專(zhuān)利名稱(chēng)：半導(dǎo)體集成電路器件的制造方法
本申請(qǐng)是國(guó)際申請(qǐng)?zhí)枮镻CT/JP98/00892、國(guó)際申請(qǐng)日為1998年3月4日、中國(guó)國(guó)家申請(qǐng)?zhí)枮?8803082.9、發(fā)明名稱(chēng)為“半導(dǎo)體集成電路器件的制造方法”的專(zhuān)利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。
本發(fā)明涉及包括半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體集成電路器件的制造方法，特別涉及適用于形成如MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)的柵氧化膜(絕緣膜)的技術(shù)。
在半導(dǎo)體工業(yè)的最初階段，廣泛地使用起泡，即如氧氣等的攜帶氣體穿過(guò)起泡器中的水。雖然該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于可以提供寬范圍的濕氣含量，但不能避免污染的問(wèn)題，由此目前已很少使用該技術(shù)。因此，已廣泛使用的氧氣和氫氣燃燒法，即致熱系統(tǒng)，以避免起泡器的不足。
對(duì)于本發(fā)明致力于的改進(jìn)熱氧化和為此使用的濕氣產(chǎn)生法，以下為已知的現(xiàn)有技術(shù)。
(1)在Ohmi的日本專(zhuān)利特許公開(kāi)No.Hei 6-163517中，介紹了一種在半導(dǎo)體工藝中降低溫度的低溫氧化技術(shù)。在該應(yīng)用例1申，提出了一種方法，其中氫氣添加到包括約99％的氫氣和約1％的氧氣氣體氣氛中，添加量從100ppm到1％，在700℃以下特列是450℃以下的氫氣燃燒溫度通過(guò)不銹鋼催化劑的作用得到水蒸汽。此外，在應(yīng)用例2中，指出在由99％的氧氣和1％的水蒸汽的氣氛中熱氧化硅，水蒸汽是使用催化劑在600℃的氧化溫度在常壓或壓力下形成的。
(2)在日本專(zhuān)利特許公開(kāi)No.Hei 7-321102(Yosikoshi)中介紹了在850℃的氧化溫度在很低的濕氣濃度下，即0.5ppm的超低濕氣含量區(qū)域或干燥區(qū)域內(nèi)高溫?zé)嵫趸璞砻?，以避免濕氣造成的各種問(wèn)題。
(3)在Honma等人的日本專(zhuān)利特許公開(kāi)No.Sho60-107840中，介紹了一種硅的熱氧化法，其中為了減少在于氧化環(huán)境中濕氣引起的含水量的變化，有目的地添加根據(jù)常規(guī)的方法形成的約幾十ppm水平的很少量的濕氣。
(4)在日本專(zhuān)利特許公開(kāi)No.5-152282(Ohmi I)中公開(kāi)了一種具有氫氣進(jìn)料管和加熱氫氣進(jìn)料管的裝置的熱氧化裝置，進(jìn)料管的內(nèi)表面由Ni(鎳)或含Ni的材料構(gòu)成，以防止如前所述在石英管的端部產(chǎn)生顆粒。在所述熱氧化裝置中，通過(guò)在加熱到300℃以上的氫氣進(jìn)料管內(nèi)使氫氣接觸Ni(或含Ni的材料)，氫激活的反應(yīng)物(species)與氧氣或含氧氣體反應(yīng)形成水。特別是，隨不涉及燃燒的催化系統(tǒng)形成水，由此氫氣進(jìn)料管不可能在它的端部熔化產(chǎn)生顆粒。
(5)在日本專(zhuān)利特許公開(kāi)No.Hei 6-115903(Ohmi II)中公開(kāi)了一種濕氣產(chǎn)生方法，使用了一種催化系統(tǒng)，包括混合氧氣、氫氣和惰性氣體以制備第一混合氣體的混合氣體制備步驟，和第一混合氣體引入到由具有催化作用并能將氫和氧轉(zhuǎn)變?yōu)榛鶊F(tuán)的材料構(gòu)成的反應(yīng)管內(nèi)，加熱反應(yīng)管以使第一混合氣體中存在的氫氣和氧氣反應(yīng)，由此產(chǎn)生水的濕氣產(chǎn)生步驟。
根據(jù)該方法，能夠在較低溫度下進(jìn)行反應(yīng)使用的催化材料用做氫氣和氧氣之間反應(yīng)使用的反應(yīng)管。最終，能夠在低溫下產(chǎn)生水。因此，氫氣、氧氣和惰性氣體的混合氣體送入加熱的反應(yīng)管，在反應(yīng)管內(nèi)500℃以下的溫度氫氣和氧氣進(jìn)行完全的反應(yīng)。由此，在低于燃燒系統(tǒng)的溫度下得到含有濕氣的氣體。
此外，如果從中去掉所有的塑料材料后僅將金屬材料用做氣體接觸部分對(duì)金屬表面進(jìn)行鈍化處理之后，那么從表面釋放出的氣體(濕氣、碳?xì)浠衔锏?量很少。這允許在寬范圍的濃度(覆蓋ppb到％)中以更高的精確度產(chǎn)生更純凈的濕氣。通過(guò)在酸或雜質(zhì)濃度為幾ppb以下的弱酸氣氛中熱處理已進(jìn)行了電解拋光或電解組合物拋光的不銹鋼進(jìn)行鈍化處理。
(6)在日本專(zhuān)利特許公開(kāi)No.Hei5-141871(Ohmi III)中公開(kāi)了一種熱處理裝置，包括至少能夠打開(kāi)和關(guān)閉它的開(kāi)口，通過(guò)它取出和放入要處理的產(chǎn)品，具有提供的氣體進(jìn)入其內(nèi)的供氣口的爐芯管，加熱爐芯管內(nèi)部的加熱裝置，與供氣口連接的供氣管，以及加熱供氣管的加熱裝置，其中至少供氣管的內(nèi)表面由Ni(含Ni的材料)制成。
所述熱氧化裝置提供有氫激活反應(yīng)物產(chǎn)生裝置，以由氫氣或含氫氣體形成氫激活反應(yīng)物，同時(shí)不產(chǎn)生等離子體，該裝置位于放置在爐芯管內(nèi)要處理的產(chǎn)品的位置的上游。氫氣或含氫氣體引入到氫激活反應(yīng)物產(chǎn)生裝置，以產(chǎn)生氫的激活反應(yīng)物。為此目的，如果其上形成有氧化膜的硅襯底例如放置在爐芯管內(nèi)作為要處理的產(chǎn)品，那么氫的激活反應(yīng)物擴(kuò)散到氧化膜內(nèi)，終止了氧化膜中和氧化膜/硅界面的懸空鍵。由此，可以期望得到高可靠性的柵氧化膜。
(7)在Nakamura等人的日本專(zhuān)利特許公開(kāi)No.Hei 5-144804中，闡述了使用鎳催化劑形成的氫激活反應(yīng)物熱處理氧化硅膜的技術(shù)。
(8)在電化學(xué)協(xié)會(huì)的電子材料委員會(huì)發(fā)起的第45屆半導(dǎo)體集成電路技術(shù)的論文集的128到133頁(yè)，報(bào)導(dǎo)了強(qiáng)還原氣氛中的硅氧化工藝，在強(qiáng)還原氣氛中主要包括使用催化劑產(chǎn)生的適用于快閃存儲(chǔ)器的隧道氧化膜的氫基和來(lái)自濕氣的氫。
(9)在Ohmi的日本專(zhuān)利特許公開(kāi)No.Hei 6-120206中，介紹了一種燒結(jié)技術(shù)，使用借助鎳催化劑產(chǎn)生的氫的激活反應(yīng)物，用于絕緣和隔離選擇性外延生長(zhǎng)區(qū)的絕緣膜。
(10)在Kobayashi等人的日本專(zhuān)利特許公開(kāi)No.Sho59-132136中，介紹了一種在濕氣和通常方法產(chǎn)生的氫氣的氧化和還原性混合氣氛中氧化和還原硅以及難熔金屬的工藝。
在大多數(shù)近來(lái)根據(jù)深亞微米設(shè)計(jì)原則制造的MOS器件中，需要形成10nm以下很薄的柵氧化膜，以保持精細(xì)分開(kāi)的元件的電特性。例如，柵長(zhǎng)度為0.35μm時(shí)，柵氧化膜的需要厚度約9nm。如果柵長(zhǎng)度為0.25μm，可以假定氧化膜的厚度變得很薄，約4nm。
