專利名稱：制造氧化物膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及制造氧化物膜的方法，特別涉及形成如MOS晶體管的柵氧化物膜等薄氧化物膜的方法，可以準(zhǔn)確和容易地將薄氧化物膜的厚度控制為要求值。
在MOS(金屬氧化物半導(dǎo)體)晶體管中，用極薄的柵氧化物膜或?qū)犹岣咴碾娞匦浴Ｄ壳?，根?jù)0.25微米(μm)規(guī)則的半導(dǎo)體器件中用厚為60-70埃的柵氧化物膜，根據(jù)0.18微米規(guī)則的半導(dǎo)體器件中用厚為30-40埃的柵氧化物膜。另外，根據(jù)半導(dǎo)體器件集成密度的提高，在根據(jù)0.13微米規(guī)則的半導(dǎo)體器件中，需要厚20-30埃的柵氧化物膜。
由于柵氧化物膜影響著半導(dǎo)體器件的可靠性和電特性，所以要求初始擊穿電壓高，與時(shí)間有關(guān)的劣化小，且在半導(dǎo)體襯底和柵氧化物膜間的界面處沒有缺陷。這些特性似乎是利用干氧化即利用O2的氧化形成的熱氧化物膜的最佳情況。根據(jù)干氧化，在O2氣氛中或大氣中加熱Si襯底，可以容易形成具有優(yōu)良絕緣特性的SiO2膜。
為了制造薄SiO2膜，可以想象的有三種方法。即，降低氧化溫度的方法，減少氧化時(shí)間的方法和降低氧化壓力的方法。一般情況下，已采用了這些方法中的兩種方法，即，調(diào)節(jié)即降低氧化溫度(在氧化氣氛中加熱Si襯底的溫度)的方法和調(diào)節(jié)即減少氧化時(shí)間(在氧化氣氛中加熱Si襯底的時(shí)間)的方法，來調(diào)節(jié)要形成的SiO2膜的厚度。
另一方面，隨著柵氧化物膜變薄，MOS晶體管的柵氧化物膜厚度的要求容差變得更嚴(yán)格。例如，在柵氧化物膜的標(biāo)稱厚度為60埃時(shí)，膜厚的要求容差為+/-3埃。在柵氧化物膜的標(biāo)稱厚度為40埃時(shí)，膜厚的要求容差為+/-2埃。在柵氧化物膜的標(biāo)稱厚度為20埃時(shí)，膜厚的要求容差為+/-1埃。這種情況下，要求的容差包括Si襯底平面上的氧化物膜厚度的分散極限，和兩襯底之間氧化物膜厚度的分散極限。
為了容易地制造高可靠性的柵氧化物膜，避免很差的初始擊穿電壓，避免隨時(shí)間產(chǎn)生的劣化，并具有在要求容差范圍內(nèi)的要求膜厚，本發(fā)明的發(fā)明人重新考慮了控制柵氧化物膜厚的方法。在降低氧化溫度以得到具有薄的膜厚度的氧化物膜時(shí)，柵氧化物膜的低初始擊穿電壓和與時(shí)間有關(guān)的劣化增大的問題變得明顯。因此，在要形成薄SiO2膜時(shí)，最好不通過調(diào)節(jié)氧化溫度來控制SiO2膜的膜厚。
本申請的發(fā)明人通過在1000℃的氧化溫度下即在恒定的氧化溫度下，在氧氣氛中，熱氧化Si襯底，以在Si襯底上制造SiO2膜。

圖1是展示所形成的SiO2膜的膜厚與氧化時(shí)間即在1000℃下加熱的時(shí)間周期之間的關(guān)系的曲線圖。在圖1中，示出了在760、100、50、20和10乇的氧化壓力即氧氣氛壓力下的關(guān)系。如圖1所示，在氧化時(shí)間改變時(shí)，由熱氧化形成的氧化物膜即SiO2膜的膜厚取決于氧化時(shí)間。隨著氧化時(shí)間變得更短，SiO2的膜厚變得更薄。從圖1還可以發(fā)現(xiàn)，在氧化時(shí)間相同時(shí)，隨著氧化壓力變更越來越低，可以形成越來越薄的SiO2膜。
從圖1可知，要形成具有等于或薄于30埃的厚度的氧化物膜時(shí)，必須在減壓或降壓即在壓力小于760乇的氧氣氛條件下進(jìn)行熱氧化。例如，在要制造具有0.13微米規(guī)則所需要的20埃厚度的柵氧化物膜時(shí)，例如氧化壓力降低到50乇，并在1000℃的溫度下，加熱Si襯底20秒，以形成氧化物膜。如果進(jìn)一步降低氧化壓力，則可以延長氧化時(shí)間。
另一方面，隨著氧化壓力變低，通過氣體分子的熱傳導(dǎo)受到抑制。因此，整個(gè)Si襯底表面的溫度分布變得不均勻，所以襯底內(nèi)所形成的氧化物膜厚度的分散變大。在熱氧化Si襯底時(shí)，在氧化壓力升高到可以避免這種不均勻性時(shí)，必須縮短氧化時(shí)間。然而，如從展示所形成的SiO2膜的厚度和氧化時(shí)間的關(guān)系的曲線的圖1所示，一定時(shí)間長度即在圖1的曲線所展示的時(shí)間區(qū)后，SiO2膜的形成速率相對慢。另一方面，在氧化物膜形成的初始階段，即，在圖1的曲線未示出的時(shí)間區(qū)內(nèi)，SiO2膜的形成速率高，可以在相對短的時(shí)間內(nèi)形成大量SiO2膜。這一點(diǎn)可以從在圖1的氧化時(shí)間為零時(shí)所形成的氧化物膜厚度為零的事實(shí)得知。因此，在通過調(diào)節(jié)氧化時(shí)間，來控制所形成氧化物膜的厚度，且需要薄柵氧化物膜時(shí)，必須將氧化時(shí)間調(diào)節(jié)到很短，并很精確地控制氧化時(shí)間。
