WO1997046744A1 - Verfahren und vorrichtung zur kompensation von luftdruckschwankungen bei thermischen oxidationsprozessen - Google Patents

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Alfons Roithmayer
Klaus Schmalzbauer
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    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/06—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
    • C23C8/08—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases only one element being applied
    • C23C8/10—Oxidising

Definitions

  • the invention relates to a method for the thermal oxidation of silicon-containing substrates, in which the silicon-containing substrates are subjected to an oxidation cycle in an oxidation furnace with the following steps: a) heating the silicon-containing substrates, b) oxidizing the silicon-containing substrates in the oxygen gas flow, c) cooling the silicon-containing substrates, the oxide thickness desired on the silicon-containing substrates being set via the measured and control variables temperature, gas flow rates, gas mixtures and oxidation time. Furthermore, the invention relates to a horizontal furnace, a vertical furnace or an RTP (Rapid Termal Processing) system with a drive-in device, a heating pipe with heating coils or heating lamps, a gas system and a measuring and control unit.
  • RTP Rapid Termal Processing
  • Thermal oxidation is a process which has been known for a long time for producing SiO 2 layers on silicon-containing substrates, with silicon-containing substrates here being understood to mean wafers as well as silicon layers, in particular also polysilicon, silicon nitride and metal silicides.
  • an oxidizing gas usually oxygen with the addition of chlorine-containing gases, flows over the hot silicon surface.
  • a mostly amorphous, glass-like layer (quartz) is formed on the surface of the silicon-containing substrate.
  • the object of the present invention is therefore to improve the method mentioned at the outset for the thermal oxidation of silicon-containing substrate in such a way that it becomes almost insensitive to fluctuations in air pressure.
  • this object is achieved with a method which is characterized in that the air pressure is measured and the fluctuations in the oxide thicknesses which are to be expected on the basis of the fluctuations which occur are controlled by regulating at least one of the measured and controlled variables temperature, gas flow rates, gas mixtures and Oxidation time can be compensated.
  • the air pressure is measured before an oxidation cycle and the measurement and control variables are then set.
  • the air pressure can also be measured continuously and the measurement and control variables continuously adjusted.
  • the measurement and control variables are expediently automatically controlled by means of an algorithm and the detection and consideration of the air pressure is integrated in this algorithm.
  • the device according to the invention for carrying out the method consists of a horizontal furnace, vertical furnace or an RTP system, with a drive-in device, a heating pipe with heating coils or heating lamps, a gas system and a measuring and control unit, a barometer at the location of the system is arranged, which is connected to the ⁇ measuring and control unit.
  • the measurement and control unit controls the oxidation cycles by taking into account the air pressure measured with a precision barometer by means of the measurement and control variables temperature, gas flow rates, gas mixtures and oxidation time.
  • Figure 1 shows a typical oxidation cycle in the production of an approximately 20 nm thick SiO 2 layer, which as
  • Gate oxide acts.
  • the silicon-containing substrates to be oxidized usually wafers, are moved into a mostly horizontal tube furnace, then heated and oxidized with the addition of dry oxygen with the addition of a few percent by volume of a chlorine-containing gas, then annealed under a protective gas atmosphere, then cooled and finally out the tube furnace.
  • the silicon-containing substrates are slowly heated and slowly cooled in order to avoid radial temperature gradients across the silicon wafers in the critical temperature range between 600 and 1250 ° C. This special heating and cooling is called ramping.
  • Oxidation is used to eliminate or reduce the solid
  • the oxidation is generally carried out in a tube furnace, as shown in FIG. 2.
  • This tube furnace 1 has a friction-free drive-in device 2, with which the silicon-containing substrates are moved into and moved out of the tube furnace 1.
  • the tube furnace 1 mainly consists of a quartz tube 3, which is surrounded by heating coils 4. At one end there is a burner 5 which burns H 2 and O 2 at the pipe inlet 6 to H 2 0 for the moisture oxidation carried out here for reasons of better controllability.
  • the drive-in device 2 is frictionless in order to move the quartz boat 7 with the silicon-containing ones in and out
  • the drive-in device is accordingly designed as a drive-in device which either keeps the quartz boat 7 floating during the oxidation or sets it down in the middle of the tube and then extends it again.
  • a gas system 12 is arranged at the tube inlet 6, with which the oxidizing gas 0 2 and hydrogen H 2 and hydrogen chloride HCl and for the annealing nitrogen N 2 or argon Ar are fed. The gases introduced are sucked out through the opening 11. Finally, the entire tube furnace system (1, 2, 12) is connected to a measurement and control system 9 for its control.