一般來(lái)說(shuō)，在干氧氣氛中形成熱氧化膜。形成柵氧化膜時(shí)，通常使用濕氧化工藝(濕氣的局部壓力的比例通常為幾十％)，原因是可以減小膜中缺陷的密度。根據(jù)濕氧化工藝，在氧氣的氣氛中燃燒氫氣的結(jié)果形成濕氣，濕氣和氧氣一起提供到半導(dǎo)體晶片的表面(例如，制造集成電路的晶片或集成電路的晶片)，由此形成氧化膜?？紤]到氫氣的燃燒，氧氣已預(yù)先充分地流過(guò)之后再點(diǎn)燃?xì)錃?，以便避免爆炸的危險(xiǎn)。此外，氫氣+氧氣的混合氣體中作為氧化反應(yīng)物的濕氣的濃度增加到約40％的水平(在氣氛中的總壓力中濕氣占據(jù)的局部壓力)。
然而，應(yīng)指出的是以上的燃燒系統(tǒng)有以下問(wèn)題由于點(diǎn)燃并燃燒氫氣的同時(shí)從固定在氫氣提供管端部的石英噴嘴注入，當(dāng)氫氣的量太小時(shí)，反應(yīng)火焰太靠近噴嘴；最終噴嘴被施加其上的熱熔化，產(chǎn)生顆粒，成為半導(dǎo)體晶片的污染源(相反，如果氫氣的量增加過(guò)量，反應(yīng)火焰到達(dá)燃燒管的端部，所以使石英壁熔化，由此產(chǎn)生顆粒，或者火焰在壁表面冷卻并熄滅，由此存在安全問(wèn)題)。此外，在燃燒系統(tǒng)中，水+作為氧化反應(yīng)物的氧氣的混合氣體中的濕氣濃度很高以至氫氣和OH基被吸入柵氧化膜。由此，如Si-H鍵、Si-OH等的結(jié)構(gòu)缺陷容易在薄膜中或在與硅襯底的界面產(chǎn)生。通過(guò)施加如熱載流于注入等的電壓應(yīng)力可以斷開(kāi)這些鍵，形成電荷陷阱，由此降低了如閾值電壓變化等的膜的電特性。
應(yīng)該指出的是在本發(fā)明人的日本專(zhuān)利特許公開(kāi)No.Hei9-172011和本發(fā)明人和Ohimi等人的國(guó)際專(zhuān)利公開(kāi)No.PCT/JP97/00188(國(guó)際申請(qǐng)日1997年1月27日)中介紹了這些情況的具體內(nèi)容和使用新穎的催化劑的改進(jìn)的水形成裝置的詳細(xì)內(nèi)容。
根據(jù)我們的研究，已知的氧化形成方法很難厚度均勻且高精度地形成高質(zhì)量5nm以下很薄的柵氧化膜(實(shí)際上當(dāng)厚度超過(guò)5nm時(shí)，也期望得到類(lèi)似的效果)。不必說(shuō)，形成較厚的膜在許多方面同樣不令人滿(mǎn)意。
為了形成均勻厚度高精度的很薄氧化膜，需要在低于形成較厚氧化膜的氧化膜生長(zhǎng)速率和更穩(wěn)定的氧化條件下形成膜。例如，在使用以上介紹的這種燃燒系統(tǒng)的氧化膜形成方法中，可以將水+作為氧化反應(yīng)物的氧氣的混合氣體中的濕氣濃度僅控制在從18％到約40％的濃度范圍內(nèi)。在這些條件下，薄氧化膜的氧化膜生長(zhǎng)速率很高，由此可以在很短的時(shí)間內(nèi)形成膜。另一方面，如果氧化在800℃以下的晶片溫度進(jìn)行以降低膜生長(zhǎng)速率，那么膜質(zhì)量降低(當(dāng)然通過(guò)適當(dāng)?shù)乜刂破渌膮?shù)本發(fā)明也適用于800℃以下的溫度范圍)。
為了形成清潔的氧化膜，需要預(yù)先通過(guò)濕清洗除去形成在半導(dǎo)體晶片表面上的低質(zhì)量的氧化膜。然而，在將晶片從濕清洗步驟傳送到氧化步驟期間，薄自然氧化膜不可避免地形成在晶片表面上。此外，在氧化步驟中，通過(guò)在預(yù)定的氧化之前通過(guò)接觸氧化反應(yīng)物中的氧，不希望的初始氧化膜形成在晶片表面上。特別是，使用燃燒系統(tǒng)的氧化膜形成方法，充分流過(guò)氧氣之后燃燒氫氣，以避免氫氣爆炸的危險(xiǎn)，由此晶片表面暴露到氧氣的時(shí)間延長(zhǎng)，由此形成厚初始氧化膜(現(xiàn)已知道在正常的壓力下、560℃以上的溫度、4％以上的氫氣含量和足夠的氧氣含量下發(fā)生氫氣的爆炸性燃燒，即“爆炸”。)由此，實(shí)際的氧化膜的結(jié)構(gòu)包括除了預(yù)定的氧化形成的氧化膜之外，還包括自然氧化膜和初始氧化膜。這些自然氧化膜和初始氧化膜質(zhì)量都比預(yù)定的真正的氧化膜低。因此，為了得到高質(zhì)量的氧化膜，需要將低質(zhì)量膜與整個(gè)氧化膜的比例抑制到盡可能低的水平。然而，當(dāng)根據(jù)已知的氧化膜形成方法形成很薄的氧化膜時(shí)，這些較低質(zhì)量膜的比例顯著增加。
例如，當(dāng)使用公知的氧化膜形成方法形成9nm厚的氧化膜時(shí)，其中氧化膜中的自然氧化膜和初始氧化膜的厚度假定分別為0.7nm和0.8nm，那么真正的氧化膜的厚度為9-(0.7+0.8)＝7.5nm。整個(gè)氧化膜中真正的氧化膜的比例約83.3％。然而，當(dāng)根據(jù)已知的氧化膜形成方法形成4nm厚的氧化膜時(shí)，自然氧化膜和初始氧化膜的厚度沒(méi)有變化仍分別為0.7nm和0.8nm，那么由此真正的氧化膜的厚度為4-(0.7+0.8)＝2.5nm，它的比例降低到62.5％。特別是，如果根據(jù)公知的氧化膜形成方法形成很薄的氧化膜時(shí)，不僅不能確保膜厚度均勻和精度，而且膜的質(zhì)量降低。
為了解決以上問(wèn)題，我們注意了Ohmi等人使用催化劑的濕氣產(chǎn)生法。根據(jù)我們的研究，這些方法在假設(shè)“氫基的壽命很長(zhǎng)”的基礎(chǔ)上強(qiáng)調(diào)了氫基的強(qiáng)還原作用。因此，顯然這些方法不能適用于半導(dǎo)體集成電路的大規(guī)模生產(chǎn)工藝。換句話(huà)說(shuō)，為了適合于半導(dǎo)體工藝，我們發(fā)現(xiàn)需要在以下的假設(shè)的基礎(chǔ)上研究需要的參數(shù)，即“氫基的壽命很短，在催化劑上產(chǎn)生基團(tuán)，并且基團(tuán)化學(xué)結(jié)合或返回到催化劑上或催化劑附近的基態(tài)”。
此外，根據(jù)本發(fā)明人，現(xiàn)已清楚從0到10ppm范圍的濕氣的分壓比例屬于干區(qū)域，其中相對(duì)于下文介紹的精細(xì)工藝中柵氧化膜等需要的膜質(zhì)量，出現(xiàn)所謂的干氧化性質(zhì)比所謂的濕氧化差。
類(lèi)似地，我們發(fā)現(xiàn)濕氣分壓比例從10ppm到1.0×103ppm(即，0.1％)范圍的超低濕氣區(qū)基本上顯示出與干氧化大體上相同的特性。
此外，還發(fā)現(xiàn)從0.1％到10％范圍的低濕氣分壓比例的濕區(qū)域中的熱氧化(特別是，在0.5％到5％范圍內(nèi)的濕氣分壓比例的低溫區(qū)域)特性相對(duì)好于其它區(qū)域中的熱氧化性質(zhì)(包括干區(qū)域，在10％以上的燃燒系統(tǒng)中通常使用的區(qū)域，以及具有使用起泡器等得到的幾十％濕氣濃度的高濕氣區(qū)域)。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種形成均勻厚度和高精度的高質(zhì)量很薄氧化膜的技術(shù)。
為此，本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體集成電路器件的制造方法，包括以下步驟(a)通過(guò)將氧氣和氫氣引入到濕氣合成爐中，利用催化劑由氧氣和氫氣在第一溫度下制備濕氣，其中氧氣和氫氣的成分比用于濕氣合成的化學(xué)劑量成分富含氧；(b)將這樣制備的濕氣輸送到氧化爐的熱處理室中從而在該室內(nèi)的晶片的第一主表面上方形成濕氧化氣氛并保持濕氣為氣體狀態(tài)；以及(c)通過(guò)將該晶片的第一主表面加熱到高于第一溫度的第二溫度，通過(guò)熱氧化在熱處理室中的濕氧化氣氛中該晶片的第一主表面的硅表面上方形成絕緣膜。
