TW541619B - Method for forming insulating film containing silicon oxy-nitride and device using the same - Google Patents

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Yoshihide Tada
Masayuki Imai
Asami Suemura
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Description

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 541619 A7 --- 五、發明說明(i ) 發明背景 本發明係有關在被處理其把矣& + 、 攸岭埋暴扳表面路出的矽層上用以形 成含有矽氧氮化物之絕緣膜的方法及裝置。 伴隨著半導體裝置的微細化,其所使用的絕緣膜例如 MOSFET的閘絕緣膜有薄膜化的傾向。—般而言,石夕氧化 膜(Si02) 著膜厚的變薄而容易造成初期絕緣不良率的 增大。經時絕緣破壞特性和電晶體特性等之電氣特性的劣 化。並且,在後熱處理步驟時,〆聚石夕電極的夹雜物蝴⑻ 通過矽氧化膜而發生穿過基板側等的問題。 該電氣特性劣化的J里由,係、在氧化膜和頭道的石夕膜之 間的界面存在有末結合鍵(懸空鍵@可料想該懸空鍵與 氧化膜之電氣的膜質具有大的關係。因此將矽(Si)膜的表 面進行氧化處理形成氧化膜後,眾所周知高溫下並且藉由 氮氣體環境或氮氣和氨氣的混合氣體環境中進行退火 處理而用以改善膜質的方法。該方法,就進行電氣特性的 改善而言,由於必須設定在例如1〇〇(rc以上的高溫,而對 所形成的膜擔心有巨大的熱過程之蓄積(熱蓄積 一方面,在特開平5-251428號公報(專利第2793416號 )中’曾提及:係在可能急速加熱之燈加熱型的葉片式處 理裝置中’將矽基板進行乾氧化形成矽氧化膜後,再將該 氧化臈使用含有氮之氧化性氣體中進行處理以形成矽氧氮 化膜的方法。 具體而言,首先將矽基板搬入處理室内,一面供給不 含有氮之氧化性氣體,例如乾燥處理後的氧氣(〇2氣體); 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) ^ 裝-----Γ I--訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 4 ^416.19
(請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 一面將矽基板加熱至約100CTC進行氧化處理,用以形成矽 氧化膜。此時基板的加熱,係經紅外線燈所進行,所使用 之昇溫速度係50〜200°C/sec(秒)的急速加熱。在丨000°c氧 化處理之用的溫度保持時間經設定在約丨〇秒。並且,氧化 處理的處理壓力經設定在約760Torr。 接著’在原處理室内將矽基板維持在約100(rc原有溫 度,一旦將處理室内進行真空排氣處理後,經由一面注入 S有氮氣之氧化性氣體一面進行矽氧化膜的處理而變換成 矽氧氮化膜。其中所使用之含有氮氣的氧化性氣體,係由 一氧化氮(NO)、二氧化l(N〇2)及0氧化二氮(1^〇)的群中 選取至少其中1種的氣體所構成。在1〇〇(rc之氧氮化處理 用的溫度保持時間經設定在約30秒。並且,氧氮化處理的 處理壓力係設定在約760Torr。 在特開平5-251428號公報記載的方法中,由於使用急 速加熱’與先前的方法比較其熱蓄積的問題業經改善。但 是’該方法,對薄膜的形成並不妥適,並且有膜厚及膜質 的控制性和再現性不良的問題。 經濟部智•慧財產局員工消費合作社印製 發明的簡單說明 ' 本發明的目的,係至少一部份用以形成由矽氧氮化物 所構成的薄絕緣膜之技術中,使其膜厚及膜質(尤其電氣 的特性)的控制性和再現性提高為目的。 本發明又就該種的技術,提供一種熱牆型的處理裝置 ’尤其是適合進行分批處理之縱型熱處理裝置的方法及實 施該方法用的裝置構造為目的。 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(21〇 X 297公釐) 541619
經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本毛明之弟1的硯點,係一種 瞄ΛΑ f i 里3有矽氧虱化物之絕緣 膜的形成方法,具備有·· 用以將被處理基板搬入處理 、;士 至門的搬入步驟,和前述 被處理基板具有露出在表面的矽層; 經過第1處理時間,將前述處理室内的環境設定在約 加熱溫度及第i壓力,同時供給前述處理室内進行氧化之 :的第磧理氣體,經由前述石夕層表面的氧化處理,而在 前述石夕層上用以形切氧化膜的氧化步驟,和前述第】處 理氣體係含有1〜5%VGl的水蒸氣和95〜99%_的氣氣者:及, 則述矽氧化膜形成後,經過第2處理時間,將前述處 理室内的環境設定在第2加熱溫度及第2壓力,同時供給前 述處理室内進行氮化用之第2處理氣體,而將前述矽氧化 膜的至少其中一部份變換成矽氧氮化物之退火步驟和前述 第2加熱溫度係在800〜95〇它及前述第2處理氣體係含有ι〇 〜100°/〇vol之一氧化氮氣體者。 本發明之第2的觀點,係一種在被處理基板表面露出 之矽層上用以形成含有矽氧氮化物之絕緣膜的裝置,其中 具備有: 氣密的處理室, 在前述處理室内用以保持前述被處理基板之保持構件 供給前述處理室内之處理氣體用的給氣系統 將前述處理室内真空排氣處理用的排氣系統 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 x 297公釐) 6 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 • .1 n ϋ- 541619 .