  • a precision barometer 10 with an associated supply unit (not shown) is connected to the measuring and control system 9.
  • the precision barometer 10 supplies signals in the form of electrical voltages, which are proportional to the deviation of a recorded normal value, to the measuring and control system 9. These signals are there by a Algorithm that controls the oxidation cycle is further processed by regulating temperature and / or gas flow rates and / or oxidation time, so that a constant oxide thickness is achieved.

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Abstract

Es hat sich gezeigt, daß der Einfluß von Luftdruckschwankungen auf die bei der thermischen Oxidation von siliziumhaltigen Substraten erzeugten Oxiddicken störend ist. Die vorliegende Erfindung löst dieses Problem dadurch, daß der Luftdruck gemessen wird und die aufgrund der auftretenden Schwankungen des Luftdruckes zu erwartenden Schwankungen der Oxiddicken über die Regelung zumindest einer der Meß- und Regelgrößen Temperatur, Gasflußraten, Gasmischungen und Oxidationszeit kompensiert werden.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur Kompensation von Luftdruck¬ schwankungen bei thermischen Oxidationsprozessen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermischen Oxida¬ tion von siliziumhaltigen Substraten, bei dem die siliziuin¬ haltigen Substrate in einem Oxidationsofen einem Oxidationε- zyklus mit folgenden Schritten unterworfen werden: a) Aufheizen der siliziumhaltigen Substrate, b) Oxidieren der siliziumhaltigen Substrate im Sauerstoffgas¬ fluß, c) Abkühlen der siliziumhaltigen Substrate, wobei die auf den siliziumhaltigen Substraten gewünschte Oxiddicke über die Meß- und Regelgrößen Temperatur, Gasfluß- raten, Gasmischungen und Oxidationszeit eingestellt wird. Ferner betrifft die Erfindung einen Horizontalofen, Vertikal¬ ofen oder eine RTP-Anlage (Rapid Termal Processing) mit einer Einfahrvorrichtung, einem Aufheizrohr mit Heizwicklungen oder Heizlampen, einem Gassystem sowie einer Meß- und Regelein¬ heit .
Die thermische Oxidation ist ein seit langem bekanntes Ver¬ fahren zur Erzeugung von Siθ2~Schichten auf siliziumhaltigen Substraten, wobei hier unter siliziumhaltigen Substraten so¬ wohl Wafer als auch Siliziumschichten, insbesondere auch Po- lysilizium, Siliziumnitrid und Metallsilizide verstanden wer¬ den. Bei der thermischen Oxidation strömt ein oxidierendes Gas, in der Regel Sauerstoff unter Zusätzen von chlorhaltigen Gasen, über die heiße Siliziumoberfläche. Es entsteht eine zumeist amorphe, glasartige Schicht (Quarz) an der Oberfläche des siliziumhaltigen Substrates. Man unterscheidet dabei ei¬ nerseits die sogenannte trockene Oxidation und andererseits die sogenannte feuchte Oxidation. Bei der sogenannten trockenen Oxidation von Silizium erfolgt der Oxidationsprozeß in Sauerstoffatmosphäre nach der chemi¬ schen Reaktion
sifest + °2 gasförmig ► si02 fest-
Bei der sogenannten feuchten Oxidation gelangen Wassermolekü- le zur Oberfläche des siliziumhaltigen Substrates. Bei der feuchten Oxidation erfolgt der Oxidationsprozeß nach der chemischen Reaktion:
Sifest + 2H2θ ► Si0 2 fest + 2H2 •
In der Praxis werden Verfahren angewandt, die je nach den An- forderungen eine Abfolge der unterschiedlichen Oxidationspro- zeß-Schritte (feuchte oder trockene Oxidation) ermöglichen. Die technischen Verfahren zur thermischen Oxidation werden im Bereich um 1000°C durchgeführt.
Ausgangspunkt für die vorliegende Erfindung war, daß bei der Inbetriebnahme von Öfen in Regensburg auffiel, daß bei glei¬ chen Anlagen und unveränderten Prozessen die resultierenden Schichtdicken immer höher als die in München ermittelten Sollwerte ausfielen. Dies konnte darauf zurückgeführt werden, daß der herrschende Luftdruck in München und Regensburg un¬ terschiedlich ist. München liegt 550 m über Meereshöhe, Re¬ gensburg hingegen 330 m über Meereshöhe. Gemäß der barometri¬ schen Höhenfoπnel resultieren daraus mittlere Luftdrücke von 950 hPa in München bzw. 975 hPa in Regensburg.