從本說(shuō)明書(shū)的介紹和附圖中本發(fā)明的以上和其它的目的以及新穎的特點(diǎn)變得很明顯。


圖1為示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例1半導(dǎo)體集成電路器件的制造方法的主要部分的剖面圖。
圖2為示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例1半導(dǎo)體集成電路器件的制造方法的主要部分的剖面圖。
圖3為示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例1半導(dǎo)體集成電路器件的制造方法的主要部分的剖面圖。
圖4為示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例1半導(dǎo)體集成電路器件的制造方法的主要部分的剖面圖。
圖5為示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例1半導(dǎo)體集成電路器件的制造方法的主要部分的剖面圖。
圖6為示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例1半導(dǎo)體集成電路器件的制造方法的主要部分的剖面圖。
圖7為示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例1半導(dǎo)體集成電路器件的制造方法的主要部分的剖面圖。
圖8為示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例1半導(dǎo)體集成電路器件的制造方法的主要部分的剖面圖。
圖9為形成柵氧化膜使用的單晶片型氧化膜形成裝置的示意圖。
圖10為示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例1半導(dǎo)體集成電路器件的制造方法的主要部分的剖面圖。
圖11(a)示出了氧化膜形成室布局的一個(gè)例子的示意性平面圖，(b)為沿線(xiàn)(a)的B-B’截取的剖面圖。
圖12(a)示出了氧化膜形成室布局的另一個(gè)例子的示意性平面圖，(b)為沿線(xiàn)(a)的B-B’截取的剖面圖。
圖13示出了連接到膜形成室的催化劑類(lèi)型的濕氣發(fā)生器的示意圖。
圖14為圖13的部分示意性放大圖。
圖15示出了柵氧化膜形成順序的一個(gè)例子的示意圖。
圖16示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例1半導(dǎo)體集成電路器件的制造方法的主要部分的剖面圖。
圖17為示出了濕氣濃度與氧化膜生長(zhǎng)速率之間的關(guān)系曲線(xiàn)。
圖18為示出了濕氣濃度與MOS二極管的氧化膜的初始閾值壓力之間的關(guān)系曲線(xiàn)。
圖19為示出了濕氣濃度與MOS二極管的氧化膜的初始擊穿電壓之間的關(guān)系曲線(xiàn)。
圖20為柵氧化膜面內(nèi)晶片中膜厚度分布的示意圖。
圖21為氧化膜中成分細(xì)節(jié)的曲線(xiàn)圖。
圖22示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例1半導(dǎo)體集成電路器件的制造方法的主要部分的剖面圖。
圖23示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例1的半導(dǎo)體集成電路器件的制造方法的主要部分的剖面圖。
圖24示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例1的半導(dǎo)體集成電路器件的制造方法的主要部分的剖面圖。
圖25示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例1的半導(dǎo)體集成電路器件的制造方法的主要部分的剖面圖。
圖26示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例1的半導(dǎo)體集成電路器件的制造方法的主要部分的剖面圖。
圖27示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例2的半導(dǎo)體集成電路器件的制造方法的主要部分的剖面圖。
圖28示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例2的半導(dǎo)體集成電路器件的制造方法的主要部分的剖面圖。
圖29示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例2的半導(dǎo)體集成電路器件的制造方法的主要部分的剖面圖。
圖30示出了氧化膜形成室布局的一個(gè)例子的示意圖。
圖31示出了柵氧化膜形成順序的一個(gè)例子的示意圖。
圖32示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例1的半導(dǎo)體集成電路器件的制造方法的主要部分的剖面圖。
圖33示出了根據(jù)本發(fā)明氧化膜的形成方法的另一個(gè)實(shí)施例的示意圖。
圖34示出了根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的半導(dǎo)體集成電路器件的制造方法的主要部分的剖面圖。
現(xiàn)在根據(jù)附圖詳細(xì)地介紹本發(fā)明的實(shí)施例。在示出本發(fā)明實(shí)施例的附圖中，相同的參考數(shù)字表示具有相同功能的相同部件，對(duì)其不做重復(fù)說(shuō)明。
為了方便起見(jiàn)，分幾個(gè)例子或幾項(xiàng)介紹發(fā)明，但實(shí)際上這些實(shí)施例或項(xiàng)目并不是獨(dú)立的，而是彼此相關(guān)的以構(gòu)成其它實(shí)施例等變例，具體步驟或工藝的細(xì)節(jié)，或在一些步驟中使用的設(shè)備。特別是，如果在一個(gè)實(shí)施例中介紹的獨(dú)立的裝置或處理單元可以適用于其它的實(shí)施例，這些裝置或處理單元在其它的實(shí)施例中沒(méi)有重復(fù)地介紹。相反，獨(dú)立示出的各裝置或處理單元可以適用于其它的實(shí)施例，在其它的實(shí)施例中沒(méi)有重復(fù)地介紹它們。
(半導(dǎo)體工藝A)參考圖1到26(主要是圖1到8、10、16以及22到26)介紹根據(jù)本實(shí)施例的CMOSFET(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)的制造方法。
如圖1所示，熱處理電阻率約10Ωcm的單晶硅制成的半導(dǎo)體襯底1，形成主表面上厚度約10nm的氧化硅膜2(熱氧化工藝A1)，然后在氧化硅膜2上通過(guò)CVD法淀積約100nm厚的氮化硅膜3。此后，如圖2所示，光刻膠4形成在氮化硅膜3上，由此可開(kāi)出元件隔離區(qū)，之后通過(guò)光刻膠4的掩模構(gòu)圖氮化硅膜3。
之后，除去光刻膠4之后，如圖3所示，通過(guò)氮化硅膜3的掩模連續(xù)地腐蝕氧化硅膜2和半導(dǎo)體襯底1，在半導(dǎo)體襯底1中形成約350nm深的槽5a，在900到1150℃的溫度下熱氧化在槽5a的內(nèi)壁上形成氧化硅膜6(熱氧化工藝A2)。