將前述處理室内的環境加熱處理用的加熱器,及 用:控制前述給氣系統’前述排氣系統及前述控制器 之控制;而前述控制器,係將 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製
丄過第1處理時間,冑收納有前述被處理基板之前述 处理至内的% i兄设定在第i溫度及第i壓力’同時供給前述 處理室内進行氧化料第1處理氣體,藉由前述發層表面 的氧化處理,而在前述㈣上用以形絲氧化膜之氧化步 驟、前述第1處理氣體含有的水蒸氣和95〜 99%vol的氮氣者;及, 前述矽氧化膜形成後,經過第2處理時間,將前述處 理室内的環境設定在第2加熱溫度及第2壓力,同時供給前 述處理室内進行氮化用之第2處理氣體,而將前述矽氧化 膜的至少一部份變換成矽氧氮化物之退火步驟和前述第2 加熱溫度係在800〜950°C及前述第2處理氣體係含有10〜 100%vol的一氧化氮者整合而加以施行。 依據本發明,由於在氧化處理中使用水蒸氣,比乾氧 化膜之SiOVSi界面近傍的變形較少,可以製得電氣特性 良好的濕氧化膜。並且藉由水蒸氣中混入氮氣,可以調整 氧化率’而使濕氧化膜的膜質提昇,同時可使膜厚及膜質 的控制性和再現性提高β又,就使用燈加熱之冷壁的葉片 式處理裝置,由於有發生ηνο3(硝酸)等副產物的顧慮, 故不能採用溼氧化處理。 溼氧化膜,接續氧化處理之再經退火處理,其中係在 含有一氧化氮氣體的環境下進行之熱處理。因此,氮進入 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) ------------Μ — (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 7 A7
經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 541619 五、發明說明(5 )
SiC^/Si界面,同界面的懸空鍵經一氧化氮氣體中氮元素 之末端結合而減少(形成的矽氧氮化物)。經此過程,良質 的濕氧化膜之電氣特性由於矽氧氮化物的形成而更形提高 圖面的簡單說明 ,第1係顯示有關本發明的實施形態之縱型熱處理裝置 的概略概觀圖。 第2圖係顯示第1圖中圖示的縱型熱處理裝置之概略斷 面圖。 第3圖係顯示針對處理室内的溫度和氣體的供給或停 止的狀態所附加之說明圖。 第4圖係顯示使用一氧化氮之退火的溫度和絕緣膜的 界面準位密度間之關係特性圖。 第5圖係顯示使用一氧化氮之退火的壓力和絕緣膜的 增加膜厚及氮濃度間之關係特性圖。 第6圖係顯示進行濕氧化處理之絕緣膜和進行乾氧化 處理之絕緣膜間比較其絕緣破壞特性之結果特性圖。 第7圖係顯示有關本發明的實施形態之絕緣膜經使用 SIMS(二次離子質量分析法)所調查之氮及氧濃度的斷面特 性圖。 第8圖係顯示有關本發明的實施形態之絕緣膜和經比 較例的方法製得之絕緣膜間經使用SIMS所調查的氮濃度 斷面特性圖。 發明的詳細說明 第1及2圖係顯示有關本發明實施形態之縱型熱處理裝 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) ------Γ f L l· — Aw Μ-----r---t--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 541619 五 ♦ 爆濟部钇慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 發明說明(6 ) 置的概略斜視圖及斷面圖。 如第1圖及第2圖中的圖示,該裝置係具備有包含氣密 的反應官即處理室41和圍繞處理室41之加熱器42的縱型熱 處理爐1 °處理室41,係具有由例如石英製的外管41a及内 管4 lb所形成的二重構造。位在内管41b的頂部形成有多數 個孔40 ’經由孔40外管41 a和内管41 b相連通。位在外管41 a 的底部近傍接續有氣體供給管5,而位在内管4113的底部近 傍則接續有排氣管6。