然而，在應(yīng)進(jìn)行很短時(shí)間的氧化時(shí)，很難精確地控制氧化物膜的厚度。例如，如果使用電阻加熱爐，甚至在向爐中裝入和從爐中取出Si襯底時(shí)，氧化物膜也會(huì)生長。因此，在利用該方法形成厚度等于或小于50埃的氧化物膜時(shí)，很難精確地形成預(yù)定厚度的氧化物膜。另外，即使使用可以在短時(shí)間內(nèi)升高和降低溫度的如燈加熱爐等快速加熱爐，也很難精確地控制很短的氧化時(shí)間。因此，如果例如氧化物膜的厚度應(yīng)等于或小于30埃，并且如果通過調(diào)節(jié)氧化時(shí)間來控制氧化物膜的厚度，甚至在使用快速加熱爐時(shí)，也很難精確地制造預(yù)定厚度的氧化物膜。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種制造很薄氧化物膜的方法。
本發(fā)明的另一目的是提供一種精確地制造預(yù)定厚度的很薄氧化物膜的方法。
本發(fā)明再一目的是提供一種制造很薄氧化物膜的方法，其中容易控制膜的厚度，以實(shí)現(xiàn)預(yù)定的厚度。
本發(fā)明又一目的是提供一種制造半導(dǎo)體襯底表面上具有小厚度分散性的很薄氧化物膜的方法。
本發(fā)明還有一目的是提供一種制造在半導(dǎo)體襯底之間具有很小厚度分散性的很薄氧化物膜的方法。
根據(jù)制造氧化物膜的常規(guī)方法，其中調(diào)節(jié)氧化時(shí)間以控制氧化物膜的厚度，很難制造厚度等于或小于30埃且具有良好可控性的氧化物膜。因此，本發(fā)明的發(fā)明人旨在通過在形成氧化物膜的幾個(gè)條件中改變或調(diào)節(jié)氧化壓力，在不改變氧化時(shí)間的條件下控制氧化物膜的厚度。這種情況下，為了盡可能容易地控制氧化物膜的厚度，本發(fā)明人的注意力放在了使用即使在降低的氧化壓力條件下也盡可能高的氧化壓力，利用長于20秒的氧化時(shí)間，將自然或天然氧化物膜的形成抑制得盡可能小，并在經(jīng)過了預(yù)定氧化時(shí)間后快速停止氧化反應(yīng)。另外，除了減壓條件下氧化外，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，可以通過控制總壓力相對高的氧化氣氛，如大氣壓下的氧分壓，形成具有良好可控性的很薄氧化物膜。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種制造氧化物膜的方法，在含氧的氣氛中氧化襯底，以在所說襯底上形成所說氧化物膜。該方法包括通過調(diào)節(jié)所說含氧氣氛中的氧分壓，控制要形成的所說氧化物膜的厚度。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種制造氧化物膜的方法，在氧化氣氛中氧化襯底，以在所說襯底上形成所說氧化物膜。該方法包括通過調(diào)節(jié)所說氧化氣氛的壓力，控制要形成的所說氧化物膜的厚度。
根據(jù)本發(fā)明再一方面，提供一種制造氧化物膜的方法，在含氧的氣氛中氧化硅襯底，以在所說硅襯底上形成所說氧化物膜。該方法包括將所說硅襯底置入加熱爐中；用包含氧的混合氣體充入所說加熱爐，并保持所說加熱爐內(nèi)的氣氛中的氧氣的分壓在預(yù)定分壓；加熱所說硅襯底到預(yù)定溫度，同時(shí)保持所說加熱爐內(nèi)氣氛中的所說氧分壓在所說預(yù)定分壓；所說硅襯底溫度達(dá)到所說預(yù)定溫度后，將所說硅襯底的溫度保持在所說預(yù)定溫度達(dá)到預(yù)定的時(shí)間周期，同時(shí)保持所說加熱爐內(nèi)所說氣氛中氧分壓在所說預(yù)定分壓；在將所說硅襯底的溫度保持在所說預(yù)定溫度達(dá)到所說預(yù)定時(shí)間周期后，降低所說硅襯底的溫度，并將所說加熱爐內(nèi)的氣氛從所說含氧的混合氣體換成不產(chǎn)生氧化的一種或多種氣體。
根據(jù)本發(fā)明還有一個(gè)一方面，提供一種制造氧化物膜的方法，在氧化氣氛中氧化硅襯底，以在所說襯底上形成氧化物膜。該方法包括將所說硅襯底置入加熱爐中；在所說加熱爐中引入氧氣，并保持所說加熱爐內(nèi)的氧化氣的壓力在預(yù)定壓力；加熱所說硅襯底到預(yù)定溫度，同時(shí)保持所說加熱爐內(nèi)氧化氣氛的所說壓力在所說預(yù)定壓力；所說硅襯底溫度達(dá)到所說預(yù)定溫度后，將所說硅襯底的溫度保持在所說預(yù)定溫度達(dá)到預(yù)定的時(shí)間周期，同時(shí)保持所說加熱爐內(nèi)所說氧化氣氛的壓力在所說預(yù)定壓力；在將所說硅襯底的溫度保持在所說預(yù)定溫度達(dá)到所說預(yù)定時(shí)間周期后，降低所說硅襯底的溫度，另外，在所說加熱爐內(nèi)引入不產(chǎn)生氧化的一種或多種氣體，以將所說加熱爐內(nèi)的氣氛從所說氧化氣氛換成不產(chǎn)生氧化的一種或多種氣體，并保持所說加熱爐內(nèi)氣氛的壓力高于所說預(yù)定壓力。
