專利名稱：制造薄柵氧化硅層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制造半導(dǎo)體器件的方法，特別涉及用于金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)晶體管等中的其厚度小于40的柵極氧化硅層的制造方法。
在將硅襯底裝入溫度約為300至700℃的氧化爐中的制造MOS晶體管等的現(xiàn)有技術(shù)方法中，將氧化爐的溫度升高到750至900℃，對硅襯底實施氧化操作，在硅上生長基本(essential)氧化硅層。在這種情況下，在生長基本氧化硅層之前生長初始(initial)氧化硅層。亦即，為了生長初始氧化硅層，在硅襯底裝入步驟和升溫步驟期間，對該爐子提供1-2％的氧(O2)和氮的混合氣體(參見JP-A-4-186835)。以下將對此進(jìn)行詳細(xì)說明。
應(yīng)該指出，由初始氧化硅層和基本氧化硅層形成整個柵極氧化硅層。
盡管初始氧化硅層的質(zhì)量比較差，但初始氧化硅層可用作覆蓋層，以防止硅襯底在生長基本氧化硅層期間的約750-900℃時發(fā)生遷移(migrating)。因此，初始氧化硅層抑制硅襯底表面的粗糙化，從而在硅襯底與柵極氧化硅層之間獲得滿意的界面，提高柵極氧化硅層的可靠性。
可是，在柵極氧化硅層中，由于在硅襯底裝入步驟和升溫步驟(該步驟中爐內(nèi)流動的氧濃度較高，為1-2％)中都生長初始氧化硅層，因而當(dāng)柵極氧化硅層太薄時，例如薄于大約40時，初始氧化硅層與整個柵極氧化硅層的比值變得大于約50％，這將使整個柵極氧化硅層變劣。
本發(fā)明的目的在于改進(jìn)其厚度低于40的柵極氧化硅層。
按照本發(fā)明，在硅襯底裝入其溫度為第一值的氧化爐中的半導(dǎo)體器件的制造方法中，將氧化爐的溫度升高到第二值，對硅襯底實施氧化操作，在硅襯底上生長基本氧化硅層，在實施氧化操作步驟之前生長的初始氧化硅層的厚度與由初始氧化硅層和基本氧化硅層構(gòu)成的其厚度低于40的柵極氧化硅層的厚度之比大約在20-40％。
當(dāng)初始氧化硅層的厚度與整個柵極氧化硅層的厚度之比大約在20-40％時，可抑制整個柵極氧化硅層的變劣，同時維持硅襯底表面的粗糙度特性以及在硅襯底與柵極氧化硅層之間的界面。
根據(jù)參照附圖并且與現(xiàn)有技術(shù)相比較所作的說明，將更清楚地理解本發(fā)明，其中

圖1A-1D是說明制造MOS晶體管的現(xiàn)有技術(shù)方法的剖面圖；圖2是氧化爐的溫度順序圖，用于說明制造圖1A-1D的柵極氧化硅層的現(xiàn)有技術(shù)方法；圖3是利用如圖2所示的現(xiàn)有技術(shù)方法獲得的柵極氧化硅層的剖面圖；圖4是氧化爐的溫度順序圖，用于說明按照本發(fā)明的制造柵極氧化硅層的方法的第一實施例；圖5是通過如圖4所示的第一實施例獲得的柵極氧化硅層的剖面圖；圖6A是表示粗糙度特性與圖5的初始氧化硅層和整個柵極氧化硅層的比值之間關(guān)系的曲線圖；圖6B是表示柵極氧化硅層的可靠性與圖5的初始氧化硅層和整個柵極氧化硅層的比值之間關(guān)系的曲線圖；圖7是氧化爐的溫度順序圖，用于說明按照本發(fā)明的制造柵極氧化硅層的方法的第二實施例；
圖8是氧化爐的溫度順序圖，用于說明按照本發(fā)明的制造柵極氧化硅層的方法的第三實施例。
在描述最佳實施例之前，先參照圖1A、1B、1C和1D說明制造MOS晶體管的現(xiàn)有技術(shù)方法。
首先，參見圖1A，通過硅的局部氧化(LOCOS)處理熱氧化P-型單晶硅襯底1，在其上生長場氧化硅層2。
接著，參見圖1B，通過熱氧化硅襯底1，形成柵極氧化硅層3。
然后，參見圖1C，在柵極氧化硅層3上淀積多晶硅層和/或難熔金屬層，并通過光刻和腐蝕處理進(jìn)行構(gòu)圖，形成柵電極4。
最后，參見圖1D，利用柵電極4作掩模腐蝕柵極氧化硅層3。然后，將例如砷離子之類的N型雜質(zhì)離子以與柵電極4自對準(zhǔn)的方式注入硅襯底1中，在硅襯底1內(nèi)形成高雜質(zhì)區(qū)(源/漏區(qū))5。于是，制成MOS晶體管。