處理室41經均熱用容器43所被覆, 更配設有包圍其外側且用以將處理室4丨内的環境進行加熱 處理用之加熱器42。 位在氣體供給管5,接續有經由使H2氣體(氫氣)及〇2( 氧氣)產生反應而使其發生水蒸氣的反應器51。本實施的 形態中’該反應器51係使用將氫氣及氧氣進行加熱而使其 燃燒的燃燒器。但是,該反應器5 1亦可使用經由觸媒而使 氫氣及氧氣產生反應的裝置。 又,氣體供給管5,接續有在氧化處理時供給和水蒸 氣所混合的氮氣用管52。更在氣體供給管5,接續有在退 火處理時供給所使用的一氧化氮(NO)氣體用管53。並且 ,進而在氣體供給管5,依需要而接續有供給其他氣體之( 例如氮氣以外的惰性氣體)用管(圖中未顯示)。而位在各 氣體的配管配設有轉換閥VI〜V5。 另一方面,位在排氣管6,接續有工廠排氣系統61和 真空排氣系統62。而位在各系統61,62的各氣體配管並經 配設有轉換閥Vll,V12。 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) ^ · I---Γ1Ι — ^« — — — — — 1— (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 541619
對處理室41而言,係藉由用以支持被處理基板即半導 體晶圓W的晶圓螺柱2垂直方向的移動,而加以裝置/卸處 理。晶圓螺栓2,係由例如天板21及底板22和用以連接該 等之多數根支柱23所形成。支柱23在垂直方向形成有設定 門隔之夕數的溝’利用該等的支柱,可用以將晶圓置於所 規定的水平支持程度。並經由將晶圓w的周緣插入該等的 溝,多數的晶1IW在垂直方向經保持間隔而成配列的狀態。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 晶圓螺栓2,係載置在處理室41下端之用以開閉開口 邛31之蓋體32上方所設置的保溫筒33之上。蓋體32係安裝 在螺栓升降機3,並經由螺栓升降機3使蓋體%升降,以進 行對處理至41之晶圓螺栓2的裝/卸處理。 本裝置中之氣體供給系統(即轉換閥νι〜ν5、反應器 51等)、排氣系統(即轉換閥V11、V12、真空排氣系統“ 等)、加熱器42及螺栓升降機3,皆經由控制器1〇所控制。 控制器10,係將以下所陳述的處理,針對被處理基板即矽 晶圓W整合而加以施行。 接著針對使用上述的縱型熱處理裝置所進行的有關本 發明實施形態之絕緣膜形成方法一面參照第3圖一面加以 說明。第3圖係顯示處理室41内的環境溫度和處理氣體的 供給/停止的狀態相對於時間之處置說明圖。 首先,將多數枚例如60枚的矽晶圓w在垂直方向依設 定間隔而成配列的狀態並使其保持在晶圓螺栓2。接著, 將晶圓螺栓2使用螺栓升降機3搬入經加熱器42予先加熱至 初期溫度200〜600 C,例如加熱至300°C處理後的處理室41 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐)
〆· IAW ^ „----^--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 10 541619 A7 五、發明說明( 内。接著,處理室41的開口部31經蓋體32緊密的加以關閉 (第2圖中圖示的狀態)。 接著,將處理室41内設定在既定的壓力〇.7Torr〜(大 氣壓-0.375T〇rr),例如大氣壓_0.75T〇rr,並由時點u將處 理至41内以昇溫速度5〇〜2〇〇X: /分例如1〇〇/分昇溫至第 1處理溫度700〜95〇t:例如850°c。 將晶圓W搬入的步驟及將處理室41内昇溫處理的步驟 中’係將惰性氣體例如氮氣和氧氣以20/0.2〜5/0.〇〇5SLM( 標準公升/分)例如20/0.1SLM流入處理室41内。氧氣係在 氫氣供給停止的狀態下,通過停止後的反應器5丨進行供給 氧氣係用以防止晶圓W表面經氮氣所氮化而使用。假如 晶圓W表面一旦被氮化時,之後,則造成晶圓冒表面不易 被氧化處理。 