如圖3所示，使用例如臭氧(O3)和四乙氧基硅烷((C2H5O)4Si)作為源氣體根據(jù)CVD法在半導(dǎo)體襯底1上淀積厚度約800nm的氧化硅膜7。此后，如圖5所示，通過(guò)化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)拋光氧化硅膜7，使用氮化硅膜3作為拋光終止膜使氧化硅膜7僅留在槽5a的內(nèi)部，由此形成元件隔離槽5，之后在約1000℃下進(jìn)行熱處理，致密元件隔離槽5內(nèi)的氧化硅膜7。
接下來(lái)，通過(guò)用磷酸的濕腐蝕除去氮化硅膜3，之后，如圖6所示，通過(guò)在p溝道型MOSFET形成區(qū)(圖中的左側(cè))有開(kāi)口的光刻膠8作為掩模，形成n型阱的雜質(zhì)離于注入到半導(dǎo)體襯底1內(nèi)。此外，離子注入控制p溝道型MOSFET閾值電壓的雜質(zhì)。使用例如P(磷)在能量為360KeV和劑量為1.5×1012/cm2的條件下離子注入形成n型阱的雜質(zhì)。
除去光刻膠8之后，如圖7所示，通過(guò)在n溝道型MOSFET形成區(qū)(圖中的右側(cè))有開(kāi)口的光刻膠9作為掩模，形成p型阱的雜質(zhì)離于注入到半導(dǎo)體襯底1內(nèi)。離于注入控制n溝道型MOSFET閾值電壓的雜質(zhì)。使用例如B(硼)作為形成p型阱的雜質(zhì)，在能量為200KeV和劑量為1.0×1013/cm2的條件下離子注入。此外，使用例如氟化硼(BF2)作為控制閾值電壓的雜質(zhì)，在能量為40KeV和劑量為2×1012/cm2的條件下離子注入。
接下來(lái)，除去光刻膠9之后，如圖8所示，在950℃下熱處理半導(dǎo)體襯底1約1分鐘，使n型雜質(zhì)和p型雜質(zhì)擴(kuò)散，由此在p溝道型MOSFET形成區(qū)的半導(dǎo)體襯底1中形成n型阱。同時(shí)，在n溝道型MOSFET形成區(qū)和它的表面附近的n型區(qū)13內(nèi)形成p型阱。
之后，根據(jù)以下的工序(熱氧化工藝A3)柵氧化膜分別形成在n型阱10和p型阱11的表面上。
圖9為形成柵氧化膜使用的單晶片型氧化膜形成裝置的示意圖。如圖所示，氧化膜形成裝置100連接在形成柵氧化膜之前通過(guò)濕清洗系統(tǒng)除去半導(dǎo)體晶片1A表面上的氧化膜的清洗設(shè)備101的下游。當(dāng)在處理系統(tǒng)中進(jìn)行這種清洗氧化時(shí)，以在清洗設(shè)備中進(jìn)行了清洗處理的半導(dǎo)體晶片1A在短時(shí)間內(nèi)被傳送到氧化膜形成裝置100，同時(shí)使半導(dǎo)體晶片1A不接觸空氣。由此，從除去氧化膜到形成柵氧化膜期間，盡可能防止半導(dǎo)體晶片1A的表面上形成自然氧化膜。
裝載在清洗設(shè)備101的裝載器102中的半導(dǎo)體晶片1A首先傳送到清洗室103，在其中用例如NH4OH+H2O2+H2O制成的清洗溶液對(duì)它進(jìn)行清洗處理，之后再傳送到氫氟酸清洗室104，在其中用稀釋的氫氟酸(HF+H2O)對(duì)晶片進(jìn)行清洗處理，從它的表面除去氧化硅膜(圖10)。此后，半導(dǎo)體晶片1A傳送到干燥室105，并從它的表面除去濕氣。要將留在半導(dǎo)體晶片1A表面上的濕氣除去到滿(mǎn)意的程度，因?yàn)闈駳鈺?huì)在柵氧化膜和柵氧化膜/硅之間的界面產(chǎn)生如Si-H和Si-OH等的結(jié)構(gòu)缺陷。
干燥處理完成之后得到的半導(dǎo)體晶片1A馬上穿過(guò)緩沖區(qū)106傳送到氧化膜形成裝置。
氧化膜形成裝置100由多室系統(tǒng)組成，包括例如氧化膜形成單元107、氧化氮化膜形成室108、清洗臺(tái)109、裝載器/卸載器110等。位于裝置中心的傳輸系統(tǒng)112提供有在以上各室之間傳送的機(jī)械手113。傳輸系統(tǒng)112的內(nèi)部保持在如氨氣的惰性氣體的氣氛中，以將在半導(dǎo)體的表面上通過(guò)引入空氣形成的自然氧化膜抑制到盡可能地低的水平。因?yàn)榘雽?dǎo)體晶片1A表面上濕氣的淀積被抑制的盡可能的低，所以傳送系統(tǒng)112內(nèi)部也保持在ppb的超低水平的濕氣氣氛中。通過(guò)機(jī)械手113，傳送到氧化膜形成裝置100的半導(dǎo)體晶片1A被一個(gè)接一個(gè)地或兩個(gè)兩個(gè)地傳送到氧化膜形成單元107。
圖11(a)為具體設(shè)置的氧化膜形成單元107的一個(gè)例予的示意性平面圖，圖11(b)為沿圖11(a)的線(xiàn)B-B′截取的剖面圖。
所述氧化膜形成單元107提供有多個(gè)壁的石英管構(gòu)成的室120，和在它的上和下部加熱半導(dǎo)體晶片1A的加熱器121a，121b。室120中容納有盤(pán)形均熱環(huán)122，用于將加熱器121a，121b提供的熱均勻地分散在半導(dǎo)體晶片1A的整個(gè)表面上，和基座123，將半導(dǎo)體晶片1A水平地保持在它的上部。均熱環(huán)122由如石英、SiC(碳化硅)等的耐熱材料制成，借助從室120的壁表面延伸出的支撐臂支撐。測(cè)量由基座123保持的半導(dǎo)體晶片1A溫度的熱電偶125設(shè)置在均熱環(huán)122的附近。除了包括加熱器121a，121b的加熱系統(tǒng)之外，也可以使用包括例如圖12所示的燈130的加熱系統(tǒng)加熱半導(dǎo)體晶片1A。
將水、氧氣和凈化的氣體引入到室120內(nèi)的氣體引入管126的一端與室120的部分壁表面相連。氣體引入管126的另一端與上文介紹的催化劑型濕氣生成器相連。具有多個(gè)通孔127的隔斷墻128提供在氣體引入管126的附近。引入到室120內(nèi)的氣體借助隔斷墻128的通孔127均勻地貫穿整個(gè)室120。室120的壁表面的其它部分與排氣管129的一端相連，將引入到室120內(nèi)的氣體排出。
圖13和14分別為連接到室120的催化劑型濕氣生成器的示意圖。濕氣生成器140提供有由耐熱和腐蝕的合金(即，例如稱(chēng)為“耐蝕耐高溫鎳基合金”的鎳合金)制成的反應(yīng)器141，其中由如Pt(鉑)、Ni(鎳)等的催化材料制成的線(xiàn)圈142，并容納有加熱線(xiàn)圈142的加熱器143。
包括氫氣和氧氣和包括如氮?dú)?、Ar(氬氣)等惰性氣體的清洗氣體的工藝氣體通過(guò)管道145由氣體儲(chǔ)氣室144a、144b和144c引入到反應(yīng)器內(nèi)。在管道145上提供有控制氣體量的質(zhì)量流量控制器146a、146b和146c以及分別導(dǎo)通和關(guān)斷氣體流路徑的導(dǎo)通截止閥147a、147b和147c。由此，可以精確地控制引入進(jìn)行反應(yīng)的氣體的量和各成分的比例。
引入到反應(yīng)室141內(nèi)的工藝氣體(氫氣和氧氣)與加熱到約350到450℃的線(xiàn)圈142接觸，由此由氫分予產(chǎn)生氫基()，由氧分子產(chǎn)生氧基()。由于這兩種基團(tuán)化學(xué)性質(zhì)很活躍，因此發(fā)生快速反應(yīng)產(chǎn)生水()。所述水與氧氣在連接部分148處混合，由此稀釋到很低的濃度，之后通過(guò)氣體引入管126注入到氧化膜形成室的室120內(nèi)。
所述催化劑型濕氣生成器140能夠高精確度地控制形成水時(shí)參與的氫氣和氧氣的量，由此可以在從ppt以下數(shù)量級(jí)的超低濃度到約百分之幾十的高濃度的寬范圍內(nèi)準(zhǔn)確地控制和氧氣一起引入到氧化膜形成單元107的室120內(nèi)的水的濃度。當(dāng)工藝氣體引入到反應(yīng)器141內(nèi)，于是立即產(chǎn)生水，實(shí)時(shí)得到需要的濕氣濃度。因此，氫氣和氧氣可以同時(shí)引入到反應(yīng)器141內(nèi)，不需要象使用燃燒系統(tǒng)的常規(guī)濕氣產(chǎn)生系統(tǒng)一樣，在氫氣之前引入氧氣。應(yīng)該指出可以用除了以上提到的那些金屬以外的任何材料代替反應(yīng)器141內(nèi)的催化金屬，只要它們能夠激活(radicalize)氫氣和氧氣。除了使用處理為線(xiàn)圈形式的催化金屬之外，還可以處理為例如空心管或細(xì)纖維濾網(wǎng)，工藝氣體穿過(guò)其中。