下面參照圖2說明柵極氧化硅層3的形成。
在形成柵極氧化硅層3之前，將形成有如圖1A所示的場氧化硅層2的晶片放入稀釋的含氟的酸溶液中，由此去除沾污和自然氧化硅層。
首先，在時間t0，晶片裝入氧化爐中，該氧化爐的溫度大約為300-700℃，并在其中流動氧(O2)和氮的混合氣體，其中氧的含量占1-2％。
接著，在時間t1，以諸如大約10deg/min的恒定速率升高爐溫。并且在這種狀態(tài)下，上述混合氣體流過爐中。
然后，在時間t2，保持爐溫在諸如約750-900℃的確定溫度。并且將流動的O2/N2的混合氣體(O2占1-2％)切換為純氧氣氣流，進(jìn)行干氧化處理。
其次，在時間t3，以諸如大約10deg/min的恒定速率降低爐溫。同時，將純氧氣氣流切換為純氮?dú)鈿饬鳎Ｖ垢裳趸幚怼?br> 隨后，在時間t4，停止降低爐溫的操作，以便爐溫返回到大約300-700℃。
最后，在時間t5，從爐中取出晶片。
圖3中示出通過如圖2所示的加熱處理獲得的柵極氧化硅層3。亦即，柵極氧化硅層3由在圖2的時間t0到時間t2期間生長的初始氧化硅層31和在圖2的時間t2到時間t3期間生長的基本氧化硅層32構(gòu)成。
通過調(diào)節(jié)從時間t0到時間t2的時間段T1可改變初始氧化硅層31的厚度TOXinitial，而通過調(diào)節(jié)從時間t2到時間t3的時間期間T2可改變基本氧化硅層32的厚度TOXessential。
盡管初始氧化硅層31的質(zhì)量較差，但初始氧化硅層31可用作防止硅襯底1在生長基本氧化硅層32的約750-900℃時遷移(migrating)的覆蓋層。因此，初始氧化硅層31抑制硅襯底1表面的粗糙化，從而獲得滿意的硅襯底1與柵極氧化硅層3之間的界面，提高柵極氧化硅層3的可靠性。
可是，在圖3的柵極氧化硅層3中，由于初始氧化硅層31在從時間t0到時間t2的期間以及在從時間t2到時間t3的期間(其中爐內(nèi)流動的氧濃度較高，為1-2％)都生長，因而當(dāng)柵極氧化硅層3非常薄時，例如薄于大約40時，初始氧化硅層31與整個柵極氧化硅層3的比值變得大于約50％，這將使整個柵極氧化硅層3變劣。應(yīng)該指出，如果柵極氧化硅層3的厚度為約40，那么初始柵極氧化硅層31的厚度為約18。
下面參照圖4說明按照本發(fā)明的制造柵極氧化硅層3的方法的第一實施例。
在形成柵極氧化硅層3之前，將形成有如圖1A所示的場氧化硅層2的晶片放入稀釋的含氟的酸溶液中，由此去除沾污和自然氧化硅層。
首先，在時間t0，將晶片裝入氧化爐中，該氧化爐的溫度大約為300-700℃，并在其中流動氧(O2)和氮(N2)的混合氣體，氧的含量約為1-2％。
接著，在時間t1，以諸如大約10deg/min的恒定速率升高爐溫。并且在這種狀態(tài)下，純氮?dú)鈿饬髁鬟^爐中，從而停止初始氧化硅層的生長。
然后，在時間t2，保持爐溫在諸如約750-900℃的確定溫度。并且將流動的氮?dú)馇袚Q為純氧氣氣流，進(jìn)行干氧化處理。
其次，在時間t3，按照諸如大約10deg/min(度/分鐘)的恒定速率降低爐溫。同時，將純氧氣氣流切換為純氮?dú)鈿饬?，以停止干氧化處理?br> 隨后，在時間t4，停止降低爐溫的操作，以便爐溫返回到大約300-700℃。
最后，在時間t5，從爐中取出晶片。
在圖5中示出了通過如圖4所示的加熱處理過程所獲得的柵極氧化硅層3。亦即，柵極氧化硅層3由從圖4的時間t0到時間t1期間生長的初始氧化硅層31和從圖4的時間t2到時間t3期間生長的基本氧化硅層32構(gòu)成。
通過調(diào)節(jié)從時間t0到時間t1的時間段T1可改變初始氧化硅層31的厚度TOXinitial，而通過調(diào)節(jié)從時間t2到時間t3的時間段T2可改變基本氧化硅層32的厚度TOXessential。
