TWI487028B - 二氧化矽薄膜製作方法 - Google Patents

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二氧化矽薄膜製作方法
本案提供一種二氧化矽薄膜製作方法，尤指可應用於半導體製程中之二氧化矽薄膜製作方法。
在半導體元件中，利用二氧化矽來完成絕緣構造是常見的作法，例如金氧半電晶體中之的閘極絕緣層，或是電子可抹除可程式唯讀記憶體(Electrically Erasable PROM，簡稱EEPROM)中的浮接閘極絕緣層等，大多都是利用二氧化矽來完成。但在元件小型化的要求下，閘極絕緣層之厚度越來越小，目前已降低至約100埃以下，因此，二氧化矽薄膜之品質將嚴重影響所完成電晶體元件之電氣特性與良率，但目前習用手段多利用高溫氧化爐(Oxidation Furnace)來於矽基板上完成二氧化矽薄膜，但其品質並無法有效提升，而如何有效改善習用手段之缺失，係為發展本案之主要目的。
本發明的目的就是在提供一種二氧化矽薄膜製作方法，用以改善習用手段中薄膜品質不佳的缺失。
本發明提出一種二氧化矽薄膜製作方法，包含下列步驟：提供基板；進行快速熱氧化-臨場蒸氣產生技術，用以於該基板上方形成二氧化矽薄膜；以及對該基板進行退火製程，該退火製程中提供一第一混合氣體，並將溫度控制在攝氏1000度至1100度之間。
在本發明的較佳實施例中，上述之基板係可為矽晶圓，該快速熱氧化-臨場蒸氣產生技術中可提供含有氫氣與氧氣之第二混合氣體，並將溫度之溫度控制在攝氏850度至1000度之間。
在本發明的較佳實施例中，進行該快速熱氧化-臨場蒸氣產生技術之時間長度可控制在10秒至20秒之間，該第二混合氣體中之氫氣/氧氣流量比可為1：2。
在本發明的較佳實施例中，所形成之二氧化矽薄膜厚度範圍可在45埃至55埃之間。
在本發明的較佳實施例中，上述之退火製程係可於該二氧化矽薄膜形成於該基板上方之後再進行，其時間長度可控制在10秒至120秒之間。
在本發明的較佳實施例中，上述之退火製程提供之該第一混合氣體中包含一氧化二氮與氫氣，該第一混合氣體中之氫氣/一氧化二氮流量比可為1：100，其時間長度可控制在31秒，溫度可控制在攝氏1080度。
在本發明的較佳實施例中，上述之退火製程提供之該第一混合氣體中包含氮氣與氫氣，該第一混合氣體中之氧氣/氮氣流量比可為3：7，其時間長度可控制在60秒，溫度控制在攝氏1100度。
在本發明的較佳實施例中，上述之退火製程係可於該二氧化矽薄膜形成於該基板上方之前進行，其時間長度可控制在10秒至120秒之間。
在本發明的較佳實施例中，上述之退火製程提供之該第一混合氣體中包含一氧化二氮與氫氣，該第一混合氣體中之氫氣/一氧化二氮流量比可為1：100，其時間長度可控制在31秒，溫度可控制在攝氏1080度。
在本發明的較佳實施例中，上述之退火製程提供之該第一混合氣體中包含氮氣與氫氣，該第一混合氣體中之氧氣/氮氣流量比可為3：7，其時間長度可控制在60秒，溫度控制在攝氏1100度。
請參見第一圖(a)(b)(c)，其係本案為改善習用手段缺失所發展出來關於二氧化矽薄膜製作方法之第一較佳實施例步驟示意圖，用以提供良好品質之二氧化矽薄膜來滿足製程之要求，本較佳實施例包含下列步驟：首先，如第一圖(a)所示，提供基板10，例如常見的矽晶圓，接著進行快速熱氧化-臨場蒸氣產生技術(Rapid Thermal Oxidation-In Situ Steam Generation，簡稱RTO-ISSG)，用以於該基板10上方形成如第一圖(b)所示之二氧化矽薄膜11，而該快速熱氧化-臨場蒸氣產生技術中可提供含有氫氣與氧氣之混合氣體，氫氣/氧氣之流量分別約為10升/分鐘與20升/分鐘，因此氫氣/氧氣之流量比約為1：2，並將溫度之溫度控制在攝氏850度至1000度之間，至於進行該快速熱氧化-臨場蒸氣產生技術之時間長度則控制在10秒至20秒之間。如此一來，形成之該二氧化矽薄膜11之厚度範圍約控制在45埃至55埃之間。