從以下結(jié)合附圖的具體說明中，可以更清楚地理解本發(fā)明的這些和其它特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)，附圖中，相同的參考數(shù)字表示各附圖中的相同或相應(yīng)的部件，其中圖1是展示在1000℃的氧化溫度下在氧氣氛中氧化硅襯底以制造SiO2膜時(shí)，SiO2膜的厚度和氧化時(shí)間的關(guān)系的曲線圖；圖2是展示用于根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的制造氧化物膜的方法中的快速加熱爐的剖面示意圖；圖3是展示在根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的制造氧化物膜的方法中，引入到加熱爐中的氣體的流速隨時(shí)間變化的曲線圖；圖4是展示在根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的制造氧化物膜的方法中，加熱爐中的硅襯底的溫度隨時(shí)間變化的曲線圖；圖5是展示在只有氧分壓改變時(shí)，在1000℃的氧化溫度和30秒的氧化時(shí)間下氧化硅襯底以形成SiO2膜時(shí)，所形成的SiO2膜的膜厚與氧分壓的關(guān)系的曲線圖；圖6是展示用于根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的制造氧化物膜的方法中的快速加熱爐的剖面示意圖7是展示在根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的制造氧化物膜的方法中，引入到加熱爐中的氧氣和氬氣的流速隨時(shí)間變化的曲線圖；圖8是展示在根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的制造氧化物膜的方法中，加熱爐中壓力隨時(shí)間變化的曲線圖；圖9是展示在根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的制造氧化物膜的方法中，加熱爐中的硅襯底的溫度隨時(shí)間變化的曲線圖；圖10是展示在只有氣氛壓力改變時(shí)，在1000℃的氧化溫度和30秒的氧化時(shí)間下氧化硅襯底以形成SiO2膜時(shí)，所形成的SiO2膜的膜厚與氧化壓力的關(guān)系的曲線圖。
參考各附圖，下面將結(jié)合形成MOS晶體管的柵氧化物膜(SiO2)介紹根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的制造氧化物膜的方法，利用圖2所示的快速加熱爐10進(jìn)行氧化。加熱爐10包括鹵素?zé)?2。鹵素?zé)?2通過石英窗14加熱支撐于襯底支撐棒16上且設(shè)置于加熱爐10內(nèi)的硅(Si)襯底18。另外，加熱爐10包括氣體入口20和22，以及氣體出口24。例如，如果需要快速替換加熱爐10內(nèi)的氣氛，還可以將氣體出口24與圖中未示出的真空泵耦連。
這種情況下，在Si襯底18置入加熱爐10后，向加熱爐10中引入需要的氣體，利用鹵素?zé)?2加熱Si襯底18，以改變和升高Si襯底18的溫度。通過利用圖中未示出的溫度控制器調(diào)節(jié)鹵素?zé)?2發(fā)出的光強(qiáng)，將Si溫度襯底18的溫度控制在預(yù)定的溫度模式(pattern)。該溫度控制器還可以例如由包括用于產(chǎn)生溫度模式的存儲(chǔ)程序的微機(jī)構(gòu)成。另外，從氣體出口24抽出引入到加熱爐10中的氣體，從而保持加熱爐10內(nèi)的壓力基本為大氣壓(約760乇)。加熱爐10內(nèi)的壓力可以高于或低于大氣壓。例如，加熱爐10內(nèi)的壓力可以稍高于大氣壓，以便可以順利地從氣體出口抽氣。
下面將結(jié)合附圖具體介紹根據(jù)該實(shí)施例制造氧化物膜的方法。圖3展示了在該實(shí)施例中，引入到加熱爐10中的氣體的流速(升/分鐘)隨時(shí)間的變化。圖4展示在該實(shí)施例中，加熱爐10中的硅襯底18的溫度(℃)隨時(shí)間的變化。
首先，將Si襯底18引入加熱爐10，并置于襯底支撐棒16上。然后，如圖3所示，從氣體入口20，以例如5升/分鐘的流速，向加熱爐10引入氮?dú)?N2)。為了容易理解，開始引入氮?dú)獾臅r(shí)間點(diǎn)或引入氮?dú)馄陂g的某一時(shí)間點(diǎn)被確定為圖3和4的曲線的時(shí)間軸(橫軸)的原點(diǎn)。作為另一方法，可以在用氮?dú)獬淙爰訜釥t10后，將Si襯底18置入加熱爐10，并置于襯底支撐棒16上。
在加熱爐10中引入氮?dú)獾囊粋€(gè)原因是，通過用氮?dú)獬淙爰訜釥t10，防止在硅襯底18的表面上形成自然氧化物膜。如果形成了自然氧化物膜，則將形成的SiO2膜的最終厚度會(huì)分散，很難將膜厚精確控制在預(yù)定值。還可以與氮一起向加熱爐10中引入少量如100ppm的氧，以避免Si襯底18的表面產(chǎn)生粗糙。另外，引入氮?dú)獾牧硪粋€(gè)理由是，用不包括氧的氣體(這里指氮?dú)?替換加熱室10中氣氛或大氣，并使此后更容易控制氧分壓。
如圖3所示，在時(shí)間t1(例如t0后50秒)，從氣體入口20引入到加熱爐10中的氮?dú)獾牧魉僭龃蟮嚼?4升/分鐘，并開始從氣體入口22，以例如1升/分鐘的流速向加熱爐內(nèi)引入氧氣(O2)。應(yīng)注意，圖3中，氮?dú)饬魉俸脱鯕饬魉俚目偭魉俦硎緸椤癗2+O2”。加熱爐10內(nèi)的氣氛即Si襯底18周圍的氣氛從包括100％的氮的氣體換成含從氣體入口20引入的氮?dú)夂蛷臍怏w入口22引入的氧氣的混合氣體。加熱爐10中，含這種混合氣體的氣氛中氧的分壓約為50乇，如氮?dú)馀c氧氣的流速比所示，即約為710比50。這種情況下，加熱爐10內(nèi)的總壓力基本與大氣壓即約760乇相等。