如上所述，盡管初始氧化硅層31的質(zhì)量較差，但初始氧化硅層31可用作防止硅襯底1在生長基本氧化硅層32的約750-900℃時遷移的覆蓋層。因此，如圖6A所示，當(dāng)TOXtotal＝TOXinitial+TOXessential時，比值TOXinitial/TOXtotal大于約20％，初始氧化硅層31抑制硅襯底1表面的粗糙化，從而獲得在硅襯底1與柵極氧化硅層3之間滿意的界面，提高柵極氧化硅層3的可靠性，如圖6B所示。
并且，在圖5的柵極氧化硅層3中，由于初始氧化硅層31僅在從時間t0到時間t1的期間生長，因而即使柵極氧化硅層3非常薄，例如比大約40更薄時，初始氧化硅層31與整個柵極氧化硅層3的比值都將變得小于約40％，如圖6B所示，這將抑制整個柵極氧化硅層3的變劣。
下面參照圖7說明按照本發(fā)明的制造柵極氧化硅層3的方法的第二實施例。
在形成柵極氧化硅層3之前，將形成有如圖1A所示的場氧化硅層2的晶片放入稀釋的含氟的酸溶液中，由此去除沾污和自然氧化硅層。
首先，在時間t0，將晶片裝入氧化爐中，該氧化爐的溫度大約為300-700℃，并在其中流動氧(O2)和氮(N2)的混合氣體，氧的含量約為0.5％。
接著，在時間t1，以諸如大約10deg/min的恒定速率升高爐溫。并且在這種狀態(tài)下，上述混合氣體流過爐中，從而繼續(xù)進(jìn)行初始氧化硅層的生長。
然后，在時間t2，保持爐溫在諸如約750-900℃的確定溫度。并且將爐中流動的0.5％的O2/N2的混合氣體切換為純氧氣氣流，進(jìn)行干氧化處理。
其次，在時間t3，以諸如大約10deg/min的恒定速率降低爐溫。同時，將純氧氣氣流切換為純氮?dú)鈿饬?，停止干氧化處理?br> 隨后，在時間t4，停止降低爐溫的操作，以便爐溫返回到大約300-700℃。
最后，在時間t5，從爐中取出晶片。
圖5中還示出通過如圖7所示的加熱處理獲得的柵極氧化硅層3。亦即，柵極氧化硅層3由從圖7的時間t0到時間t2期間生長的初始氧化硅層31和從圖7的時間t2到時間t3期間生長的基本氧化硅層32構(gòu)成。
通過調(diào)節(jié)從時間t0到時間t2的時間期間T1可改變初始氧化硅層31的厚度TOXinitial，而通過調(diào)節(jié)從時間t2到時間t3的時間期間T2可改變基本氧化硅層32的厚度TOXessential。
如上所述，盡管初始氧化硅層31的質(zhì)量較差，但初始氧化硅層31可用作防止硅襯底1在生長基本氧化硅層32的約750-900℃時遷移的覆蓋層。因此，按與第一實施例相同的方式，當(dāng)TOXtotal＝TOXinitial+TOXessential時，比值TOXinitial/TOXtotal大于約20％，初始氧化硅層31抑制硅襯底1表面的粗糙化，從而獲得在硅襯底1與柵極氧化硅層3之間滿意的界面，提高柵極氧化硅層3的可靠性。
并且，在通過第二實施例獲得的圖5的柵極氧化硅層3中，盡管初始氧化硅層31在從時間t0到時間t1的期間以及在從時間t1到時間t2的期間都生長，但爐內(nèi)流動的氧濃度較低即大約為0.5％。因此，即使柵極氧化硅層3非常薄時，例如薄于大約40時，初始氧化硅層31與整個柵極氧化硅層3的比值都將變得小于約40％，這將抑制整個柵極氧化硅層3的變劣，如圖6B所示。
下面參照圖8說明按照本發(fā)明的制造柵極氧化硅層3的方法的第三實施例。
在形成柵極氧化硅層3之前，使用氨水/過氧化氫水混合物(APM)、氫硫酸/過氧化氫水(HPM)等對形成有如圖1A所示的場氧化硅層2的晶片進(jìn)行濕式處理步驟，由此去除沾污。在這種情況下，在硅襯底1上生長厚度約為10-15的化學(xué)氧化硅層。該化學(xué)氧化硅層用作初始氧化硅層。
首先，在時間t0，將晶片裝入氧化爐中，該氧化爐的溫度大約為300-700℃，并在其中流動純氮(N2)氣體。
接著，在時間t1，以諸如大約10deg/min的恒定速率升高爐溫。并且在這種狀態(tài)下，純氮?dú)鈿饬髁鬟^爐中。
這樣，初始氧化硅層根本不從時間t0生長到時間t2。
然后，在時間t2，保持爐溫在諸如約750-900℃的確定溫度。并且將爐中流動的純氮?dú)馇袚Q為純氧氣氣流，進(jìn)行干氧化處理。