Ferner kam es im Februar 1989 zu zunächst unerklärlichen Schwankungen in der Prozessierung von Feldoxiden. Dies konnte auf das sogenannte MJahrhunderttief" zurückgeführt werden, was in Figur 3 dargestellt ist. Insgesamt konnte festgestellt werden, daß bei Luftdruckschwankungen ein beachtlicher Ein¬ fluß auf die Oxidationsdicken vorliegt, insbesondere, daß die Oxiddicken mit steigendem Luftdruck ungefähr linear zunehmen.
Dieser negative Einfluß der Luftdruckschwankungen auf die Oxiddicken führt generell zu einer zum Teil nicht hinnehm¬ baren Schwankung in den Oxiddicken bzw. im Extremfall zur völligen Unbrauchbarkeit ganzer Lose in der Fertigung.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, das eingangs genannte Verfahren zur thermischen Oxidation von εilizium- haltigem Substrat dahingehend zu verbessern, daß es gegenüber Luftdruckschwankungen nahezu unempfindlich wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren ge¬ löst, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß der Luftdruck gemessen wird und die aufgrund der auftretenden Schwankungen zu erwartenden Schwankungen der Oxiddicken über die Regelung zumindest einer der Meß- und Regelgrößen Temperatur, Gasfluß- raten, Gasmischungen und Oxidationszeit kompensiert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfin¬ dung wird der Luftdruck vor einem Oxidationszyklus gemessen und danach die Meß- und Regelgrößen eingestellt.
Alternativ kann aber auch der Luftdruck permanent gemessen werden und die Meß- und Regelgrößen kontinuierlich nachge¬ regelt werden.
In allen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Meß- und Regelgrößen zweckmäßigerweise automatisch mittels eines Algorithmus gesteuert und die Erfassung und Be¬ rücksichtigung des Luftdruckes ist in diesen Algorithmus in¬ tegriert. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Ver¬ fahrens besteht aus einem Horizontalofen, Vertikalofen oder einer RTP-Anlage, mit einer Einfahrvorrichtung, einem Auf¬ heizrohr mit Heizwicklungen oder Heizlampen, einem Gassystem sowie einer Meß- und Regeleinheit, wobei am Standort der Anlage ein Barometer angeordnet ist, das mit der Meß-■und Regeleinheit in Verbindung steht. Die Meß- und Regeleinheit steuert dabei unter Berücksichtigung des mit einem Präzi¬ sionsbarometer gemessenen Luftdruckes die Oxidationszyklen durch die Meß- und Regelgrößen Temperatur, Gaεflußraten, Gasmischungen und Oxidationszeit.
Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise veran¬ schaulicht und anhand der Figuren 1 und 2 beschrieben:
Figur 1 zeigt einen typischen Oxidationszyklus bei der Erzeugung einer ungefähr 20 nm dicken Siθ2~Schicht, die als
Gateoxid fungiert. Dabei werden die zu oxidierenden siliziumhaltigen Substrate, in der Regel Wafer, in einen zumeist horizontalen Rohrofen eingefahren, anschließend aufgeheizt und unter Zufuhr von trockenem Sauerstoff mit einem Zusatz von einigen Volumenprozent eines chlorhaltigen Gases oxidiert, anschließend unter einer Schutzgasatmosphäre getempert, danach abgekühlt und schließlich aus dem Rohrofen herausgefahren.
Von besonderer Bedeutung ist hierbei, daß die siliziumhalti¬ gen Substrate langsam aufgeheizt und langsam abgekühlt wer¬ den, um im kritischen Temperaturbereich zwischen 600 und 1250°C radiale Temperaturgradienten über die Siliziumscheiben zu vermeiden. Dieses besondere Aufheizen und Abkühlen nennt man Ramping. Die Temperung im Schutzgas, Stickstoff oder Argon, nach der
Oxidation dient zur Eliminierung bzw. Reduzierung der festen
Grenzflächenladungen und der Traps in der Oxidschicht.