現(xiàn)在參考圖15介紹使用氧化膜形成裝置100順序形成柵氧化膜的一個(gè)例子。
首先，打開(kāi)氧化膜形成單元107的室120，之后引入清洗氣體的同時(shí)將半導(dǎo)體晶片1A裝載到基座123上。將半導(dǎo)體晶片1A傳送到室120直到它裝載到基座123上需要的時(shí)間為55秒。此后，關(guān)閉室，之后進(jìn)一步引入清洗氣體30分鐘，以滿(mǎn)意地更換室120內(nèi)的氣體。預(yù)先借助加熱器121a、121b加熱基座123，由此快速地加熱半導(dǎo)體晶片。半導(dǎo)體晶片1A的加熱溫度范圍從800到900℃，例如可以為850℃。如果晶片溫度為800℃以下，那么所得的柵氧化膜的溫度下降。另一方面，如果溫度為900℃以上，那么晶片表面易于變粗糙。
接下來(lái)，氧氣和氫氣引入到濕氣生成器140的反應(yīng)器141內(nèi)15秒鐘，得到的水和氧氣一起引入到室120內(nèi)，氧化半導(dǎo)體晶片1A的表面5分鐘，由此形成例如4nm厚的柵氧化膜14(圖16)。
當(dāng)氧氣和氫氣引入到反應(yīng)器141內(nèi)時(shí)，注意氫氣不在氧氣之前引入。如果在氧氣之前引入氫氣，那么存在未反應(yīng)的氫氣流入很熱的室120內(nèi)的危險(xiǎn)。另一方面，當(dāng)在氫氣之前引入氧氣時(shí)，所述氧氣流入室120內(nèi)，低質(zhì)量的氧化膜可能形成在待處理的半導(dǎo)體晶片1A的表面上。因此，氫氣和氧氣應(yīng)該同時(shí)引入。此外，考慮操作的安全性，氫氣應(yīng)稍晚于氧氣引入(在0到5秒的范圍內(nèi))。這樣做，可以使不希望形成在半導(dǎo)體晶片1A的表面上的初始氧化膜最小。
圖17示出了濕氣濃度與氧化膜生長(zhǎng)速率的關(guān)系曲線(xiàn)圖，其中橫坐標(biāo)表示氧化時(shí)間，縱坐標(biāo)表示氧化膜厚度。如圖所示，當(dāng)濕氣濃度為0(干氧化)時(shí)，氧化膜生長(zhǎng)速率最慢，并隨著濕氣濃度的增加而增加。因此，為了高精度均勻地形成厚度約5nm以下很薄的柵氧化膜，在濕氣濃度很低以降低氧化膜生長(zhǎng)速率的穩(wěn)定氧化條件下可以有效地形成膜。
圖18示出了濕氣濃度與MOS二極管的氧化膜的初始擊穿電壓的關(guān)系曲線(xiàn)圖，MOS二極管由半導(dǎo)體襯底、柵氧化膜和柵電極構(gòu)成。在曲線(xiàn)圖中，橫坐標(biāo)表示施加到MOS二極管一個(gè)電極(柵電極)的電壓，縱坐標(biāo)表示柵氧化膜中缺陷的密度。為了強(qiáng)調(diào)濕氣濃度的影響，使用了所述MOS二極管，其中在以下使用垂直擴(kuò)散爐產(chǎn)生的不同的條件下形成厚度為9nm面積為0.19cm2的柵氧化膜(1)氧化溫度＝850℃，濕氣濃度＝0，(2)氧化溫度850℃，濕氣濃度＝0.8％，以及(3)氧化溫度＝800℃，濕氣濃度＝40％。如圖所示，在濕氣濃度＝0.8％的低濕氣條件下形成的柵氧化膜的初始擊穿電壓好于濕氣濃度＝0(干氧化)形成的柵氧化膜，和濕氣濃度＝40％的高濕氣條件下形成的柵氧化膜。
圖19示出了當(dāng)恒定的電流流過(guò)每個(gè)MOS二極管的電極之間時(shí)濕氣濃度與電壓變化的關(guān)系曲線(xiàn)圖。如圖所示，使用濕氣濃度＝0(干氧化)形成的柵氧化膜的MOS二極管由于氧化膜中的高缺陷密度，電壓變化較大。
圖20示出了使用氧化膜形成裝置100形成的柵氧化膜的晶片平面中膜厚度的分布。為此目的，晶片溫度設(shè)置在850℃，在濕氣濃度＝0.8％的條件下進(jìn)行2分30秒的氧化。如圖所示，膜厚度最大值＝2.881nm，最小值＝2.814nm。由此，得到良好的平面均勻性，其中膜厚度的變化在±1.8％的范圍內(nèi)。
如前所述，引入到氧化膜形成單元107的室內(nèi)水的優(yōu)選濃度(水/水+氧氣)在濃度足以提供好于通過(guò)干氧化(濕氣濃度0)形成得到的初始擊穿電壓確定的下限，到采用常規(guī)的燃燒系統(tǒng)得到的約40％的上限范圍內(nèi)。具體地，為了形成厚度約5nm以下均勻厚度和高精度高質(zhì)量的很薄的柵氧化物，可以推斷出水的優(yōu)選濃度在0.5到5％的范圍內(nèi)。
圖21示出了通過(guò)熱氧化得到的柵氧化膜中的具體成分。圖中右手側(cè)的圖表為根據(jù)本實(shí)施例的方法形成的4nm厚的柵氧化膜，中間的圖表為根據(jù)常規(guī)方法使用燃燒系統(tǒng)形成的4nm厚的柵氧化膜，左手側(cè)的圖表為通過(guò)以上提到的常規(guī)方法形成的9nm厚的柵氧化膜。
如圖所示，本發(fā)明的實(shí)施例在整個(gè)處理系統(tǒng)中使用了清洗氧化，其中盡可能地避免了從初始清洗到形成氧化膜期間與氣氛中氧氣的接觸。因此，在形成氧化膜之前形成能在氧化膜形成裝置內(nèi)控制的自然氧化膜的厚度可以從常規(guī)方法形成的0.7nm(總的膜厚度的17.5％)減少到0.3nm(總的膜厚度的7.5％)。此外，當(dāng)采用使用催化劑的水產(chǎn)生系統(tǒng)并且用于氧化的物質(zhì)立即引入到氧化膜形成裝置內(nèi)時(shí)，在期望的固有氧化膜形成之前，因與反應(yīng)物中的氧接觸而不希望地形成的初始氧化膜的厚度可以從常規(guī)方法得到的0.8nm(總的膜厚度的20％)減少到0.3nm(總的膜厚度的7.5％)。最后，可以形成高質(zhì)量很薄的柵氧化膜，其中需要的固有的可控氧化膜的厚度占總厚度的85％。如前所述，在優(yōu)化氧化反應(yīng)物中濕氣濃度并降低氧化膜生長(zhǎng)速率的穩(wěn)定的氧化條件下形成膜，由此可以形成高質(zhì)量厚度均勻和高精度的很薄的氧化膜。
接下來(lái)，簡(jiǎn)要地說(shuō)明形成柵氧化膜之后的CMOS工藝。
如圖14所示，形成柵氧化膜14之后，清洗氣體引入到氧化膜形成單元107的室120內(nèi)2分20秒，由此留在室120內(nèi)的氧化反應(yīng)物被排出。隨后，在55秒內(nèi)將半導(dǎo)體晶片1A從基座123上卸下并從室120內(nèi)傳送出。
此后，半導(dǎo)體晶片1A傳送到圖9所示的氧化和氮化膜形成室108，其中在NO(氧化氮)或N2O(氧化亞氮)的氣氛中熱處理半導(dǎo)體晶片1A，由此使氮在柵氧化膜14和半導(dǎo)體襯底1之間的界面分離。
當(dāng)柵氧化膜14很薄約5nm時(shí)，可以看到由于與半導(dǎo)體襯底1的熱膨脹系數(shù)不同在界面處產(chǎn)生的變形，由此誘發(fā)熱載流子。半導(dǎo)體襯底1的界面處分離的氮起了釋放張力的作用，由此氧化和氮化處理可以提高很薄的柵氧化膜14的可靠性。應(yīng)該指出當(dāng)N2O用于氧化和氮化處理時(shí)，用分解N2O產(chǎn)生的氧氣進(jìn)行氧化，所以柵氧化膜14變得很薄，約1nm。此時(shí)，在氧化膜形成單元107內(nèi)形成3nm厚的柵氧化膜之后，進(jìn)行氧化和氮化處理，使柵氧化膜的厚度固定在4nm。另一方面，當(dāng)使用NO時(shí)，通過(guò)氧化和氮化處理增加?xùn)叛趸ず穸鹊目赡苄院苄　?br> 接下來(lái)，完成氧化和氮化處理的半導(dǎo)體晶片在清洗臺(tái)109冷卻到室溫，并通過(guò)裝載器/卸載器110傳送到氧化膜形成裝置100的外部，之后進(jìn)一步傳送到CVD設(shè)備(未示出)，淀積柵電極的導(dǎo)電膜。此時(shí)，CVD設(shè)備連接在氧化膜形成裝置100的下游，通過(guò)徹底的處理進(jìn)行包括從形成柵氧化膜到淀積柵電極的導(dǎo)電膜的工藝，由此有效地防止柵氧化膜14被污染。