其次，在時間t3，以諸如大約10deg/min的恒定速率降低爐溫。同時，將純氧氣氣流切換為純氮?dú)鈿饬鳎Ｖ垢裳趸幚怼?br> 隨后，在時間t4，停止降低爐溫的操作，以便爐溫返回到大約300-700℃。
最后，在時間t5，從爐中取出晶片。
圖5中還示出通過如圖8所示的加熱處理獲得的柵極氧化硅層3。亦即，柵極氧化硅層3由對應(yīng)于化學(xué)氧化硅層的初始氧化硅層31和從圖8的時間t2到時間t3生長的基本氧化硅層32構(gòu)成。
初始氧化硅層31的厚度TOXinitial是確定的，而通過對從時間t2到時間t3的時間段T2進(jìn)行調(diào)節(jié)，則可以改變基本氧化硅層32的厚度TOXessential。
應(yīng)該指出，盡管初始氧化硅層(化學(xué)氧化硅層)31的質(zhì)量較差，但初始氧化硅層31可用作防止硅襯底1在生長基本氧化硅層32的約750-900℃時遷移的覆蓋層。在這種情況下，初始氧化硅層31極薄。因此，按與第一實施例相同的方式，當(dāng)TOXtotal＝TOXinitial+TOXessential時，比值TOXinitial/TOXtotal大于約20％，初始氧化硅層31抑制硅襯底1表面的粗糙化，從而獲得在硅襯底1與柵極氧化硅層3之間滿意的界面，提高柵極氧化硅層3的可靠性。
并且，在通過第三實施例獲得的圖5的柵極氧化硅層3中，盡管柵極氧化硅層3非常薄，例如比大約40更薄，初始氧化硅層31與整個柵極氧化硅層3的比值變得小于約40％，這將抑制整個柵極氧化硅層3的變劣，如圖6B所示。
在上述實施例中，盡管從時間t0到時間t2使用了氮?dú)?，但也可使用諸如氬(Ar)氣之類的惰性氣體來代替氮?dú)狻４送?，在第二實施例中，從時間t0到時間t2的氧氣與氣體混合物的比值可以在0.4％與1％之間。并且，在所有實施例中，可使用利用純水蒸汽的濕式氧化處理、鹽酸(HCl)氧化處理、二氯乙烯(DCE)氧化處理、一氧化氮(NO)氣體氧化處理或二氧化氮(NO2)氣體氧化處理來代替干式氧化處理。
如上所述，按照本發(fā)明，由于初始氧化硅層與整個柵極氧化硅層的比值可為約20-40％，因而可抑制整個柵極氧化硅層的變劣，同時維持硅襯底表面的粗糙度特性以及在硅襯底與柵極氧化硅層之間的界面。
權(quán)利要求
1.一種制造半導(dǎo)體器件的方法，包括下列步驟將晶片(1)裝入氧化爐中，該氧化爐的溫度為第一值；將所述氧化爐的溫度從所述第一值升高到比所述第一值高的第二值；對所述硅襯底實施氧化操作，在所述硅襯底上生長基本氧化硅層(32)，其中，在實施所述氧化操作步驟之前生長的初始氧化硅層(31)的厚度與由所述初始氧化硅層和基本氧化硅層構(gòu)成的整個柵極氧化硅層(3)的厚度之比大約在20-40％，所述整個柵極氧化硅層的厚度小于40。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括在所述硅襯底裝入步驟之前腐蝕所述硅襯底上的自然氧化硅的步驟。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述硅襯底裝入步驟包括對所述氧化爐供給氧氣和惰性氣體的混合氣體的步驟，所述升溫步驟包括對所述氧化爐供給惰性氣體的步驟。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中在所述硅襯底裝入步驟中氧氣與混合氣體之比大約為1-2％。
5.如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述硅襯底裝入步驟包括對所述氧化爐供給氧氣和惰性氣體的混合氣體的步驟，所述升溫步驟包括對所述氧化爐供給所述混合氣體的步驟。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中在所述硅襯底裝入步驟和升溫步驟中氧氣與混合氣體之比大約為0.4-1.0％。