Die Oxidation wird in der Regel in einem Rohrofen durchge¬ führt, wie er in der Figur 2 dargestellt ist. Dieser Rohrofen 1 weist eine reibfreie Einfahrvorrichtung 2 auf, mit der die siliziumhaltigen Substrate in den Rohrofen 1 eingefahren und ausgefahren werden. Der Rohrofen 1 besteht in seiner Haupt- sache aus einem Quarzrohr 3, das mit Heizwicklungen 4 umgeben ist. An einem Ende befindet sich eine Brenner 5, der für die hier durchgeführte Feuchtoxidation aus Gründen einer besseren Kontrollierbarkeit H2 und 02 am Rohreingang 6 zu H20 ver¬ brennt . Die Einfahrvorrichtung 2 ist reibfrei, um beim Ein- und Ausfahren des Quarzbootes 7 mit den siliziumhaltigen
Substraten 8 einen Abrieb zwischen dem Quarzboot 7 und dem Rohr und damit Partikel zu vermeiden. Die Einfahrvorrichtung ist demnach als Einschwebevorrichtung ausgeführt, die entwe¬ der das Quarzboot 7 während der Oxidation schwebend hält oder dieses in der Rohrmitte absetzt und dann wieder ausfährt.
Ferner ist an dem Rohreingang 6 ein Gassystem 12 angeordnet mit dem das Oxidationsgas 02 sowie Wasserstoff H2 und Chlor¬ wasserstoff HCl sowie für das Tempern Stickstoff N2 bzw. Argon Ar zugeführt werden. Die eingeleiteten Gase werden durch die Öffnung 11 abgesaugt. Schließlich ist die gesamte Rohrofenanlage (1, 2, 12) zu ihrer Steuerung mit einem Meß- und Regelsystem 9 verbunden.
An das Meß- und Regelsystem 9 ist ein Präzisionsbarometer 10 mit einer dazugehörigen Versorgungseinheit (nicht gezeigt) angeschlossen. Das Präzisionsbarometer 10 liefert dabei Sig¬ nale in Form von elektrischen Spannungen, die proportional zur Abweichung eines festgehaltenen Normalwertes sind, an das Meß- und Regelsystem 9. Diese Signale werden dort von einem Algorithmus, der den Oxidationszyklus steuert, über Regelung von Temperatur und/oder Gasflußraten und/oder Oxidationszeit weiterverarbeitet, so daß eine konstante Oxiddicke erzielt wird.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur thermischen Oxidation von siliziumhaltigen Substraten, bei dem die siliziumhaltigen Substrate in einem Oxidationsofen einem Oxidationszyklus mit folgenden Schritten unterworfen werden: a) Aufheizen der siliziumhaltigen Substrate, b) Oxidieren der siliziumhaltigen Substrate im Sauerstoffgas fluß, c) Abkühlen der siliziumhaltigen Substrate, wobei die auf den siliziumhaltigen Substraten gewünschte Oxiddicke über die Meß- und Regelgrößen Temperatur, Gasflu߬ raten, Gasmischungen und Oxidationszeit eingestellt wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Luftdruck gemessen wird und die aufgrund der auftre¬ tenden Schwankungen des Luftdruckes zu erwartenden Schwankun¬ gen der Oxiddicken über die Regelung zumindest einer der be¬ sagten Meß- und Regelgrößen kompensiert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Luftdruck vor einem Oxidationszyklus gemessen wird und daß danach die Meß- und Regelgrößen eingestellt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Luftdruck permanent gemessen wird und die Meß- und Regelgrößen kontinuierlich nachgeregelt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 3 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Meß- und Regelgrößen automatisch mittels eines Algorithmus gesteuert werden und daß die Erfassung und Berücksichtigung des Luftdruckes in diesen Algorithmus integriert ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß beim Oxidieren der siliziumhaltigen Substrate ein chlor¬ haltiges Gas zugeführt wird und/oder zwischen Oxidieren und Abkühlen der siliziumhaltigen Substrate diese in einer Schutzgasatmosphäre getempert werden.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 - 4, bestehend aus einem Horizontalofen, Verti¬ kalofen oder einer RTP-Anlage mit einer Einfahrvorrichtung, einem Aufheizrohr mit Heizwicklungen oder Heizlampen, einem Gassystem sowie einer Meß- und Regeleinheit, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß am Standort der Anlage ein Barometer angeordnet ist, das mit der Meß- und Regeleinheit in Verbindung steht, und daß die Meß- und Regeleinheit unter Berücksichtigung des Luft- druckes die Oxidationszyklen über die Meß- und Regelgrößen Temperatur, Gasflußraten, Gasmischungen und Oxidationszeit steuert.
PCT/DE1997/001113 1996-06-04 1997-06-03 Verfahren und vorrichtung zur kompensation von luftdruckschwankungen bei thermischen oxidationsprozessen WO1997046744A1 (de)

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