之后，如圖22所示，具有0.25μm柵長(zhǎng)度的柵電極15形成在柵氧化膜14的頂部。通過(guò)在半導(dǎo)體襯底1上連續(xù)地淀積150nm厚的n型多晶硅膜和150nm厚的未摻雜多晶硅膜，之后通過(guò)光刻膠掩模干腐蝕構(gòu)圖這些膜形成柵電極15。
然后，如圖23所示，如B(硼)的p型雜質(zhì)從垂直或傾斜的方向離予注入到p溝道型MOSFET形成區(qū)內(nèi)， 由此在柵電極14的相對(duì)側(cè)的n型阱內(nèi)形成p-型半導(dǎo)體區(qū)16和p型半導(dǎo)體區(qū)17。類(lèi)似地，如P(磷)的n型雜質(zhì)從垂直或傾斜的方向離子注入到n溝道型MOSFET形成區(qū)內(nèi)，由此在柵電極14的相對(duì)側(cè)的p型阱內(nèi)形成n-型半導(dǎo)體區(qū)18和n型半導(dǎo)體區(qū)19。
接下來(lái)，如圖24所示，對(duì)通過(guò)CVD法淀積在半導(dǎo)體襯底1上的氧化硅膜進(jìn)行各向異性腐蝕在柵電極14的側(cè)壁上形成厚度約0.15nm的側(cè)壁間隔層20。此時(shí)，除去形成在p型半導(dǎo)體區(qū)17上部的柵氧化膜14和形成在n型半導(dǎo)體區(qū)19上部的柵氧化膜14。隨后，如B(硼)的p型雜質(zhì)離于注入到p溝道型MOSFET形成區(qū)內(nèi)，在柵電極14的相對(duì)側(cè)的n型阱內(nèi)形成p+型半導(dǎo)體區(qū)21。類(lèi)似地，如P(磷)的n型雜質(zhì)離子注入到n溝道型MOSFET形成區(qū)內(nèi)，在柵電極14的相對(duì)側(cè)的p型阱內(nèi)形成n+型半導(dǎo)體區(qū)22。
然后，如圖25所示，TiSi2(硅化鈦)層23分別形成在p溝道型MOSFET的柵電極14、p+型半導(dǎo)體區(qū)21(源區(qū)和漏區(qū))、n溝道型MOSFET的柵電極14、以及n+型半導(dǎo)體區(qū)22(源區(qū)和漏區(qū))的表面上。通過(guò)濺射在半導(dǎo)體襯底1上淀積Ti膜，熱處理Ti膜與半導(dǎo)體襯底1和柵電極14反應(yīng)，之后通過(guò)腐蝕除去未反應(yīng)的Ti膜形成TiSi2層23。根據(jù)這些步驟，完成了p溝道型MOSFET(Qp)和n溝道型MOSFET(Qn)。
如圖26所示，在根據(jù)等離子體CVD法淀積在半導(dǎo)體襯底1上的氧化硅膜中形成連接孔25到28，構(gòu)圖通過(guò)濺射淀積在氧化硅上的A1合金膜提供互連29到31，由此基本上完成了本實(shí)施例的CMOS工藝。
(半導(dǎo)體工藝B)參考圖27到32說(shuō)明根據(jù)本實(shí)施例(LOCOS隔離工藝)的MOSFET的制造方法。在本工藝中，使用公知的隔離代替淺溝槽隔離(STI)。此時(shí)，雖然在精度上存在限制，但仍方便地使用至今已知的工藝。無(wú)論是半導(dǎo)體工藝的STI或SGI(淺槽隔離)或是本實(shí)施例的LOCOS隔離，MOSFET主要是由與其它的晶體管的源或漏公用的隔離區(qū)環(huán)繞。
如圖27所示，熱處理半導(dǎo)體襯底在它的主表面上形成厚度約10nm的薄氧化硅膜2(熱氧化工藝B1)，之后通過(guò)CVD法在氧化硅膜2上淀積約100nm厚的氮化硅膜3。接下來(lái)，如圖28所示，具有元件隔離區(qū)開(kāi)口的光刻膠4形成在氮化硅膜3上，之后通過(guò)光刻膠4的掩模構(gòu)圖氮化硅膜3。
除去光刻膠4之后，如圖29所示，熱處理半導(dǎo)體襯底1，在元件隔離區(qū)上形成場(chǎng)氧化膜(熱氧化工藝B2)。
用熱磷酸通過(guò)濕腐蝕除去氮化硅膜3，濕清洗半導(dǎo)體襯底1的主表面，之后以實(shí)施例1中的相同方式在半導(dǎo)體襯底1有源區(qū)的表面上形成厚度5nm以下很薄的柵氧化膜14(熱氧化工藝B3)(圖22)。
可以通過(guò)將以前介紹的催化劑型濕氣生成器安裝到分批式垂直氧化膜形成設(shè)備150(氧化設(shè)備3；垂直分批氧化爐)形成厚度為5nm以下很薄的柵氧化膜14。使用這種垂直氧化膜形成設(shè)備150形成柵氧化膜的順序顯示在圖31中。這種情況的順序基本上類(lèi)似于圖15的順序，但相對(duì)于晶片的裝載或卸載，時(shí)間稍有不同。如前所述，這種情況通常為熱壁型，其中重要的是添加到清洗氣體中的氧氣量要少，基本上不足以引起任何氧化。
此后，以實(shí)施例1中的相同方式MOSFET形成在半導(dǎo)體襯底1的主表面上。
(與氧化工藝等有關(guān)的共同的情況)介紹同樣適用于本發(fā)明中公開(kāi)的各半導(dǎo)體工序的處理裝置和工藝中的具體內(nèi)容。
如前所述，圖9為形成柵氧化膜使用的單晶片型氧化膜形成裝置(多室系統(tǒng))的示意圖。如圖所示，氧化膜形成裝置100連接在清洗設(shè)備101的下游，其中對(duì)半導(dǎo)體晶片1A進(jìn)行濕清洗系統(tǒng)(雖然也可以使用干系統(tǒng))，在形成柵氧化膜之前從它的表面上除去氧化膜(通常稱(chēng)做表面膜)。當(dāng)通過(guò)處理系統(tǒng)進(jìn)行這種清洗氧化時(shí)，已在清洗設(shè)備101內(nèi)進(jìn)行了清洗的半導(dǎo)體晶片1A在短時(shí)間內(nèi)被傳送到氧化膜形成裝置，同時(shí)不接觸空氣(通常包括不希望的氧化氣氛或使表面態(tài)變壞的其它氣氛)。因此，可以將除去氧化膜到形成柵氧化膜期間在半導(dǎo)體晶片1A的表面上形成的自然氧化膜抑制到最小。
完成干處理之后得到的半導(dǎo)體晶片1A立即穿過(guò)緩沖區(qū)106傳送到氧化膜形成裝置100。所述氧化膜形成裝置100由多室系統(tǒng)組成，例如有氧化膜形成室107、氧化和氮化膜形成室108、清洗臺(tái)109、裝載器/卸載器110等。位于裝置中心的傳送系統(tǒng)112有機(jī)械手，將半導(dǎo)體晶片1A在以上處理室間傳送。傳送系統(tǒng)112可以保持在如氮?dú)獾鹊亩栊詺怏w的氣氛中(雖然也可以保持在真空、具有惰性氣體等的正壓力下，起防止不希望的氣體從外部或其它的處理室引入的作用)，以便減少通過(guò)引入氧氣在半導(dǎo)體晶片1A的表面上形成自然氧化膜。此外，為了減少半導(dǎo)體晶片1A的表面上濕氣的沉積，傳送系統(tǒng)保持在ppb水平的超低含水量的氣氛中(通常含在良好安裝的排氣后真空系統(tǒng)中的濕氣為幾ppm以下)。傳送到氧化膜形成裝置的半導(dǎo)體晶片通過(guò)機(jī)械手113以單個(gè)晶片單元或兩晶片單元傳送到氧化膜形成單元107(通常術(shù)語(yǔ)“單個(gè)晶片”是指一個(gè)晶片或兩晶片單元，其中單晶片單元或兩晶片單元是特指的，它們分別稱(chēng)做單個(gè)晶片或兩個(gè)晶片)。
如上所述，圖11(a)為具體設(shè)置的氧化膜形成單元107(即，圖9的單晶片裝置)的一個(gè)例子的示意性平面圖，而圖11(b)為沿圖11(a)的線(xiàn)B-B′截取的剖面圖(氧化裝置1；熱壁型單晶片氧化爐)。