濟 部 智一 慧 財 產 局 員 工 消 費 合 作 社 印 製 --------------裝--- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) •線· 處理室41内當到達第}處理溫度85〇。(:的時點t2(t2 —u =3〜30分,例如12·5分)時,則停止氧氣的供給,同時將 處理室41内設定在既定的壓力〇 7T〇rr〜(大氣壓· 〇.375T〇rr)。例如氧氣的供給停止時,同時將排氣系統經 轉換閥Vll,V12轉換成工廠排氣系統61側,並將處理室41 内相對於大氣壓(典型而言760Τ〇ΓΓ)進行控制在-〇·375Τ〇γγ 〜-〇.75Torr程度的微減壓狀態。 該狀態下由進行矯正(促使晶圓W的溫度安定)的時點 t3(t3 — t2== 1〜1〇分,例如5分),進行第1處理步驟即氧化 處理。該氧化處理中,在處理室41内流入含有例 如1·5/〇νο1的水瘵氣(h2〇)和95〜99%vol例如98·5%νο1的氮 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公爱) 11 541619
經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 氣之進行氧化用的第丨處理氣體。並且,將處理室41内第1 處理壓力料在0·7Τ_大氣壓_G 375 w)例如680T〇rr。 T此過程’晶圓W的石夕層表面經氧化形成卜⑺⑽例如3nm 程度厚度的矽氧化膜。 本實施形態中之水蒸氣,係經由將氧氣和氣氣供給反 應器51並使其燃燒所發生。χ,就該水蒸氣中,可設想含 有成刀未反應的氧氣。該氧化處理中,所使用的氧氣、氫 氣及氮氣的流量,係設定在例如 0.6/0.6/20SLM。 氧化處理完成後的時點t4(t4-t3=0.5〜30分,例如3分 鐘),開始進行用以防止位在處理室41内水蒸氣殘留之循 %排氣處理。就該循環排氣中,處理室41内的壓力經減壓 至1〜Ο.ΟΙΤοπ*後,再經惰性氣體例如氮氣將處理室〇内 的壓力增壓至5〜20Torr以進行多數回的排氣操作例如4回 〇 更具體而言,為進行循環排氣處理,而在時點t4經轉 換閥Vll、V12將排氣系統轉換成真空排氣系統62。接著 ’ 一面將處理室41内使用真空排氣系統62進行抽取真空, 一面交互的重複進行惰性氣體例如氮氣的供給和停止。若 經此處理可將處理室41内迅速的減壓並充分的以惰性氣體 加以取代。因此,將氧化後由於將處理室41内的水份充分 的去除’故在後述的退火處理中進行一氧化氮氣體的供給 ,可以抑制強腐蝕性硝酸hno3的發生。 在循環排氣完成後的時點t5(t5-t4=10〜30分,例如12 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) ^ r — Aw Μ.----------^--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 12 541619 A7
請 先 閱 讀 背 δ 之 注 意 事 項 再 填 寫 本 頁 裝 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 1 ---------------- 五、發明說明(u ) 得石夕氧化膜’故頭道的料和其上所形成㈣氧化膜間之 :在界面近傍例如lnm程度厚度範圍的應力縮小。於是可 設想石夕和氧的懸空鍵和懸空鍵和氫產生結合而形成㈣和 SiO-H的末端結果所致。 …接著將_氧化膜在加熱環境且在-氧化氮環境下進 行U火處理因而,一氧化氮分解所取得的氣進入石夕氧化 膜之中’而和懸空鍵產生末端之結合。其結果,矽氧化膜 和石夕層之間界面的懸空鍵更加減少而其界面準位密度縮小 〇 因此’濕氧化的情形,界面的懸空鍵因氫元素的末端 、、口 口,而愈少。接著,再經退火處理,懸空鍵則更加減少 因此,依上述的方法在矽晶面貿上所形成之以矽氧化物 為主體而其-部份係由石夕氧氮化物所構成的絕緣膜,不易 發生絕緣破壞,並且使得其漏泄特性的提昇。 並且,在上述的方法中,對晶圓|進行氧化處理後, 並不由處理室41將晶圓w取出而在例如相同的溫度下進行 退火處理。