另外，在時(shí)間t2，從氣體入口20引入到加熱爐10內(nèi)的氮?dú)獾牧魉倮鐪p小到8.4升/分鐘，從氣體入口22引入到加熱爐10內(nèi)的氧氣的流速例如減小到0.6升/分鐘。應(yīng)注意，盡管氮?dú)夂脱鯕獾牧魉贉p小，但氮?dú)夂脱鯕獾牧魉俦扰c以前相同，即，約為710比50。因此，從時(shí)間t1到時(shí)間t4，充入加熱爐10中包含氮?dú)夂脱鯕獾幕旌蠚怏w中的氧的分壓約為50乇，并保持恒定。
將從時(shí)間t1到時(shí)間t2的流速設(shè)置為大于從時(shí)間t2到時(shí)間t4的流速，為的是快速將加熱爐10內(nèi)的氣氛，從包括100％氮且壓力約為760乇的氣體，替換成氧分壓約為50乇，且總壓力約為760乇的混合氣體。在需要將混合氣體中的氧分壓設(shè)置在例如100乇的不同值時(shí)，氮?dú)馀c氧氣的流速比可以調(diào)節(jié)到約660比100。
在上述情況下，通過從氣體入口20引入氮?dú)?，從氣體入口22引入氧氣，在加熱爐10內(nèi)混合氮?dú)夂脱鯕?。然而，也可以在將氮?dú)夂脱鯕庖爰訜釥t10前將它們混合，以制備混合氣體，并將混合氣體例如通過氣體入口22引入到加熱爐10中。這種情況下，可以通過在將氮?dú)夂脱鯕庖爰訜釥t10之前，在將它們混合時(shí)，預(yù)先調(diào)節(jié)氮?dú)夂脱鯕獾幕旌媳燃戳魉俦?，控制將通過氣體入口22引入上述混合氣體的加熱爐10內(nèi)氣氛的氧分壓。
如圖4所示，在時(shí)間t2，例如，t0后約75秒，開始用鹵素?zé)?2加熱Si襯底18。由此Si襯底18的溫度開始升高，在時(shí)間t3，例如t0后約90秒，Si襯底18的溫度達(dá)到穩(wěn)定的氧化溫度，例如約1000℃。如圖4所示，在時(shí)間t3和t4之間，例如約30秒的時(shí)間內(nèi)，Si襯底18的溫度保持在該氧化溫度(約1000℃)。通過這段時(shí)間的氧化，在Si襯底18上形成例如厚約20埃的二氧化硅(SiO2)膜。
如圖4所示，在時(shí)間t4，例如t0后約120秒，停止用鹵素?zé)艏訜酳i襯底18，然后進(jìn)行降溫過程。另一方面，如圖3所示，在時(shí)間t4，停止從氣體入口22引入氧氣，從氣體入口20引入的氮?dú)獾牧魉倮缭龃蟮?升/分鐘。由此，加熱爐10內(nèi)的氣氛從氧分壓約為50乇的混合氣體換為包括100％氮的氣體。因此，時(shí)間t4后，Si襯底18上基本上不形成SiO2膜。
此后，再如圖4所示，在時(shí)間t5，例如t0后130秒，氮?dú)饬魉僭龃蟮嚼缂s20升/分鐘。然后，在時(shí)間t6，例如t0后約230秒，氮?dú)獾牧魉僦鸩綔p小到例如約10升/分鐘，在時(shí)間t7，例如減小到5升/分鐘。最后，在時(shí)間t8，例如t0后約245秒，停止引入氮?dú)狻？梢詮臅r(shí)間t4直到Si襯底18的溫度恢復(fù)到開始時(shí)的溫度，例如接近室溫，保持從氣體入口20引入到加熱爐10中的氮?dú)獾牧魉贋楹愣ㄖ担?升/分鐘，此后，停止向加熱爐10內(nèi)引入氮?dú)?。還可以保持加熱爐10內(nèi)充有氮?dú)?，直到從加熱爐10內(nèi)取出Si襯底18為止。
在時(shí)間t8后，Si襯底18的溫度基本恢復(fù)到室溫，因此，例如從時(shí)間t0開始的300秒后，可以容易地從加熱爐10內(nèi)取出Si襯底18。在如上所述進(jìn)行的實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，形成于Si襯底18上的SiO2膜的厚度約為20埃，其誤差為+/-1埃。在形成SiO2膜的時(shí)間周期內(nèi)，加熱爐10內(nèi)氣氛即Si襯底周圍氣氛的總壓力基本上為大氣壓。因此，可以通過氣氛氣體進(jìn)行充足的熱傳導(dǎo)，并且整個(gè)Si襯底上的溫度分布變均勻，所以所形成的SiO2膜的厚度在Si襯底18的表面范圍是均勻的。另外，形成SiO2的時(shí)間周期內(nèi)，Si襯底18周圍氣氛中的氧分壓相對低，該例中約為50乇，所以可以制造例如約20埃的很薄的SiO2膜。
圖5是展示在Si襯底上形成SiO2膜時(shí)，改變氧分壓，即時(shí)間t3到時(shí)間t4期間加熱爐10內(nèi)的氧分壓，所形成的SiO2膜的厚度和氧分壓間的關(guān)系的曲線圖。這種情況下，氧化溫度，即在圖4的時(shí)間t3到時(shí)間t4期間Si襯底的溫度保持在1000℃，氧化時(shí)間，即從t3到t4的時(shí)間周期固定為30秒。從圖5的曲線圖可以發(fā)現(xiàn)，在約35乇的氧分壓下，可以制造厚為20埃的SiO2膜。從圖5可知，在應(yīng)控制SiO2膜的厚度使之變?yōu)槿魏嗡笾禃r(shí)，只需根據(jù)所需要的厚度改變或調(diào)節(jié)氧的分壓，并保持氧化溫度和氧化時(shí)間為恒定值的條件，例如保持1000℃和30秒。例如在氧化溫度保持在1000℃，氧化時(shí)間固定為30秒時(shí)，如果應(yīng)形成厚20埃的SiO2膜，則氧分壓可以調(diào)節(jié)到約35乇，如果應(yīng)形成厚25埃的SiO2膜，則應(yīng)調(diào)節(jié)到約110乇，如果應(yīng)形成厚30埃的SiO2膜，則調(diào)節(jié)到約300乇。例如通過調(diào)節(jié)氮?dú)夂脱鯕庵g的流速比，可以容易且精確地控制氧分壓。另外，通過調(diào)節(jié)氧分壓，同時(shí)將氧化溫度和氧化時(shí)間固定為其它值，例如大約在900℃-1200℃之間的任意值，等于或大于約20秒的任意值，也可控制形成的SiO2膜的厚度。這種情況下，盡管可以將氧分壓調(diào)節(jié)到可實(shí)施壓力范圍內(nèi)的任意值，但實(shí)際上較好是采用約10和700乇范圍內(nèi)的值。