氧化膜形成單元107提供有多個(gè)壁的石英管構(gòu)成的室120，和分別在它的上和下部加熱半導(dǎo)體晶片1A的加熱器121a，121b。室120中容納有盤(pán)形均熱環(huán)122，用于將加熱器121a，121b提供的熱均勻地分散在半導(dǎo)體晶片1A的整個(gè)表面上，以及設(shè)置于其上的基座123，保持半導(dǎo)體晶片1A基本上水平(當(dāng)相對(duì)于重力吸引力晶片表面基本上水平地排列時(shí)，可以排除對(duì)混合的濃度分布的影響，這對(duì)形成如300φ的大尺寸晶片特別重要。)。均熱環(huán)122由如石英或SiC(碳化硅)等的耐熱材料制成，由從室120的壁表面延伸出的支撐臂124支撐。在均熱環(huán)122的附近，設(shè)置有測(cè)量由基座123保持的半導(dǎo)體晶片1A溫度的熱電偶125。除了包括加熱器121a，121b的加熱系統(tǒng)之外，也可以使用包括例如圖12所示的燈130的加熱系統(tǒng)(氧化裝置2；燈加熱型單晶片氧化爐)加熱半導(dǎo)體晶片1A。此時(shí)，晶片放置到位后開(kāi)始燈加熱，通過(guò)關(guān)閉燈快速地降低晶片表面的溫度。最后，例如為熱壁系統(tǒng)時(shí)，在插入或撤出時(shí)形成的初始氧化膜可以減小到可以忽略的程度。應(yīng)該指出使用燈添加濕氣時(shí)，不僅可以有效地預(yù)熱濕氣支撐部分，而且可以將氧化爐提高到約140℃的水平，以防止?jié)駳饽Y(jié)。
室120的部分壁表面連接到將水、氧氣和清洗氣體引入到室120內(nèi)的氣體引入管126的一端。氣體引入管126的另一端與催化劑型濕氣生成器相連。在氣體引入管126的附近，設(shè)置有具有多個(gè)通孔127的隔斷墻128，引入到室120內(nèi)的氣體穿過(guò)隔斷墻128的通孔127均勻地貫穿整個(gè)室。室120的壁表面的其它部分連接到排氣管129的一端，排出引入到室120內(nèi)的氣體。
如前所述，圖13和14分別為連接到室120的催化劑型濕氣生成器的示意圖。濕氣生成器140提供有由耐熱和腐蝕的合金(例如化學(xué)名稱(chēng)為“耐蝕耐高溫鎳基合金”的鎳合金)制成的反應(yīng)器141，其中容納有如Pt(鉑)、Ni(鎳)等的催化金屬制成的線(xiàn)圈142，和加熱線(xiàn)圈142的加熱器143。
包括氫氣和氧氣和如氮?dú)?、Ar(氬氣)等惰性氣體制成的清洗氣體的工藝氣體通過(guò)管道145從氣體儲(chǔ)氣室144a、144b和144c引入到反應(yīng)器141內(nèi)。在管道145上提供有控制氣體量的質(zhì)量流量控制器146a、146b和146c以及分別導(dǎo)通和關(guān)斷氣體流路徑的導(dǎo)通截止閥147a、147b和147c。由此，通過(guò)這些裝置可以精確地控制引入到反應(yīng)器141內(nèi)的氣體的量和各成分的比例。
引入到反應(yīng)室141內(nèi)的工藝氣體(氫氣和氧氣)與加熱到約350到450℃的線(xiàn)圈142接觸(例如，在正常壓力下存在足夠量的氧氣時(shí)，在4％以上的氫氣濃度發(fā)生氫氣的爆炸性燃燒，所以要考慮大規(guī)模制造裝置的安全性，相信希望富含氧的氧氣和氫氣的混合氣體引入到反應(yīng)器內(nèi)，以便不允許氫氣留在其中)并激活。因此，由氫分子產(chǎn)生氫基()，由氧分于產(chǎn)生氧基()。由于這兩種基團(tuán)化學(xué)性質(zhì)很活躍，因此發(fā)生快速反應(yīng)產(chǎn)生水()。水與氧氣在連接部分148處混合將所述水稀釋到低濃度，之后通過(guò)氣體引入管123注入到氧化膜形成單元的室120內(nèi)。此時(shí)，可以用氬氣代替氧氣。特別是，提供到氧化爐的氣氛由1％的濕氣和99％的氬氣組成。
以上介紹的所述催化劑型濕氣生成器140能夠高精確度地控制形成水時(shí)參與的氫氣和氧氣的量，由此可以在從ppt以下數(shù)量級(jí)的超低濃度到約百分之幾十的高濃度的寬范圍內(nèi)準(zhǔn)確地控制和氧氣一起引入到氧化膜形成單元107的室內(nèi)水的濃度。將工藝氣體引入到反應(yīng)器141內(nèi)的同時(shí)，產(chǎn)生水，由此可以實(shí)時(shí)得到需要的濕氣濃度。因此，可以將氫氣和氧氣同時(shí)引入到反應(yīng)器141內(nèi)(通常，為安全起見(jiàn)，稍早引入氧氣)，由此不需要象使用燃燒系統(tǒng)的已知水生產(chǎn)系統(tǒng)一樣，在氫氣之前引入氧氣。應(yīng)該指出反應(yīng)器內(nèi)的催化金屬可以為除了金屬以外的任何材料，并能夠?qū)錃夂脱鯕廪D(zhuǎn)變?yōu)榍懊嫠龅膶?duì)應(yīng)的基團(tuán)。此外，催化金屬可以處理為線(xiàn)圈形式。此外金屬還可以處理為例如空心管或細(xì)纖維濾網(wǎng)，工藝氣體穿過(guò)其中。
在圖14中，濕氣生成器140、氫氣傳感器、過(guò)濾器、稀釋單元、清洗氣體或稀釋氣體的提供單元、氧化爐的連接部分等可以溫度控制或加熱到約140℃，由此防止?jié)駳饽Y(jié)。提供氫氣傳感器檢測(cè)留下未反應(yīng)的氫氣。過(guò)濾器為氣體過(guò)濾器，插入作為隔板，當(dāng)氫氣在氧化爐一側(cè)燃燒時(shí)，通過(guò)該隔板燃燒不會(huì)達(dá)到制備爐。雖然清洗氣體、稀釋氣體和濕氣預(yù)先加熱到不足以使?jié)駳饽Y(jié)的溫度(通常為100到200℃的溫度)(預(yù)熱之后三種稀釋的氣體與產(chǎn)生的濕氣混合)，應(yīng)該考慮爐或燈加熱爐中要處理的晶片的預(yù)熱。此時(shí)，氧化爐中的晶片可以用清洗氣體預(yù)熱。尤其在用燈加熱爐時(shí)，應(yīng)該注意預(yù)熱機(jī)構(gòu)防止晶片引入部分中的冷凝。在任何一種情況中，可以較有效地將加熱或溫度控制到約140℃的水平。通常在給定的流速下給定壓力的氣體提供到氧化單元，消耗的成分由新鮮的常壓氣體補(bǔ)充的不變的條件下進(jìn)行氧化工藝。
現(xiàn)在參考圖15介紹使用氧化膜形成裝置100(圖9)順序形成柵氧化膜的一個(gè)例子。
打開(kāi)氧化膜形成單元107的室120(圖11)。同時(shí)將清洗氣體(氮?dú)?送入其中(其中少量的氧氣等可以添加到清洗氣體中，以防止例如通過(guò)熱腐蝕晶片表面變粗糙，如圖15所示)，將半導(dǎo)體晶片1A裝載到基座123上。將半導(dǎo)體晶片1A傳送到室120直到裝載到基座123上的時(shí)間為55秒。此后，關(guān)閉室120，之后將清洗氣體進(jìn)一步引入到室120內(nèi)，以滿(mǎn)意地更換氣體。預(yù)先借助加熱器121a、121b加熱基座123，由此快速地加熱半導(dǎo)體晶片。半導(dǎo)體晶片1A的加熱溫度范圍從800到900℃，例如為850℃。如果晶片溫度為800℃下，那么所得的柵氧化膜的質(zhì)量下降。另一方面，如果溫度為900℃以上，那么晶片表面易于變粗糙。
當(dāng)氧氣和氫氣引入到反應(yīng)器141內(nèi)時(shí)，氫氣不在氧氣之前引入其內(nèi)。如果在氧氣之前引入氫氣，那么存在未反應(yīng)的氫氣流入很熱的室120內(nèi)的危險(xiǎn)。另一方面，當(dāng)在氫氣之前引入氧氣時(shí)，所述氧氣流入室120內(nèi)，在待處理的半導(dǎo)體晶片1A的表面上形成低質(zhì)量的氧化膜(初始氧化膜)。因此，氫氣應(yīng)與氧氣同時(shí)引入，或考慮操作的安全性，氫氣應(yīng)稍晚于氧氣引入(0到5分鐘內(nèi))。這樣做，在半導(dǎo)體晶片1A的表面上形成不希望的初始氧化膜的厚度可以減到最小。