因此,對晶圓貿之熱經歷的蓄積少,並且由於 大氣中的氧不致於捲入,故所形成的絕緣膜之膜質良好。 又在氧化處理中,由於以氮氣將水蒸氣進行稀釋故可以適 當的延緩氧化速度。因此一面晶圓螺栓2上之晶圓…間(面 間)的膜厚均勻性及有關一枚之晶圓W的(面内)膜厚均勻性 得以確保一面可取得薄膜厚的絕緣膜。 氧化處理中的處理溫度(放置在處理環境中之晶圓W 表面的溫度)係以在7001以下〜700°C時在絕緣膜界面的 本紙張尺度翻巾國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公爱) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
14 541619 A7 B7 12 五、發明說明( 懸空鍵數量增多,電氣的特性惡化。反之,當處理溫度超 過950°C,稀釋氣體氮產生反應以致矽氧化膜的表面粗糙化。 使用一氧化氮進行退火處理情形的處理溫度,係以在 800°C以上,950°C以下者為宜。當處理溫度未滿800°C時 如後述般其界面準位密度增大而不能取得良好的電氣特性 。反之,當處理溫度超過950°C氮元素則過於多量捲入絕 緣膜中。該情形,造成例如作為Ρ-MOS電晶體的閘絕緣膜 使用時頻道電流不易通過,並且就熱經歷蓄積觀點而言亦 不利。 退火處理中之處理壓力,係以設定在0.7〜680Torr為 宜,2〜300Torr則更理想。該壓力範圍,如後述般,係選 擇用以將所形成的絕緣膜中的氮濃度設定在1〜lOatm%, 1〜3atm%則更理想。當氮濃度未滿latm%所謂低濃度情 形,例如P+聚矽電極的夾雜物硼(B)經絕緣膜穿透在基板 側,而產生耐壓降低等的問題。反之,氮濃度過高時,產 生電晶體特性例如載體遷移率惡化的問題。 [實驗1] 係在處理室41内,一面各別將氫氣、氧氣及氮氣以 0.6SLM、0.6SLM 及 20SLM的流量供給,一面在850〇C 及 760 〜0.75=759.25Torr之下進行3分鐘的氧化處理,於是在矽 晶圓上形成膜厚2nm的矽氧化膜。接著,在處理室41内, 一面以1SLM的流量供給一氧化氮一面在76Torr下對石夕晶 圓上的矽氧化膜進行10分鐘的退火處理。該退火處理的溫 度,係設定在850°C、800°C、700°C及550°C之四種條件。 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) --------11! · I I I l· I I I t i— — — — — — (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經· 濟 部 慧 財 產 局 員 工 消 費 合 作 社 印 製 15 541619 A7 13 五、發明說明( 針對經各別的處理所取得之以石夕氧化物為主體的絕緣 胰’使用界面準位測定裝置(商品名:QUANT0X(KLa TENCOR社製)),進行位在梦層和絕緣膜間之界面的界面 準位密度晶圓面内5點測定。又,針對未進行退火處理之 絕緣膜亦進行同樣的測定。 第4圖係顯示經實則所取得的結果,即退火的溫度和 絕緣膜的界面準位密度(INTERFACE sTATE DENSITY) (DIT)之間的特性圖。第4圖巾橫轴所記載的數值係顯示退 火進行的溫度。例如在「850t:j顯示的部份,即表示該 溫度下所進行退火的數據。又,位在各條件之5根的棒係 相對於晶圓面内之5點的測定結果。 如第4圖中的圖示,退火溫度7〇〇。〇以下之絕緣膜的界 面準位密度,比其不進行退火處理的絕緣膜更大。換言之 ,付知700 C以下的熱處理沒有效果,毋寧促使膜質的劣 化。而一方面,處理溫度8〇〇°c、850°C的絕緣膜其界面準 位密度降低。換言之,處理溫度係退火處理之重要的製程 係數,並業經確認係可取得良好膜質的溫度範圍。 [實驗2] 係在處理室41内,一面將氫氣、氧氣及氮氣分別以 0.6SLM、0.6SLM及20SLM的流量供給,一面在850°C及 760-0·75=759·25Τογγ下進行6.5分鐘的氧化處理,於是在 石夕晶圓上形成膜厚2.6nm的石夕氧化膜。接著,在處理室41 内,一面以1SLM的流量供給一氧化氮,一面對石夕晶圓上 的矽氧化膜進行850°C之10分鐘的退火處理。而該退火處 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) -.rlAW Μ---------^--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 16 541619 . A7
