TW452891B - Method for manufacturing thin gate silicon oxide layer - Google Patents
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Description
4 528 五、發明說明(1) 【發明之背景】 發明之領域 .本發明係關於一半導體裝置的製造方法,尤有關於一 種用於金屬氧化半導體(MOS, metal oxide semiconductor )電晶體及其類似物而厚度小於40 A的閘 極矽氧化層的製造方法。 在先前技術中,M0S電晶體及其類似物的製造方法, 是將矽基片置於一溫度約為3 0 0 -7 0 0 °C的氧化鎔爐上,再 將氧化鎔爐的溫度提高至7 5 0 - 9 0 0 °C,並施行一氧化操作 於此矽基片上,以生成主要矽氧化層於矽上。於此情況 下,一初期矽氧化層生成於主要矽氧化層生成前。亦即, 為了要生成初期矽氧化層,於矽基片置入步驟期間及升溫 步驟期間,要供應包含1 - 2 %氧氣和氮氣的混和氣體至鎔 爐中。(見JP-A-4-186835)稍後會詳細加以解釋。 應注意者,一個完整的閘極矽氧化層由初期矽氧化層 和主要矽氧化層組成。 雖然初期矽氧化層以品質而言不佳,但初期矽氧化層 作為一覆蓋層,以避免矽基片在主要矽氧化層生成之 7 5 0 - 9 0 0 °C時移動。因此,初期矽氧化層抑制了矽基片表 面的粗糙,以得到在石夕基月和閘極石夕氧化層之間較佳的界 面,此會增進閘極矽氧化層之可靠度。 然而,在閘極矽氧化層中,因初期矽氧化層是在矽基 片置入步驟及升溫步驟二者期間生成,流經鎔爐的氧氣濃 度高,即1 - 2 % ,當閘極石夕氧化層太薄,_例如小於4 0 A ,
4528 五、發明說明(2) 、 初期矽氧化層對於整個閘極矽氧化層的比例變成大於約5 0 i ,會使得整個閘極矽氧化層劣化。 【發明之概述】 本發明之目的是要改良、一小於40 A厚度的閘極矽氧化 層。 依據本發明之半導體裝置的製造方法中,矽基片被置 入於一氧化鎔爐内,其溫度為第一值,氧化鎔爐的溫度被 升高到第二值,並於矽基片上施行氧化操作而生成主要矽 氧化層於矽基片上,在氧化操作施行步驟前所生成的初期 石夕氧化層的厚度,對於由初期矽氧化層和主要矽氧化層組 成的小於4 0 A厚度的閘極矽氧化層的比例,大約為2 0 - 4 0 % ° 當初期矽氧化層的厚度對於整個閘極矽氧化層的比例 大約為2 0 - 4 0 %時,整個閘極矽氧化層的劣化被抑制,而 矽基片的表面及矽基片和閘極矽氧化層之間的界面之粗糙 特性仍然保持。 【較佳具體例之說明】 在說明較佳具體例之前,先前技術之製造MOS電晶體 的方法,要先以參照圖1 A、1 Β、1 C及1 D來解釋。 首先,參照圖1 A,一 P-型單晶矽基片1被矽的局部氧化 (LOCOS, Local oxidation of silicon)製程熱氧化, 以生成一局部矽氧化層2於其上。 其次,參照圖1 B,閘極矽氧化層3由於熱氧化的矽基 片1而形成。