根據(jù)該實(shí)施例制造氧化物膜的方法，可以很精確地形成具有要求厚度的SiO2膜，并可以容易且精確地控制SiO2膜的厚度。尤其是，可以適當(dāng)?shù)乜刂评缇哂屑s20-30埃厚度的SiO2膜的厚度。另外，由于形成SiO2膜期間，Si襯底周圍的氣氛壓力相對較高，并且該實(shí)施例中基本為大氣壓，所以在整個(gè)Si襯底18上的溫度分布基本是均勻的。因此，可以在Si襯底上形成具有均勻厚度的SiO2膜。另外，可以只通過調(diào)節(jié)用改變氣體流速來控制的氧分壓，來控制SiO2膜的形成厚度，不需要特定的設(shè)備，并且可以降低制造成本。另外，可以使用普通設(shè)備容易且精確地制造不同厚度的氧化物膜。
應(yīng)注意，除氮?dú)馔?，可以使用如氦?He)、氬氣(Ar)等其它不產(chǎn)生氧化的氣體、惰性氣體或不與Si襯底反應(yīng)的氣體。
下面結(jié)合制造MOS晶體管的柵氧化物膜(SiO2)的情況，說明本發(fā)明第二實(shí)施例的制造氧化物膜的方法。這種情況下，采用快速加熱爐110進(jìn)行氧化，這種加熱爐使用鹵素?zé)?12，如圖6所示。設(shè)置于加熱爐110中的鹵素?zé)?12通過石英窗114加熱爐110中的硅(Si)襯底118進(jìn)行加熱。Si襯底118支撐于加熱爐110內(nèi)的襯底支撐棒116上。另外，加熱爐110包括氣體入口120和122，以及氣體出口124。在氣體出口124中，設(shè)置有閥126，用于調(diào)節(jié)出口124打開或關(guān)閉的速率。還可以用如可移動(dòng)的可調(diào)節(jié)擋板等任何其它裝置代替閥126，以調(diào)節(jié)出口124的打開或關(guān)閉的速率。氣體出口124與圖中未示出的真空泵耦連，以便可以對加熱爐110抽氣。另外，設(shè)置壓力計(jì)或真空計(jì)128，用于測量加熱爐110內(nèi)的壓力，即硅襯底118周圍氣氛的壓力，還設(shè)置例如由控制加熱爐110內(nèi)壓力的微機(jī)所構(gòu)成的壓力控制器130。即，壓力控制器130根據(jù)由壓力計(jì)128所測量和反饋的加熱爐110內(nèi)的壓力，和存儲(chǔ)于壓力控制器130中的程序，調(diào)節(jié)擋板或閥126的打開速率或角位置，以便實(shí)現(xiàn)所需要的壓力控制模式。
在圖6的情況下，在Si襯底118置入加熱爐110后，向加熱爐110中引入需要的氣體，利用鹵素?zé)?12加熱Si襯底118，以改變Si襯底118的溫度。通過利用圖中未示出的溫度控制器調(diào)節(jié)鹵素?zé)?12發(fā)出的光強(qiáng)，將Si襯底118的溫度控制在預(yù)定的溫度模式。該溫度控制器還可以例如由包括用于產(chǎn)生溫度模式的存儲(chǔ)程序的微機(jī)構(gòu)成。還可以利用普通的微機(jī)構(gòu)成溫度控制器和上述壓力控制器130。
下面更具體地介紹本發(fā)明第二實(shí)施例的制造氧化物膜的方法。圖7展示了該實(shí)施例引入到加熱爐110中的氣體的流速(升/分鐘)隨時(shí)間的變化。圖8展示了該實(shí)施例加熱爐110內(nèi)的壓力(乇)隨時(shí)間的變化。圖9展示了該實(shí)施例加熱爐110內(nèi)Si襯底118的溫度(℃)隨時(shí)間的變化。
首先，將Si襯底118置入預(yù)先抽空的加熱爐110，并置于襯底支撐棒116上。然后，如圖7所示，從氣體入口120，以例如5升/分鐘的流速，向加熱爐110引入氮?dú)?N2)?；蛘?，在將Si襯底118置入大氣氣氛壓力的加熱爐110內(nèi)，并將之置于襯底支撐棒116上后，對加熱爐110抽真空，然后從氣體入口120向加熱爐110內(nèi)引入氮?dú)?。為了簡化說明，圖7、8和9的時(shí)間軸(橫軸)的原點(diǎn)(t0)調(diào)節(jié)為向加熱爐110內(nèi)引入氮?dú)獾钠鹗紩r(shí)間。如圖8所示，控制器130控制閥126的打開速率，以便在時(shí)間t11時(shí)，即t0后約50秒，加熱爐110內(nèi)的壓力變?yōu)榧s10乇。引入氮?dú)獾囊粋€(gè)原因是，防止在硅襯底118的表面上形成自然氧化物膜。如果Si襯底118上形成了自然氧化物膜，則最后SiO2膜的厚度會(huì)分散，很難將膜厚精確控制在預(yù)定值。還可以與氮一起向加熱爐110中引入少量如100ppm的氧，以避免Si襯底118的表面產(chǎn)生粗糙。另外，引入氮?dú)獾牧硪粋€(gè)理由是，用包括100％氮的氣體替換加熱室110中的氣氛，并使此后更容易控制氧化壓力。
如圖7所示，在時(shí)間t11，停止從氣體入口120引入氮?dú)猓臍怏w入口122，以例如15升/分鐘的流速開始引入氧氣(O2)。此后，在時(shí)間t12，從氣體入口122引入的氧氣的流速減小到例如9升/分鐘。控制器130控制閥126，以便加熱爐110內(nèi)的壓力變?yōu)榧s50乇。將從t11到t12期間的氧氣流速設(shè)定為大于從t12到t14期間的氧氣流速，以便將加熱爐110內(nèi)的氣氛，即Si襯底118周圍的氣氛，從包括100％氮?dú)獾臍怏w，快速替換成包括100％氧的氣體，并使加熱爐110內(nèi)的壓力快速升高到恒定壓力，這種情況下為50乇，如圖8所示。