而為能改善薄膜品質，本實施例可對該基板10進行一退火製程，該退火製程中主要提供一混合氣體來對薄膜進行修復，並將溫度控制在攝氏1000度至1100度之間。如第一圖(c)所示，本實施例之退火製程係於該二氧化矽薄膜11形成於該基板10上方之後再進行，簡稱後退火(post-annealing)，其時間長度控制在10秒至120秒之間。而該退火製程提供之混合氣體中包含有一反應氣體與一惰性氣體，其中該反應氣體可為氫氣或氧氣，而惰性氣體則可選用一氧化二氮或氮氣。
以反應氣體/惰性氣體分別氫氣/一氧化二氮(N2O)為例，在流量分別為0.15升/分鐘與15升/分鐘，即流量比為1：100，時間長度控制在31秒，溫度控制在攝氏1080度之條件下，可以有效改善薄膜品質，進而使以此薄膜所完成的電晶體元件之電氣特性得到相當程度的改善，例如負偏壓溫度不穩定性(Negative bias temperature instability，簡稱NBTI)以及崩潰時間_63.2%(time-to-breakdown_63.2%，簡稱TBD_63.2%，測試元件累積錯誤機率到達63.2%時的元件崩潰時間)等相關半導體可靠度參數，經測量都可得到相當程度的改善，詳情可參見下列附表一中之第二條件。
再以反應氣體/惰性氣體分別氧氣/氮氧為例，在流量分別為9升/分鐘與21升/分鐘，即流量比為3：7，時間長度控制在60秒，溫度控制在攝氏1100度之條件下，也可以有效改善薄膜品質，進而使以此薄膜所完成的電晶體元件之NBTI以及TBD_63.2%得到相當程度的改善，詳情可參見下列附表一中之第四條件。
另外，再請參見第二圖(a)(b)(c)，其係本案為改善習用手段缺失所發展出來關於二氧化矽薄膜製作方法之第二較佳實施例步驟示意圖，本較佳實施例包含下列步驟：首先，如第二圖(a)所示，提供基板20，例如常見的矽晶圓，由於在形成閘極絕緣層前，基板20通常已進行一些摻質植入製程，因此基板20上會累積電荷而影響後續二氧化矽薄膜之成長品質，因此本實施例於該二氧化矽薄膜形成於該基板20上方之前先進行退火製程，簡稱預先退火(pre-annealing)，如第二圖(b)所示，其時間長度控制在10秒至120秒之間。然後再進行快速熱氧化-臨場蒸氣產生技術(Rapid Thermal Oxidation-In Situ Steam Generation，簡稱RTO-ISSG)，用以於該基板20上方形成如第二圖(c)所示之二氧化矽薄膜21，同樣的，該快速熱氧化-臨場蒸氣產生技術中可提供含有氫氣與氧氣之混合氣體，氫氣/氧氣之流量分別約為10升/分鐘與20升/分鐘，因此氫氣/氧氣之流量比約為1：2，並將溫度之溫度控制在攝氏850度至1000度之間，至於進行該快速熱氧化-臨場蒸氣產生技術之時間長度則控制在10秒至20秒之間。如此一來，形成之該二氧化矽薄膜21之厚度範圍約控制在45埃至55埃之間。
至於該退火製程提供之混合氣體中包含有一反應氣體與一惰性氣體，其中該反應氣體可為氫氣或氧氣，而惰性氣體則可選用一氧化二氮或氮氣。
以反應氣體/惰性氣體分別氫氣/一氧化二氮為例，在流量分別為0.15升/分鐘與15升/分鐘，即流量比為1：100，時間長度控制在31秒，溫度控制在攝氏1080度之條件下，可以有效改善薄膜品質，進而使以此薄膜所完成的電晶體元件之電氣特性得到相當程度的改善，例如負偏壓溫度不穩定性(NBTI)以及崩潰時間_63.2%(TBD_63.2%)等相關半導體可靠度參數，經測量都可得到相當程度的改善，詳情可參見下列附表一中之第五條件。
再以反應氣體/惰性氣體分別氧氣/氮氧為例，在流量分別為9升/分鐘與21升/分鐘，即流量比為3：7(請確認)，時間長度控制在60秒，溫度控制在攝氏1100度之條件下，也可以有效改善薄膜品質，進而使以此薄膜所完成的電晶體元件之NBTI以及TBD_63.2%得到相當程度的改善，詳情可參見下列附表一中之第六條件。
由附表一可清楚看出，第一條件與第七條件分別是未進行本案退火製程之習用技術，相較於進行本案退火製程之第二、三、四、五、六條件所完成二氧化矽薄膜，本案所完成之二氧化矽薄膜在NBTI或TBD_63.2%可得到相當程度的改善，因此可有效改善習用手段之缺失，達成發展本案之主要目的。