452 五、發明說明(3) 再其次,參照圖1 C,.多晶矽層及/或折射金屬層附著 於閘極矽氧化層3上,並由光刻法及侵蝕製程摹製形成閘 一電極4。 最後,參照圖1 D,閘極矽氧化層3利用閘極電極4作為 掩護進行侵蝕,而後將N型雜質離子如珅離子以和閘極電 極4自動排列成行的方式*植入石夕基片1内’形成而雜質區 域(源頭/出口區域)5於矽基片1内。因此完成了一 MOS電晶 體。 閘極矽氧化層3的形成,接下來以參照圖2來解釋。 在形成閘極砍氧化層3之前,將一晶圓带成如圖1 A所 述之局部矽氧化層2,放入稀氟酸溶液中,以除去其上的 污染及自然的矽氧化物。 首先,在時間10,將晶圓置入於一氧化鎔爐中,其溫 度約為300-700 °C ,並有卜2%氧氣(02)及氮氣(N2)之 混合氣 其 高。同 爐。 再 °C。同 純氧氣 再 降低。 化製程 體流經。 次,在時間11,鎔爐溫度以固定速率如1 0 °C / m i η升 時,於此狀態下,上面所提之混合氣體也流經鎔 其次,在時間t 2,鎔爐保持於固定溫度如7 5 0 - 9 0 0 時,在鎔爐中,1-2%氧氣/氮氣的混合氣流轉換成 流,以施行一乾式氧化製程。 其次,在時間t 3,嫁爐溫度以固定速率如1 0 °C / m i η 同時,將純氧氣流轉換成純氮氣流,以停止乾式氧
4528 五、發明說明(4) 因此鎔爐 再其次,在時間t 4,鎔爐的降溫操作 溫度回到約3 0 0 - 7 0 0 °C 。 將晶圓自錐墟中取出 最後,在時間t 由圖2所示之加熱製程所得的閘極,矽 & 3。亦即,閘極矽氧化層 > 坫鈿士、古Λ9 &d况明於圖
鬥十9娇形占沾如如功技層&'的組本有由圖2中從時間t(J到時 間 t Z 所 成的初期·ζ^氧 抵 q 1 n q a /jlA 孔化層3 1及圖2中從時間t 2到時間t 3 所形成的主要矽氧化層3 2。 巧吋間t <5 初期矽氧化層31的厚度τ〇χ初期可由調整從時間t〇到 間t2的時間長度T1而改變,而主'要矽氧化層32的厚度τ〇χ 要可由調整從時間t 2到時間t 3的時間長度τ 2而改變。 主 雖然相期碎氧化層31以品質而言报差,初期矽氣化層 31擔任為覆蓋層以避免矽基片i在約750-90 0 t ,主要妙& 化層3 2生成時移動。因此,初期矽氧化層3丨抑制了石夕基片 1表面的粗糙,以得到在矽基月丨及閘極矽氧化層3之間\ 佳的界面’此會增進閘極矽氧化層3的可靠度。 然而’在圖3的閘極矽氧化層3中,因初期矽氧化層3 j 是從時間t 0到時間tl加上時間11到時間t 2形成,期間氧氣 流經嫁爐的濃度高,即卜2 % ,當閘極矽氧化層3太薄,例 如小於40 A ,則初期矽氧化層3 1對於整個閘極矽氧化層的 比例變成大於約5 〇 % ,會使.得整個閉極妙氧化層&劣化。 請注意,如果閘極矽氧化層3等於4 〇 A厚,則初期;6夕氧化 層31為18 A 。 依據本發明之製造閘極矽氧化層 體例說明於下,並參照圖4。
的第一個具
第8頁 4528 l 五、發明說明(5) 在形成 述之局部矽 污染及自然 首先, 度約為3 0 0 -之混合氣體 其次, 馬。同時, 期矽氧化層 再其次 C。同時, -乾式氧化 再其次 降低。同時 化製程。 閘極矽氧化層3之前,將一曰m g , a〇 , ^ ^ _ 晶圓形成如圖1A所 氧化層2,放入稀氟酸溶你 沾功每& & 合夜中’以除去其上的 的矽氧化物。 在k間to,將晶圓置入於__ 70 A 〇r 〇 〇/ 、~氧化鎔爐中,其溫 M0C ’並有約卜2%氧翁“、 流經。 乳乳(〇2 )及氮氣(N2 ) 协〇·心沾 “ s产固疋速率如liTC/min升 於此狀態下’純氛氣體浦破奸仏 的成長。 机經鎔爐,因此停止初 ,在時間12,鎔爐保持於田〜 ^ ,^ L 才於固定溫度如750-900 在鎔爐中’純氮氣流轉換 *„ 付俠成純軋氣流,以施行 製程。 ,在時間13,鎔爐溫度以固定速率如1(rc/min ,將純氧氣流轉換成純氮氣流’以停止乾式氧 再其次,在時間t4 ,鎔爐的降溫操作停止,因此鎔爐 溫度回到約3 〇 〇 - 7 〇 〇。(:。 最後’在時間15,將晶圓自鎔爐中取出。 由圖4所示之加熱製程所得的閘極矽氧化層3說明於圖 5 °亦即’閘極矽氧化層3的組成有由圖4中從時間t 〇到時 間11所形成的初期矽氧化層3丨及圖4中從時間12到時間13 所形成的主要矽氧化層32。 初期矽氧化層31的厚度T0X初期可由調整從時間t0到時 間t2的時間長度T1而改變,而主要矽氧化層32的厚度T0X主
ά528. 、發明說明(6) 要叮由調整從時間t 2到時間13的時間長度τ 2而改變。
如前所述’雖然初期矽氧化層3 1以品質而言很差,初 期石夕氧化層31擔任為覆蓋層’以避免矽基片1在約75〇 9〇〇 °C ,主要矽氧化層32生成時移動。因此,如圖6A所示,當 TOX初期/τοχ總*的比例大於約20% ,其中TOXfti-TOX_+TOX 去要’初期石夕氧化層3 1抑制了石夕基片1表面的粗縫,以得到 在碎基片1及閘極矽氧化層3之間較佳的界面此會增進閘 極矽氧化層3的可靠度,如圖6B所示。 再者’圖5的閘極矽氧化層3中,因初期矽氧化層3 1生 成只由時間t 〇到時間t丨,即使當閘極矽氧化層3太薄,例 氧化層3的劣化。 此會抑制如圖6 B所示之整個閘極矽 依據本發明之製造 體例說咏於下,並彔as」極矽氧化層3的方法的第二個具 少' 4圖7 在形成閘極矽氧化岸 ^ 述之局部矽氧化層2,故^ 之前’將一晶圓形成如圖1A所 污染及自然的矽氧化物。入稀氟酸溶液中’以除去其上的
首先’在時間t 〇,脉B 度約為300-700 t,並有辱圓置入於一氧化鎔爐中,其溫 之混合氣體流經。 '有約0 . 5 %氧氣(0』)及氮氣(N2 ) 其次’在時間t i, 高。同時,於此狀態下 獲溫度以固定速率如10 °C/ rain升 續初期矽氧化層的成長i上述混合氣體流經鎔爐’因此繼
d 523 五、發明說明(7) 再其次,在時間t2,鎔爐保持於固定溫度如750-900 °C。同時,在鎔爐中,〇. 5 %氧氣/氮氣混合氣流轉換成純 氧氣流,以施行一乾式氧化製程。 再其次,在時間t3,鎔爐溫度以固定速率如l〇t:/ min 降低。同時,將純氧氣流轉換成純氮氣流,以停止乾式氧 化製程。 再其次’在時間t4,鎔爐的降溫操作停止,因此鎔爐 溫度回到約3 0 0 - 7 0 0 °C。 最後,在時間15,將晶圓自鎔爐中取出。 由圖7所示之加熱製程所得的閘極矽氧化層3也是說明 於圖5。亦即’閘極矽氧化層3的組成有由圖7中從時間t 〇 到時間t2所形成的初期矽氧化層31及圖7中從時間^到時 間t 3所形成的主要矽氧化層3 2。 初期矽氧化層31的厚度ΤΟχ初期可由調 間t2的時間長度T1而改變,而主要發氧 乂 要可由如調一 Λ時H到時間U的時間長度Τ2而改變 期石夕氧化層31擔任為覆蓋層以 7質而J疗差,初 體例’當TO、/雨“的比例動大於因心如同於J -個具 T0X初期+ T0X主要,初期矽氧化層31抑制其中T0X總量=: 糙,以得到在矽基片丨及閘極矽了夕基片1表面的粗 此會增進閘極矽氧化層3的可告由 增3之間較佳的界面, 4 52L 五、發明說明(8) 雖然初期矽氧化層3 1生成是由時間t 〇到時間t丨加上由時間 11到時間t 2,氧氣流經鎔爐的濃度低,即約〇 . 