如圖9所示，在時(shí)間t12，例如，t0后約75秒，用鹵素?zé)?12加熱Si襯底118，開始升高Si襯底的溫度，在時(shí)間t13，例如t0后約90秒，Si襯底118的溫度達(dá)到恒定的氧化溫度，例如約1000℃。如圖9所示，從時(shí)間t13到t14，例如約30秒的時(shí)間內(nèi)，Si襯底118的溫度保持在該氧化溫度，即約1000℃。在該時(shí)間周期內(nèi)，在Si襯底118上形成例如厚約20埃的二氧化硅膜(SiO2膜)。
在時(shí)間t14，例如t0后120秒，停止用鹵素?zé)?12加熱Si襯底118，然后，進(jìn)入溫度降低過程。另一方面，如圖7所示，在時(shí)間t14，停止從氣體入口122引入氧氣，開始從氣體入口120以約9升/分鐘的流速引入氮?dú)?。另外，在時(shí)間t15，例如t0后130秒，氮?dú)饬魉僭龃蟮嚼缂s20升/分鐘。如圖8所示，時(shí)間t15后，控制器130控制閥126，以便加熱爐110內(nèi)的壓力變?yōu)榧s100乇。由于加熱爐110內(nèi)的壓力升高，所以Si襯底118的冷卻速率變快。還可以在時(shí)間t14或t15后，通過將加熱爐110內(nèi)的壓力設(shè)定為更高壓力，例如大氣壓，更快速地降低Si襯底118的溫度，以便更快速地從加熱爐110內(nèi)取出Si襯底118。這種情況下，為了快速替換加熱爐110內(nèi)的氣氛，最好不使加熱爐110內(nèi)的壓力升得太高。
由于在時(shí)間t14停止引入氧氣，并開始引入氮?dú)猓詫⒓訜釥t110內(nèi)氣氛從包括100％氧的氣體換成了包括100％氮的氣體。因此，時(shí)間t14后，Si襯底118上基本上不形成SiO2膜。另外，時(shí)間t14后，向加熱爐110內(nèi)引入氮?dú)獾钠渌蚴牵ㄟ^引入具有大比熱的氣體，快速降低Si襯底118的溫度。這是因?yàn)?，如果加熱爐110內(nèi)的壓力很低，便會(huì)抑制通過氣體分子的熱傳導(dǎo)，因而不能快速降低Si襯底118的溫度。因此，除氮?dú)馔?，可以用不產(chǎn)生氧化的任何氣體。例如，可以用氦(He)、氬(Ar)、氫(H2)等。這種情況下，氣體的比熱變得較大，Si襯底的溫度可以更快地降低。在用氫氣時(shí)，必須在用不與氫反應(yīng)的其它氣體替換了氧氣后，向加熱爐110中引入氫氣。
此后，如圖7所示，在時(shí)間t16，例如t0后約230秒，氮?dú)獾牧魉僦鸩綔p小到例如約10升/分鐘，在時(shí)間t17，例如減小到5升/分鐘。最后，在時(shí)間t18，例如t0后約245秒，停止引入氮?dú)?。時(shí)間t16后，如果氣體出口124處于打開狀態(tài)，則加熱爐110內(nèi)的壓力隨氮?dú)庖肓康臏p少而降低，如圖8所示。
時(shí)間t18后，Si襯底118的溫度基本恢復(fù)到室溫，因此，例如從時(shí)間t0開始的300秒后，可以容易地從加熱爐110內(nèi)取出Si襯底118。在如上所述進(jìn)行的實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，形成于Si襯底118上的SiO2膜的厚度約為20埃，其誤差為+/-1埃。還可以在例如時(shí)間t16后停止對加熱爐110抽氣，并用氮充入加熱爐110，以便恢復(fù)到大氣壓，此后，從加熱爐110中取出Si襯底118。
圖10是展示在Si襯底上形成SiO2膜時(shí)，改變氧化壓力，即在時(shí)間t13到時(shí)間t14期間加熱爐內(nèi)氧氣氛的壓力，所形成的SiO2膜的厚度和氧化壓力間關(guān)系的曲線圖。這種情況下，氧化溫度，即在圖9的時(shí)間t13到時(shí)間t14期間Si襯底的溫度保持在1000℃，氧化時(shí)間，即從t13到t14的時(shí)間周期固定為30秒。除圖5的橫軸表示氧分壓，即混合氣體氣氛的氧分壓，而圖10的橫軸表示氧化壓力，即氧氣氛的壓力外，圖10基本上與圖5相同。例如，如圖10所示，可以在約35乇的氧化壓力下，制造厚為20埃的SiO2膜。從圖10可知，在應(yīng)控制SiO2膜的厚度使之變?yōu)槿魏嗡笾禃r(shí)，只需根據(jù)所需要的膜厚度改變氧化壓力以氧化Si襯底，同時(shí)保持氧化溫度和氧化時(shí)間為恒定值的條件，例如保持1000℃和30秒。例如，在氧化溫度保持在1000℃，氧化時(shí)間固定為30秒時(shí)，如果應(yīng)形成厚20埃的SiO2膜，則氧化壓力可以調(diào)節(jié)到約35乇，如果應(yīng)形成厚25埃的SiO2膜，則應(yīng)調(diào)節(jié)到約110乇，如果應(yīng)形成厚30埃的SiO2膜，則調(diào)節(jié)到約300乇。例如通過利用上述控制器130調(diào)節(jié)加熱爐內(nèi)的壓力，可以容易且精確地控制氧化壓力。另外，通過調(diào)節(jié)氧化壓力，同時(shí)將氧化溫度和氧化時(shí)間固定為其它值，例如氧化溫度為大約在900℃-1200℃之間的任意值，氧化時(shí)間為等于或大于約20秒的任意值，可以控制SiO2膜的形成厚度。這種情況下，盡管可以將氧化壓力調(diào)節(jié)到可實(shí)施壓力范圍內(nèi)的任意值，但實(shí)際上較好是采用約10和700乇之間范圍內(nèi)的值。