10．．．基板
11．．．二氧化矽薄膜
20．．．基板
21．．．二氧化矽薄膜
第一圖(a)(b)(c)，其係本案為改善習用手段缺失所發展出來關於二氧化矽薄膜製作方法之第一較佳實施例步驟示意圖。
第二圖(a)(b)(c)，其係本案為改善習用手段缺失所發展出來關於二氧化矽薄膜製作方法之第二較佳實施例步驟示意圖。
10．．．基板
11．．．二氧化矽薄膜

Claims (10)

  1. 一種二氧化矽薄膜製作方法，包含下列步驟：提供一基板；進行一快速熱氧化-臨場蒸氣產生技術，用以於該基板上方形成一二氧化矽薄膜；以及對該基板進行一退火製程，該退火製程中提供一第一混合氣體，並將溫度控制在攝氏1000度至1100度之間。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之二氧化矽薄膜製作方法，其中該基板係為一矽晶圓，該快速熱氧化-臨場蒸氣產生技術中提供含有氫氣與氧氣之一第二混合氣體，並將溫度之溫度控制在攝氏850度至1000度之間。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之二氧化矽薄膜製作方法，其中進行該快速熱氧化-臨場蒸氣產生技術之時間長度控制在10秒至20秒之間，該第二混合氣體中之氫氣/氧氣流量比為1：2。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之二氧化矽薄膜製作方法，其中所形成之該二氧化矽薄膜厚度範圍為45埃至55埃之間。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之二氧化矽薄膜製作方法，其中該退火製程係於該二氧化矽薄膜形成於該基板上方之後再進行，其時間長度控制在10秒至120秒之間。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之二氧化矽薄膜製作方法，其中該退火製程提供之該第一混合氣體中包含一氧化二氮與氫氣，該第一混合氣體中之氫氣/一氧化二氮流量比為1：100，其時間長度控制在31秒，溫度控制在攝氏1080度。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之二氧化矽薄膜製作方法，其中該退火製程提供之該第一混合氣體中包含氮氣與氫氣，該第一混合氣體中之氧氣/氮氣流量比為3：7，其時間長度控制在60秒，溫度控制在攝氏1100度。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之二氧化矽薄膜製作方法，其中該退火製程係於該二氧化矽薄膜形成於該基板上方之前進行，其時間長度控制在10秒至120秒之間。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之二氧化矽薄膜製作方法，其中該退火製程提供之該第一混合氣體中包含一氧化二氮與氫氣，該第一混合氣體中之氫氣/一氧化二氮流量比為1：100，其時間長度控制在31秒，溫度控制在攝氏1080度。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之二氧化矽薄膜製作方法，其中該退火製程提供之該第一混合氣體中包含氮氣與氫氣，該第一混合氣體中之氧氣/氮氣流量比為3：7，其時間長度控制在60秒，溫度控制在攝氏1100度。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US20090242957A1 (en) * 2008-03-31 2009-10-01 Yi Ma Atomic layer deposition processes for non-volatile memory devices
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