5 % 。因 此,即使當閘極矽氧化層3太薄,例如小於約4 〇 A ,初期 矽氧化層3 1對於整個閘極矽氧化層3的比例變成小於約4 〇 % ’此會抑制如圖6 B所示之整個閘極矽氧化層3的劣化。 依據本發明之製造閘極矽氧化層3的方法的第三個具 體例說明於下,並參照圖8。 在形成閘極矽氧化層3之前,一晶圓形成如圖1A所述 之局部矽氡化層2 ’將之處以溼式製程步驟,利用氨水/雙 氧水混合液(APM,ammonia water/hydrogen peroxide water mixtrue)、硫化氫/雙氧水混合液(HPM, hydrosulfurous acid/hydrogen peroxide water mixture)或其類似物,以除去其上的污染。於此法,有一 層厚度約10-15A的化學矽氧化層生成於矽基片1上。此化 學的矽氧化層擔任為初期矽氧化層。 首先,在時間1:0 ’將晶圓置入於一氧化鎔爐中,其溫 度約為3 0 0 - 7 0 0 °C ,並有純氮氣流經。 其次,在時間tl,鎔爐溫度以固定速率如10 °C/ min升 高。同時,於此狀態下,純氮氣流經鎔爐。 因此,初期矽氧化層幾乎於時間t 〇到時間t 2不生長。 再其次,在時間t 2,鎔爐保持於固定溫度如約7 5 0 - 9 0 0 。(:。同時,在鎔爐中,純氮氣流轉換成純氡氣流,以施行 一乾式氧化製程。 再其次,在時間13,鎔爐溫度以固定速率如1 〇 °c /m i n
第12頁 452 五、發明說明(9) 降低。同時,將純氧氣流轉換成純氮氣流,以停止乾式氧 化製程。 再其次,在時間14,鎔爐的降溫操作停止,因此鎔爐 溫度回到約3 0 0 - 7 0 0 °C。 最後,在時間15,將晶圓自鎔爐中取出。 由圖8所示之加熱製程所得的閘極矽氧化層3也是說明 於圖5。亦即,閘極矽氧化層3的組成有相當於化學矽氧化 層的初期矽氧化層3 1及圖8中從時間t 2到時間t 3所形成的 主要矽氧化層3 2。 初期矽氧化層31的厚度TOX#期為固定值,而主要矽氧 化層32的厚度TOXt要可由調整從時間t2到時F4t3的時間長 度T2而改變。 請注意,雖然初期矽氧化層(化學的矽氧化層)3 1以 品質而言很差,初期矽氧化層3 1擔任為覆蓋層,以避免矽 基片1在約750-900 °C ,主要矽氧化層32生成時移動。因此 於此例中,如同於第一個具體例,當TOX初期/ TOX總量的比例 大於約20 % ,其中T0X總初期+ T0X主要,相期石夕氧化層 3 1抑制了矽基片1表面的粗糙,以得到在矽基片1及閘極矽 氧化層3之間較佳的界面,此會增進閘極矽氧化層3的可靠 度。 再者,圖5中由第三個具體例所.得的閘極矽氧化層3, 即使當閘極矽氧化層3太薄,例如小於约4 0 A ,初期矽氧 化層3 1對於整個閘違矽氧化層3的"比嗍變成小於約4 0 % , 此會抑制如圖6 B所示之整個閘極矽氧i匕層3的务化。
第13頁 4528 9 五、發明說明(ίο) 從上述各具體例中,雖然於時間t 0到時間t 2使用的是 氮氣,其他惰性氣體如氬氣(Ar)也可用來代替氮氣。同 時,於第二具體例中,從時間t 0到時間t 2,氧氣對於混合 氣體的比例可為0 . 4 - 1 % 。再者,在所有的具體例中,利 用純水蒸氣的濕式氧化製程、鹽酸(HC 1 )氧化製程、二 氣乙烯(DCE )氧化製程、一氧化氮(NO )氧化製程或二 氧化氮(N02 )氧化製程皆可用來代替乾式氧化製程。 如上所解釋,依據本發明,因初期矽氧化層對於整個閘極 矽氧化層的比例可為約2 0 - 4 0 % ,整個閘極矽氧化層的劣 化可被抑制,而矽基片表面及矽基片與閘極矽氧化層的界 面之粗糙特性仍保持。