根據(jù)該實(shí)施例制造氧化物膜的方法，可以很精確地形成具有要求厚度的SiO2膜，并可以容易且精確地控制SiO2膜的厚度。尤其是，可以適當(dāng)?shù)乜刂评缇哂屑s20-30埃厚度的SiO2膜的厚度。另外，可以使用普通設(shè)備容易且精確地制造不同厚度的氧化物膜。
另外，可以采用用于第二實(shí)施例且在圖6中示出的加熱爐110，實(shí)施第一實(shí)施例的制造氧化物膜的方法。如果采用這種加熱爐110，則還可以在第一實(shí)施例中，在減壓條件下或降低壓力的條件下，保持加熱爐110內(nèi)氣氛的總壓力。
根據(jù)本發(fā)明，可以精確形成具有預(yù)定厚度的很薄的氧化物膜。另外，根據(jù)本發(fā)明，可以在Si襯底上形成如SiO2膜等厚度的氧化物膜。尤其是，根據(jù)本發(fā)明，可以在MOS晶體管中形成厚約20埃的柵氧化物膜，其公差可以在+/-1埃范圍內(nèi)，其中約20埃的厚度是0.13微米規(guī)則所需要的。
在以上的說明中，結(jié)合特定實(shí)施例介紹了本發(fā)明。然而，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)理解，可以作出各改形和變化，而不脫離如以下的權(quán)利要求書所述的本發(fā)明的范圍。因此，應(yīng)認(rèn)為本說明書和附圖是例示性的，而非限制性的，所有這些改形皆應(yīng)包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。因此，本發(fā)明應(yīng)涵蓋落入所附權(quán)利要求書范圍內(nèi)的所有變化和改形。
權(quán)利要求
1．一種制造氧化物膜的方法，在含氧的氣氛中氧化襯底，以在所說襯底上形成所說氧化物膜，該方法包括通過調(diào)節(jié)所說含氧氣氛中的氧分壓，控制要形成的所說氧化物膜的厚度。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中不用改變所說襯底的氧化溫度和所說襯底的氧化時(shí)間，通過調(diào)節(jié)所說含氧氣氛中的氧分壓，控制要形成的所說氧化物膜的厚度。
3．根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中所說襯底的所說氧化溫度在900-1200℃的范圍內(nèi)，所說氧化物膜的所說厚度在20-30埃的范圍內(nèi)。
4．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所說襯底是硅襯底，所說氧化物膜是氧化硅膜。
5．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所說含氧氣氛的總壓力基本上是大氣壓，所說含氧氣氛的氧分壓基本上低于大氣壓。
6．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所說含氧氣氛包括氧氣和不產(chǎn)生氧化的一種或多種氣體的混合氣體。
7．根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中通過調(diào)節(jié)所說氧氣與所說不產(chǎn)生氧化的一種或多種氣體的流速比，控制所說含氧氣氛中氧的分壓。
8．根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中不產(chǎn)生氧化的所說一種或多種氣體選自氮、氦和氬。
9．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所說氧化物膜是MOS晶體管的柵氧化物膜。
10．一種制造氧化物膜的方法，在氧化氣氛中氧化襯底，以在所說襯底上形成所說氧化物膜，該方法包括通過調(diào)節(jié)所說氧化氣氛的壓力，控制要形成的所說氧化物膜的厚度。
11．根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中不用改變所說襯底的氧化溫度和所說襯底的氧化時(shí)間，通過調(diào)節(jié)所說氧化氣氛的壓力，控制要形成的所說氧化物膜的厚度。
12．根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中所說襯底的所說氧化溫度在900-1200℃的范圍內(nèi)，所說氧化物膜的所說厚度在20-30埃的范圍內(nèi)。
13．根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中所說襯底是硅襯底，所說氧化物膜是氧化硅膜。
14．根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中所說氧化氣氛的壓力基本上低于大氣壓的壓力。
15．根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中所說氧化氣氛是氧氣氛。
16．根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中所說氧化物膜是MOS晶體管的柵氧化物膜。