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,五、發明說明(14 ) 理的壓力係經設定在 0·5Τ〇ΓΓ、ΐ·2Τ〇ΓΓ、8Τ〇ΓΓ、12 1T〇rr、 76Torr之5種情形。 針對經各別的處理所取得之矽氧化物主體的絕緣膜, 進行氧化處理後的膜厚和退火處理後的膜厚之間差的測定 ,換言之,即經矽氧氮化物的形成所增加的膜厚。並且, 針對各絕緣膜,測定其絕緣膜中的氮濃度。 第5圖係顯示經實驗2所取得的結果,即退火的壓力 (Panm)和絕緣膜的增加膜厚(△ t)及氮濃度(Nc〇n)i間關係 的特性圖。第5圖中的線L51及線L52係顯示分別增加膜厚 及氮濃度。又,其中之Neon的原子。/^“!^%),係意指單位 體積中所含有的總原子數之内其氮原子數的比例。 如第5圖中之圖示,增加膜厚及氮濃度一併對壓力的 對數值的比例而增加。又,就加強控制絕緣膜中之氮濃度 的再現性觀點上,得知經退火壓力的改變其控制性更形容 易。換言之,處理壓力係退火時的重要製程參數,並業經 確認不變更退火時間,依壓力範圍情形而可以取得良好的 膜質。 [實驗3] 係將一氧化氮的退火溫度各別設定在800°C及850°C, 其餘與實驗1相同條件下進行氧化處理與退火處理,在矽 晶圓上製成絕緣膜的樣品S61、S62。又,使用乾氧化作 為例,除了在氧化處理中僅以10SLM的流量供給氧氣外面 與樣本S62相同的條件下進行氧化處理退火處理(即退火溫 度850°C),在矽晶圓上製成絕緣膜的樣品S63。 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) --------I I I I I ---— l· — — — ^-1111111 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 17 541619 A7
經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明(15 ) 針對各別的處理所取得之樣品S61〜,進行 9〇%Qbd的調查。此處所謂9〇%Qbd,則係針對具有各絕緣 膜之1〇〇個晶片,使用定電流源在絕緣膜厚度方向通過電 流,90%以上#晶片產生絕緣破壞時為止其通過絕緣膜之 每單位面積之電荷量的值。 第6圖係顯示經實驗3所取得的結果,即進行溼氧化之 絕緣膜和進行乾氧化之絕緣膜間的絕緣破壞特性(9〇%Qbd) 結果比較之特性圖。第6圖之橫軸係顯示絕緣膜的膜厚 (Tfihn) ’「△」、「〇」、「+」則係顯示各別樣品s6i〜 的結果。 如第6圖之圖示,造成實施濕氧化之樣品§61、, 遠比實施乾氧化之樣品S63具有良好的絕緣破壞特性者。 又,樣品S61、S62間之特性的差,一般膜厚在3 〇nm以上 的範圍而言,而可以設想膜薄的一方其絕緣破壞特性趨於 惡化的原因。 [實驗4] 處理時間除外與實驗1以相同條件進行氧化處理,於 是在石夕晶圓上形成石夕氧化膜。該氧化處理的處理時間,係 依石夕氧化膜的膜厚經設定成2.0nm、2.5nm、3.Onm 3種情 形。接著,將退火溫度設定在850°C,對矽晶圓上的石夕氧 化膜進行與實驗1相同條件的退火處理。 針對由各別處理所製得的矽氧化物為主體之絕緣膜, 使用SIMS(二次離子質量分析法)進行膜中的氮及氧濃度的 調查。 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) 18 ------l· I I l· Γ Μ---------訂--- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) )416.19