第14頁 452891 圖式簡單說明 本發明由以下說明,並和先前技術比較,及參照隨附 之圖式,當可清楚地了解,其中: 圖1A至1D 為橫剖面圖,以解釋一先前技術製造MOS電 晶體之方法; 圖2為氧化鎔爐的溫度順序圖,以解釋如圖1A至1D所 敘之先前技術製造閘極矽氧化層的方法; 圖3為橫剖面圖,顯示出由圖2所述之先前技術方法所 得之閘極矽氧化層; 圖4為氧化鎔爐的溫度順序圖,以解釋依據本發明之 製造閘極矽氧化層的方法的第一個具體例; 圖5為橫剖面圖,顯示出由圖4所述之第一個具體例所 得之閘極石夕氧化層; 圖6 A為一關係'圖,顯示粗糙特性及初期矽氧化層對於 圖5中整個閘極矽氧化層的比例之間的關係; 圖6 B為一關係圖,顯示閘極矽氧化層的可靠度及初期 矽氧化層對於圖5中整個閘極矽氧化層的比例之間的關 係; 圖7為氧化鎔爐的溫度順序圖,以解釋依據本發明之 製造閘極矽氧化層的方法的第二個具體例;及 圖8為氧化鎔爐的溫度順序圖,以解釋依據本發明之 製造閘極矽氧化層的方法的第三傅.具體例。 【符號之說明】 1〜矽基片
第15頁 452891 圖式簡單說明 2〜局部矽氧化層 3〜閘極矽氧化層 4〜閘極電極 5〜高雜質區 3 1〜初期矽氧化層 3 2〜主要矽氧化層
1HHI 第16頁
Claims (1)
- 452891 --------- 六、申請專利範圍 ---- 1' 一種半導體裝置的製造方法,包含下列步驟: 置入一矽基片(1)於一氧化鎔爐内,其溫度為第一 值; 將該氧化鎔爐的溫度自該第一值提高至大於該第一值 的第二值; ‘ 施行一氧化操作於該矽基片上’以長成主要石夕氧化層 〔3 2 )於該矽基片上; 其中初期矽氧化層(3 1 )於該氧化操作施行步驟前生 \ ’其對於整個由該初期矽氧化層及該主要矽氧化層所形 成的問極矽氧化層的厚度比例大約為2〇 — 4〇 % ,該整個閘 極砂氧化層為小於4 ο A厚。 、2. 如申請專利範圍第1項之半導體裝置的製造方 去’更包含一步驟,在該矽基片置入步騍前,於該矽基片 上侵蝕自然的矽氧化物。 3. 如申請專利範圍第2項之半導體裝置的製造方 法’其中該矽基片置入步驟包含有一供應氧氣及惰性氣體 之混合氣體至該氧化鎔爐之步驟, 該升溫步驟包含有一供應惰性氣體至該氧化鎔爐之步 驟。 4. 如申請專利範圍第3項之半導體裝置的製造方 法’其中於該矽基片置入步驟中,氧氣對混合氣體的比例 約為1-2 % 。 5. 如申請專利範圍第2項之半導體裝置的製造方 法’其中該矽基片置入步驟包含有一供應氧氣及惰性氣體第17頁 4528 S 1 六'申請專利範圍 之混合氣體至該氧化鎔爐之步驟, 該升溫步驟包含有一供應該混合氣體至該氡化鎔爐之 步驟。 6. 如申請專利範圍第5項之半導體裝置的製造方 法’其中該石夕基片置入步驟及升溫步驟中,氛氣對混合氣 體的比例約為0. 4 ~ 1 % 。 7. 如申請專利範圍第1項之半導體裝置的製造方 法’更包含一步驟:在該石夕基片置入步驟前,於該带基片 上施行濕式製程,以生成一化學矽氧化層於該矽基片上: 該矽基片置入步驟包含有一供應惰性氣體至該氧化鎔爐之 步驟; 該升溫步驟包含有一供應惰性氣體於至氧化鎔爐之步 驟。 、8.