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括在所述硅襯底裝入步驟之前對所述硅襯底進(jìn)行濕式處理的步驟，以便在所述硅襯底上生長作為所述初始氧化硅層的化學(xué)氧化硅層，所述硅襯底裝入步驟包括對所述氧化爐供給惰性氣體的步驟，所述升溫步驟包括對所述氧化爐供給惰性氣體的步驟。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第一值為300-700℃，而所述第二值為750-900℃。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述氧化處理是干式氧化處理、濕式氧化處理、二氯乙烯氧化處理、一氧化氮?dú)怏w氧化處理和二氧化氮?dú)怏w氧化處理中之一。
10.一種制造半導(dǎo)體器件的方法，包括下列步驟腐蝕硅襯底(1)上的自然氧化硅；將所述硅襯底裝入氧化爐中，該氧化爐的溫度為大約300-700℃，并對該氧化爐供給氧氣和惰性氣體的混合氣體，以在所述硅襯底上生長初始氧化硅層(31)；將氧氣和惰性氣體的混合氣體切換為純惰性氣體，以停止所述初始氧化硅層的生長；在將氧氣和惰性氣體的混合氣體切換為純惰性氣體之后，所述氧化爐的溫度升高到約750-900℃；在所述氧化爐的溫度升高到750-900℃之后，停止供給所述純惰性氣體；和在停止供給所述純惰性氣體之后，對所述硅襯底實施氧化處理，在所述硅襯底上生長基本氧化硅層(32)，所述初始氧化硅層的厚度與所述初始氧化硅層加所述基本氧化硅層的厚度之和的比值大約在20-40％，所述初始氧化硅層加所述基本氧化硅層的厚度小于40。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中混合氣體中氧氣的比例大約為1-2％。
12.一種制造半導(dǎo)體器件的方法，包括下列步驟腐蝕硅襯底(1)上的自然氧化硅；將所述硅襯底裝入氧化爐中，該氧化爐的溫度為大約300-700℃，并對該氧化爐供給氧氣和惰性氣體的混合氣體，在所述硅襯底上生長初始氧化硅層(31)；將所述氧化爐的溫度升高到約750-900℃；在所述氧化爐的溫度升高到750-900℃之后，停止供給所述混合氣體；和在停止供給所述混合氣體之后，對所述硅襯底實施氧化處理，在所述硅襯底上生長基本氧化硅層(32)，所述初始氧化硅層的厚度與所述初始氧化硅層加所述基本氧化硅層的厚度之和的比值大約在20-40％，所述初始氧化硅層加所述基本氧化硅層的厚度小于40。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中混合氣體中的氧氣比例大約為0.4-1.0％。
14.一種制造半導(dǎo)體器件的方法，包括下列步驟在硅襯底(1)上形成作為初始氧化硅層(31)的化學(xué)氧化硅；將所述硅襯底裝入氧化爐中，該氧化爐的溫度為大約300-700℃，并對該氧化爐供給惰性氣體；將所述氧化爐的溫度升高到約750-900℃；在所述氧化爐的溫度升高到約750-900℃之后，停止供給所述惰性氣體；和在停止供給所述惰性氣體之后，對所述硅襯底實施氧化處理，在所述硅襯底上生長基本氧化硅層(32)，所述初始氧化硅層的厚度與所述初始氧化硅層加所述基本氧化硅層的厚度之和的比值大約在20-40％，所述基本氧化硅層加所述初始氧化硅層的厚度小于40。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中混合氣體中的氧氣比例大約為0.4-1.0％。
全文摘要
在將硅襯底(1)裝入爐溫為第一值的氧化爐中的制造半導(dǎo)體器件的方法中,將氧化爐的溫度升高到第二值,對硅襯底實施氧化操作,在硅襯底上生長基本氧化硅層(32),在實施氧化操作步驟之前生長的初始氧化硅層(31)的厚度與由初始氧化硅層和基本氧化硅層構(gòu)成的厚度低于40A的柵極氧化硅層(3)的厚度之比大約為20—40%。
文檔編號H01L29/78GK1263355SQ00100780
公開日2000年8月16日 申請日期2000年2月3日 優(yōu)先權(quán)日1999年2月10日
發(fā)明者小場文博 申請人:日本電氣株式會社