-------------裝--- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 第7圖係顯不經實驗4所取得的結果,即有關本發明實 知幵八怒絕緣膜中之氮和氧濃度縱斷面特性圖。第7圖中之 :軸係由絕緣膜表面的深度ΦΕΡΤΗ);左側縱軸係顯示氤 ♦度(NCON),右側縱軸則係氧的二次離子強度 SECONDARY CON INTENSITY)(〇sii)。 又,第7圖中之線L71〜;L73係顯示各別矽氧化膜的膜 厚2.0nm、2.5nm、3.0nm情形中之氮濃度;另一方面,線 L76〜L78則係顯示各別矽氧化膜的膜厚2 〇ηιη、2.5nm、 3,〇ηΐΏ清形中之氧二次離子強度。又,其中之>^011的%原 子,係意指單位體積中所含有之總原子數内氮原子數的比 例0 如第7圖中之圖示,氧濃度的高峯值顯見於接近絕緣 膜的表面處,而氮濃度的高峯值則見於絕緣膜和矽層之間 的界面。並且,氮濃度膜厚愈薄,則愈高。因此,有關本 發明實施形態之方法得知針對薄絕緣膜係尤其有效的方法 [實驗5] 經一濟部氣慧財產局員工消費合作社印製 係將一氧化氮的退火溫度設定在850°C,並與實驗1相 同的條件下進行氧化處理及退火處理,於是在矽晶圓上形 成膜厚3.2nm的絕緣膜樣品S81。又,除了取代退火處理 的氣體一氧化氮(NO)氣體而使用一氧化二氮(n2〇)氣體之 外而與樣品S 81相同的條件下進行氧化處理及退火處理, 於是在矽晶圓上形成3.1nm的絕緣膜樣品S82。
針對由各別處理所取得的樣品S81、S82,使用SIMS 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) 19 541619
調查有關膜中的氮濃度。 第8圖係顯㈣實驗3所取得的結果,即有關本發明的 實施形態之絕緣膜和依比較例的方法製得之絕緣膜間的氣 濃度縱斷面特性圖D第8圖橫轴係顯示由絕緣膜的表 面之深度(DEPTH),縱轴則係氮濃度(Nc〇n)。第8圖中之 一點鎖線係顯示樣品S81的結果,而實線則係樣品S82的 結果。 如第8圖中圖示,使用一氧化氮氣體退火處理後之樣 品S81的氮濃度,遠比使用一氧化二氮氣體退火處理後之 樣品S82的氮濃度為高。因此,可以確認使用一氧化氮氣 體係有利於將氮多量導入絕緣膜中。該理由,係由於一氧 化氮的分解性強一部份分離成Ο自由基,氧化和氮化同時 進行,而可以設想比使用一氧化氮情形之氮的捲入量減少 之故。 若當業者係想到而取得本發明之思想範圍中之各種的 變更例及修正例,亦經了解有關此類變更例及修正例屬於 本發明的範圍者。 ------^----l·--- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) #, 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 x 297公釐) 20 541619 A7 B7 五、發明說明(I8 ) 1…縱型熱處理爐 2…晶圓螺栓 , 3…螺栓升降機 / 5…氣體供給管 • 6…排氣管 Φ 10…控制器 21…天板 22…底板 23…支柱 31···開口部 32…蓋體 33…保溫筒 Φ 元件標號對照 40···連通孑匕 4卜··處理室 41 a…外管 41 b…内管 42…加熱器 43…均熱用容器 5 1…反應管 61…工物排氣系統 62…真空排氣系統 Vi〜V5…轉換閥 Vh〜V15…轉換閥 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經!濟部見慧財產局員工消費合作社印製 21 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐)

Claims (1)