如申請專利範圍第1項之半導體裝置的製造方 法,其中該第一值為300-700 °C,且第二值為750-900 °c。 9.如申請專利範圍第1項之半導體裝置的製造方 法’其中該氧化製程為下列各製程中之一種:乾式氧化製 程、濕式氧化製程、=氯乙烯氧化製程、一氧化氮氣體氧 化製程、或二氧化氮氣體氧化製程。 10. 一種半導體裝置的製造方法,包含下列步驟: 佼蝕於矽基片(1 )上的自然矽氧化物; 其溫度約為300-700 氣體,以生成一初期 。 置入該矽基片於一氧化鎔爐内, C,並有供應氧氣及惰性氣體之混合 石夕礼化層(31)於該石夕基片上;第18頁 4 528S 1 六、申請專利範圍 將氧氣及惰性氣體的混合氣體轉換成純的惰性氣體, 以停止該初期矽氧化層生成; 在轉換氧氣及惰性氣體的混合氣體成純的惰性氣體 後,提高該氧化鎔爐的溫度至約7 5 0 - 9 0 0 °C ; 在提高該氧化鎔爐的溫度至7 5 0 - 9 0 0 °C後,停止供應 該純惰性氣體;及 在停止供應該純惰性氣體後,施行一氧化製程於該矽 基片上,以於該矽基片上長成主要矽氧化層(32); 該初期矽氧化層對於該主要矽氧化層加上該初期矽氧 化層的厚度比例大约2 0 - 4 0 % ; 該主要矽氧化層加上該初期矽氧化層的厚度為小於4 0 A厚。 11. 如申請專利範圍第10項之半導體裝置的製造方 法,其中氧氣對混合氣體的比例芍為1 - 2 % 。 12. —種半導體裝置的製造方法,包含下列步驟: 侵蝕於矽基片(1 )上的自然矽氧化物; 置入該矽基片於一氧化鎔爐内,其溫度約為300-700 °C,並有供應氧氣及惰性氣體之混合氣體,以生成一初期 矽氧化層(3 1 )於該矽基片上; 提高該氧化鎔爐的溫度至約7 5 0 - 9 0 0 °C ; 在提高該氧化鎔爐的溫度至7 5 0 - 9 0 0 °C後,停止供應 該混合氣體;及 在停止供應該混合氣體後,施行一氧化製程於該矽基 片上,以於該矽基片上長成主要矽氧化層(3 2 );第19頁 452891 六、申請專利範圍 該初期矽氧化層對於該主要矽氧化層加上該初期矽氧 化層的厚度比例大約2 0 - 4 0 % ; 該主要矽氧化層加上該初期矽氧化層的厚度為小於40 A厚。 13. 如申請專利範圍第12項之半導體裝置的製造方 法,其中氧氣對混合氣體的比例約為0 _ 4 - 1. 0 % 。 14. 一種半導體裝置的製造方法,包含下列步驟: 於矽基片(1 )上形成一化學矽氧化物作為初期矽氧化層 内 爐 鎔 化 氧·’ 一體 於氣 片性 基惰 矽有 該應 入供 置並 為 約 度 溫 其 約0-至75 度至 溫度 的溫 爐的 鎔爐 化鎔 氧化 該氧 高該 提高 提 在 純 該 應 供 止 ,,停 V, 00後 矽 該 於 程 製 化 氧 一 行 施 後 體 氣 性 惰 純 該 應 及供 •’止 體停 氣在 性 惰 氧 矽 •’期 )初 2 亥 3 ί C上 層加 化層 氧化 妙氧 要矽 主要 成主 長該 上於片,對 基層 矽化 該氧 於矽 以期 ,相 上該 片 基 ο 4 於 ' - 為 度 厚 的 層 化 氧 矽 期 初 0%該 Τ上 ο加 2力 約層 大化 例氧 比砂 度要 的該 層 匕 4 厚 A 第 圍 範 利 專 請 申 如 為 約 例 比 的 體 氣 合 混 對 氣 氧 中 其 法 方 造 製。 的% 置ο 裝-1 體4 導ο 半 之 項第20頁
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