebsbedingungen zu gewährleisten.
  • Wenn bei Oxidationsdrücken gearbeitet wird, durch welche erhöhte Siliziumoxidationsraten erhalten werden, wird die Oxidationsrate stark durch die Gesamtströmungsrate des sauerstoffhaltigen Gases und des Wasserstoffgases beeinflusst. Beispielsweise veranschaulicht 9 wie die Oxidationsrate von Silizium für die Gesamtströmungsrate eines 33% H2/66% O2 Reaktionspartnergasgemisches bei einem Reaktionspartnergaspartialdruck von 10 Torr und einer Temperatur von 1050°C in einer schnellen thermischen Prozessierungsapparatur 100, welche ein Kammervolumen von etwa 2 Litern aufweist, variiert. Wie in 9 gezeigt, erhöht eine Erhöhung der Gesamtströmungsrate die Oxidationsrate, wenn bei niedrigem Reaktionspartnergaspartialdrücken gearbeitet wird, um gesteigerte Oxidationsraten zu erzeugen. Wie in 9 gezeigt, steigt die Oxidationsrate für einen Anstieg der Gesamtströmung dramatisch an, wenn die Gesamtströmung geringer als 10 SLM ist und steigt an, aber weniger dramatisch, für Anstiege hinsichtlich der Gesamtströmung von über 10 SLM.
  • Entsprechend kann, wenn bei einem Partialdruck zur Bereitstellung gesteigerter Oxidation gearbeitet wird, von der Oxidationsrate von Silizium gesagt werden, dass sie „Massentransport-Rate"-beschränkt ist. Das heißt, die Oxidationsrate ist beschränkt durch die Menge an Reaktionspartnergas, welches in die Kammer eingeführt wird. Die Tatsache, dass das in situ Dampfoxidationsverfahren der vorliegenden Erfindung „Massentransport-Rate"-beschränkt werden kann, ist dahingehend ziemlich unerwartet, dass die vorliegende Erfindung relativ hohe Reaktionspartnergasströmungsraten verwendet (größer als 5 SLM in eine 2 Liter-Kammer). Bei derartigen hohen Strömungsraten würde man erwarten, dass ausreichend Reaktionspartner zur Verfügung stehen, um die Oxidationsrate von der Massentransportrate unabhängig zu gestalten. Es wird auch anerkannt, dass von Siliziumoxidationsverfahren im Allgemeinen angenommen wird, dass sie „Oberflächenreaktionsrate"-beschränkt sind, wobei die Temperatur die Oxidationsrate kontrolliert und nicht die Strömungsrate der Reaktionspartnergase.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung beschrieben worden ist mit Hinblick auf die in situ Erzeugung eines Dampfs einer spezifischen reaktiven Spezies, Wasser, muss anerkannt werden, dass die Lehren der vorliegenden Erfindung auch auf andere Prozesse angewandt werden können, in denen die Temperatur eines Wafers verwendet wird, um die Reaktion von Reaktionspartnergasen zur Bildung eines Dampfs einer reaktiven Spezies nahe der Waferoberfläche zu initiieren oder zu katalysieren. Die reaktive Spezies Dampf kann anschließend umgesetzt werden mit den Wafer oder mit Filmen, welche darauf ausgebildet sind, um eine Oxidation durchzuführen. Andere Anwendungen für das in situ Dampferzeugungsverfahren der vorliegenden Erfindung sind für den Fachmann offensichtlich.
  • Es wurde deshalb ein neues Verfahren zur in situ Erzeugung von Dampf in einem schnellen thermischen Oxidationsprozess beschrieben.

Claims (10)

  1. Verfahren zur Bildung eines Oxids, wobei das Verfahren umfasst: (a) Platzieren eines Substrats in einer Kammer eines Kaltwandreaktors; (b) Bereitstellen eines sauerstoffhaltigen Gases in der Kammer; (c) Bereitstellen von Wasserstoffgas (H2) in der Kammer; (d) Erwärmen des Substrats auf eine Temperatur, welche ausreichend ist, eine Reaktion zwischen dem sauerstoffhaltigem Gas und dem Wasserstoffgas (H2) in der Kammer in der Nähe des Substrats zu initiieren, um ein Umgebungsgas in der Kammer zu bilden; und (e) Oxidieren des Substrats mit dem Umgebungsgas.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Substrat auf eine Temperatur von wenigstens 600°C erwärmt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Substrat auf eine Temperatur zwischen 600°C und 1150°C erwärmt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der kombinierte Partialdruck des sauerstoffhaltigen Gases und des Wasserstoffgases vor der Reaktion von sauerstoffhaltigem Gas und Wasserstoffgas weniger als eine Atmosphäre ist (101325 Pascal).
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der kombinierte Partialdruck des sauerstoffhaltigen Gases und des Wasserstoffgases in der Kammer während der Reaktion kleiner oder gleich 19998 Pascal (150 Torr) ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der kombinierte Partialdruck des sauerstoffhaltigen Gases und des Wasserstoffgases zwischen 133 und 6666 Pascal (1 und 50 Torr) ist.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der kombinierte Partialdruck des sauerstoffhaltigen Gases und des Wasserstoffgases zwischen 667 und 2000 Pascal (5 und 15 Torr) ist.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das sauerstoffhaltige Gas Sauerstoff (O2) ist.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Wasserstoffgas und das Sauerstoffgas in einem Verhältnis von 2% H2/98% O2 bis 33% H2/66% O2 umgesetzt werden.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Substrat ein Siliziumsubstrat oder ein Substrat mit einem Siliziumfilm ist.
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