  1. 541619 A8 B8 C8 __ D8 六、申請專利範園 " " "" 第89118232號專利申請案申請專利範圍修正本 曰期:91年6月25曰 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 1. 一種含有矽氧氮化物之絕緣膜的形成方法,具有·· 一搬入步驟,係將被處理基板搬入處理室内,而前 述被處理基板具有露出的矽層表面; 一氧化步驟,係在第丨處理時間内,將前述處理室 内的裱境設定在第1加熱溫度及第丨壓力下,同時供給前 述處理室内進行氧化用的第1處理氣體,並藉由氧化前 I 述矽層表面,以形成矽氧化膜,而,前述第1加熱溫度 , 係為700〜950〇c ,前述第1處理氣體係含有1〜5¥〇1%的 本 水蒸氣和95〜99vol%的氮氣; 案 I 一退火步驟,係在前述矽氧化膜形成後,在第2處 ί* 理時間内,⑽前述處理室内的環境設定在第2加熱溫度 {: 及第2壓力下,同時供給前述處理室内進行氮化用之第2 處理氣體,以將前述矽氧化膜的至少一部份變換成矽氧 氮化物,而前述第2加熱溫度係為8〇〇〜95〇。〇且前述第2 處理氣體係含有10〜100ν〇1%的一氧化氮氣體者; 一循環排氣步驟’其係為了防止前述水蒸氣的殘留 而在氧化步驟及退火步驟之間,在將處理室内的壓力減 壓至1〜0·01Τ〇ΓΓ之後,再進行多數次以惰性氣體使處 理至内的壓力增壓至5〜20Τ5ΓΓ的排氣操作者;以及, 從前述氧化步驟經過前述循環排氣步驟至前述退 火步驟期間’係利用配設在前述處理室側壁周圍的加熱 器’通過前述處理室之側壁,對前述處理室内之環境連 本紙張尺度賴tia家鮮(〇^4祕(雇297公楚) ^ 、申請專利範園 續地加熱。 2·如申請專利範圍第丨 — 之方法,其令前述㈣力係〇·7 3·如申請專利範圍第2項之、 义 1〜30分鍾。 法、中別述第2處理時間係 4·如申請專利範圍第〗項之 將童 ^ 法,其中别述水蒸氣係藉由 將虱乳和虱氣供給至一遠 ^ c ^ 連接於别述處理室的反應器並 使產生反應而生成者。 5_n如申請專利範圍第4項之方法,其中前述第旧力係為 0·7〜(大氣壓一〇.375)Tqit。 …、 6. 2用以在具有露出之石夕層表面的被處理基板上形成 3有石夕威絲之絕師的裝置,其包含有: 氣密的處理'室, 構件在月』述處理至内用以保持前述被處理基板之保持 用以供給前述處理室内處理氣體之給氣系統, 用以對前述處理室内進行真空排氣之排氣系統, 用以加熱前述處理室内之環境且配設在前述處理 室側壁之周圍的加熱器,及 用以控制前述給氣系統,前述排氣系統及前述加執 益之控制β,而前述控制器之構成係用以進行. 一氧化步驟’係在第1處理時間内,將前述處理室 内的環境設定在第!溫度及^壓力下,_供給前 理室内進行氧化用之第1處理氣體,藉由氧化前述仰 541619 A8 B8 C8 D8 、申請專利範圍 表面,以形成矽氧化膜者,而前述第丨加熱溫度係為7〇〇 〜950°C,前述第丨處理氣體係含有丨〜““❹/❹的水蒸氣 和95〜95vol%的氮氣者; 一退火步驟,係在前述矽氧化膜形成後,在第2處 理時間内,將前述處理室内的環境設定在第2加熱溫度 及第2壓力下,同時供給前述處理室内進行氮化用之第2 處理氣體,以使前述矽氧化膜中至少一部份變換成矽氧 氮化物者,而前述第2加熱溫度係為8〇〇〜95〇。〇,且前 述第2處理氣體係含有1〇〜1〇(^〇1%的一氧化氮氣體 者; 一循環排氣步驟,其係為了防止前述水蒸氣的殘留 而在氧化步驟及退火步輝之間,在將處理室内的壓力減 壓至1〜O.OlTonr之後,再進行多數次以惰性氣體使處 理室内的壓力增壓至5〜207〇„的排氣操作者;以及, 從前述氧化步驟經過前述循環排氣步驟至前述退 火步驟期間,係利用加熱器,通過前述處理室之側壁, 對前述處理室内之環境連續地加熱。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -訂丨 .0,
    541619 第89118232號專利申請案圖式修正頁 日期:91年6月25曰
    第2圖
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