可以通過(guò)圖33所示的燃燒型濕氣生成器160(氧化設(shè)備4；氧氣和氫氣燃燒型或氫氣燃燒型的氧化爐)安裝到單晶片或分批型氧化膜形成裝置(氧化爐1到3)形成厚度為5nm以下的很薄柵氧化膜(在一定程度上對(duì)較大厚度的柵或其它的氧化膜也同樣有效)。
在以上情況中，含較高水濃度的氧化反應(yīng)物在濕氣生成器1 60內(nèi)產(chǎn)生，隨后添加氧氣得到具有低濕氣濃度的氧化反應(yīng)物。為此，設(shè)置閥預(yù)先使閥(V通風(fēng))打開(kāi)，閥(V處理)關(guān)閉，由此任何氧化反應(yīng)物沒(méi)有被送到氧化膜形成裝置，直到濕氣濃度降低到預(yù)定的水平。當(dāng)濕氣濃度降低到滿(mǎn)意的程度時(shí)，切換閥由此關(guān)閉閥(V通風(fēng))打開(kāi)閥(V處理)，使氧化反應(yīng)物送到氧化膜形成裝置。
雖然以上系統(tǒng)對(duì)于催化系統(tǒng)的不足在于提供了灰塵產(chǎn)生源，例如氧化膜形成裝置之前的閥，并且通過(guò)提供了閥產(chǎn)生了死區(qū)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)氧化反應(yīng)物的低濕氣濃度，并抑制了初始氧化膜的形成。
(半導(dǎo)體工藝C)本發(fā)明的氧化膜形成方法適用于形成5nm以下的小厚度的具有浮柵44和控制柵42或第二柵氧化膜44(熱氧化工藝C2)的快閃存儲(chǔ)器的隧道氧化膜43(熱氧化工藝C1)的情況，如圖34所示。
(半導(dǎo)體工藝D)本發(fā)明的氧化膜形成方法也適用于具有不同厚度的兩個(gè)或多個(gè)柵氧化膜形成在同一半導(dǎo)體芯片上的情況，例如存儲(chǔ)LSI和邏輯LSI安裝在同一半導(dǎo)體芯片的LSI。此時(shí)，當(dāng)然根據(jù)本發(fā)明的方法可以形成厚度為5nm以下的薄柵氧化膜(半導(dǎo)體工藝D1)和厚度為5nm以上的較厚氧化膜(半導(dǎo)體工藝D2)。此外，也可以根據(jù)本發(fā)明的方法形成薄柵氧化膜和根據(jù)常規(guī)的方法形成厚柵氧化膜。
(本申請(qǐng)中介紹的幾個(gè)氧化方法的應(yīng)用)催化濕氣產(chǎn)生熱氧化法、低濕氣氧化法(包括部分氫氣燃燒型)和本申請(qǐng)中介紹的常規(guī)氫氣燃燒型的高含水量氧化法的應(yīng)用總結(jié)如下。
當(dāng)使用催化濕氣產(chǎn)生熱氧化法和低濕氣氧化法時(shí)，氧化工藝A3、B3、C1、C2、D1等(第一級(jí))為最有效的工藝。
雖然也可以適用于常規(guī)的氫氣燃燒型高含水量的氧化，但適用于催化濕氣產(chǎn)生熱氧化法和低濕氣氧化法的有效工藝包括A1、A2、B1、B2、D2等(第二級(jí))。
具體地，在具有氫氣燃燒型氧化爐和催化劑型氧化爐的生產(chǎn)線(xiàn)中，根據(jù)氧化膜的性質(zhì)和厚度同時(shí)使用這兩種方法具有實(shí)用價(jià)值。
(在本申請(qǐng)中介紹的各種氧化裝置的應(yīng)用)在本申請(qǐng)中介紹的幾種氧化裝置的應(yīng)用總結(jié)如下。在本申請(qǐng)中介紹的氧化裝置1到4適用于以上提到的第一和第二級(jí)的氧化步驟。然而，當(dāng)通過(guò)例如多室需要精確地控制氣氛時(shí)，需要使用氧化裝置1或2。至于這些氧化裝置氧化時(shí)的工作壓力，通常使用常壓(范圍從600乇到900乇)，但可以使用減壓。在后一種情況中，容易將氧化速率設(shè)定在低水平，具有可以減小氫氣爆炸的可能性的附加效果。此外，也可以在高壓下氧化。高壓氧化的優(yōu)點(diǎn)是可以較低溫度實(shí)現(xiàn)高氧化速率。
(公開(kāi)內(nèi)容的修改和變化)雖然根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例具體地介紹了本發(fā)明人制成的本發(fā)明，但本發(fā)明并不受這些實(shí)施例限制，可以不脫離本發(fā)明的精神進(jìn)行任何改變。
在本申請(qǐng)中公開(kāi)的發(fā)明中，典型的發(fā)明得到的效果簡(jiǎn)要地說(shuō)明如下。
根據(jù)本發(fā)明，可以均勻厚度并高精度地形成厚度為5nm以下的高質(zhì)量很薄的柵氧化膜，由此可以提高具有柵長(zhǎng)度為0.25μm以下的精細(xì)MOSFET的半導(dǎo)體集成電路器件的可靠性和成品率。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體集成電路器件的制造方法，包括以下步驟(a)通過(guò)將氧氣和氫氣引入到濕氣合成爐中，利用催化劑由氧氣和氫氣在第一溫度下制備濕氣，其中氧氣和氫氣的成分比用于濕氣合成的化學(xué)計(jì)量成分富含氧；(b)將這樣制備的濕氣輸送到氧化爐的熱處理室中從而在該室內(nèi)的晶片的第一主表面上方形成濕氧化氣氛并保持濕氣為氣體狀態(tài)；以及(c)通過(guò)將該晶片的第一主表面加熱到高于第一溫度的第二溫度，通過(guò)熱氧化在熱處理室中的濕氧化氣氛中該晶片的第一主表面的硅表面上方形成絕緣膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體集成電路器件的制造方法，其中所述絕緣膜是絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵絕緣膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體集成電路器件的制造方法，其中所述絕緣膜是構(gòu)成閃存裝置的存儲(chǔ)單元的絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的第二柵絕緣膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的半導(dǎo)體集成電路器件的制造方法，其中所述絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵絕緣膜的厚度不大于5nm，其柵長(zhǎng)不大于0.25μm。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的半導(dǎo)體集成電路器件的制造方法，其中所述絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵絕緣膜厚度不大于3nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的半導(dǎo)體集成電路器件的制造方法，其中第一溫度不高于500攝氏度，第二溫度不低于800攝氏度。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種半導(dǎo)體集成電路器件的制造方法，包括以下步驟(a)通過(guò)將氧氣和氫氣引入到濕氣合成爐中，利用催化劑由氧氣和氫氣在第一溫度下制備濕氣，其中氧氣和氫氣的成分比用于濕氣合成的化學(xué)計(jì)量成分富含氧；(b)將這樣制備的濕氣輸送到氧化爐的熱處理室中從而在該室內(nèi)的晶片的第一主表面上方形成濕氧化氣氛并保持濕氣為氣體狀態(tài)；以及(c)通過(guò)將該晶片的第一主表面加熱到高于第一溫度的第二溫度，通過(guò)熱氧化在熱處理室中的濕氧化氣氛中該晶片的第一主表面的硅表面上方形成絕緣膜。
文檔編號(hào)H01L21/31GK1495859SQ0312330
公開(kāi)日2004年5月12日 申請(qǐng)日期1998年3月4日 優(yōu)先權(quán)日1997年3月5日
發(fā)明者田邊義和, 義, 酒井哲, 夏秋信義 申請(qǐng)人:株式會(huì)社日立制作所