17．一種制造氧化物膜的方法，在含氧的氣氛中氧化硅襯底，以在所說硅襯底上形成氧化硅膜，該方法包括將所說硅襯底送入加熱爐中；用包含氧的混合氣體充入所說加熱爐，并保持所說加熱爐內(nèi)的氣氛中的氧氣的分壓在預(yù)定分壓；加熱所說硅襯底到預(yù)定溫度，同時(shí)保持所說加熱爐內(nèi)氣氛中的所說氧分壓在所說預(yù)定分壓；所說硅襯底溫度達(dá)到所說預(yù)定溫度后，將所說硅襯底的溫度保持在所說預(yù)定溫度達(dá)到預(yù)定的時(shí)間周期，同時(shí)保持所說加熱爐內(nèi)所說氣氛中氧分壓在所說預(yù)定分壓；在將所說硅襯底的溫度保持在所說預(yù)定溫度達(dá)到所說預(yù)定時(shí)間周期后，降低所說硅襯底的溫度，并將所說加熱爐內(nèi)的氣氛從所說含氧的混合氣體換成不產(chǎn)生氧化的一種或多種氣體。
18．根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中所說含氧混合氣體包括氧氣和不產(chǎn)生氧化的一種或多種氣體的混合氣體。
19．根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其中不產(chǎn)生氧化的所說一種或多種氣體選自氮、氦和氬。
20．根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中所說方法還包括在所說加熱爐中引入所說硅襯底后，并在用含氧的所說混合氣體充入所說加熱爐和保持所說加熱爐中所說氣氛中氧分壓在所說預(yù)定分壓之前，向所說加熱爐中引入一種或多種不產(chǎn)生氧化的氣體。
21．根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中在形成所說氧化硅膜時(shí)，通過只調(diào)節(jié)所說預(yù)定分壓，而不改變所說預(yù)定溫度和所說預(yù)定時(shí)間，將形成于所說硅襯底上的所說氧化硅膜的厚度控制在要求值。
22．根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中所說預(yù)定分壓在10-700乇范圍內(nèi)，所說預(yù)定溫度在900-1200℃范圍內(nèi)。
23．根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中所說預(yù)定分壓約為50乇，所說預(yù)定溫度約為1000℃，所說預(yù)定時(shí)間約為30秒。
24．根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中所說氧化硅膜是MOS晶體管的柵氧化物膜。
25．一種制造氧化物膜的方法，在氧化氣氛中氧化硅襯底，以在所說襯底上形成氧化物膜，該方法包括將所說硅襯底置入加熱爐中；在所說加熱爐中引入氧氣，并保持所說加熱爐內(nèi)的氧化氣的壓力在預(yù)定壓力；加熱所說硅襯底到預(yù)定溫度，同時(shí)保持所說加熱爐內(nèi)氧化氣氛的所說壓力在所說預(yù)定壓力；所說硅襯底溫度達(dá)到所說預(yù)定溫度后，將所說硅襯底的溫度保持在所說預(yù)定溫度達(dá)到預(yù)定的時(shí)間周期，同時(shí)保持所說加熱爐內(nèi)所說氧化氣氛的壓力在所說預(yù)定壓力；在將所說硅襯底的溫度保持在所說預(yù)定溫度達(dá)到所說預(yù)定時(shí)間周期后，降低所說硅襯底的溫度，另外，在所說加熱爐內(nèi)引入不產(chǎn)生氧化的一種或多種氣體，以將所說加熱爐內(nèi)的氣氛從所說氧化氣氛換成不產(chǎn)生氧化的一種或多種氣體，并保持所說加熱爐內(nèi)氣氛的壓力高于所說預(yù)定壓力。
26．根據(jù)權(quán)利要求25的方法，其中所說氧化氣氛是氧氣氛。
27．根據(jù)權(quán)利要求25的方法，其中所說方法還包括在所說加熱爐中置入所說硅襯底后，和在所說加熱爐中引入氧氣，并保持所說加熱爐中所說氧化氣氛的壓力在所說預(yù)定壓力之前，向所說加熱爐中引入一種或多種不產(chǎn)生氧化的氣體。
28．根據(jù)權(quán)利要求25的方法，其中一直保持所說加熱爐中氣氛的壓力高于所說預(yù)定壓力，直到所說硅襯底的溫度基本降低到室溫。
29．根據(jù)權(quán)利要求25的方法，其中在形成所說氧化硅膜時(shí)，通過只調(diào)節(jié)所說預(yù)定分壓，而不改變所說預(yù)定溫度和所說預(yù)定時(shí)間，將形成于所說硅襯底上的所說氧化硅膜的厚度控制在要求值。
30．根據(jù)權(quán)利要求25的方法，其中所說預(yù)定壓力在10-700乇范圍內(nèi)，所說預(yù)定溫度在900-1200℃范圍內(nèi)。
31．根據(jù)權(quán)利要求25的方法，其中所說預(yù)定壓力約為50乇，高于所說預(yù)定壓力的所說壓力約為100乇，所說預(yù)定溫度約為1000℃，所說預(yù)定時(shí)間約為30秒。
32．根據(jù)權(quán)利要求25的方法，其中不產(chǎn)生氧化的所說一種或多種氣體選自氮、氦、氬、和氫。
33．根據(jù)權(quán)利要求25的方法，其中所說氧化硅膜是MOS晶體管的柵氧化物膜。
全文摘要
一種通過氧化襯底制造如MOS晶體管的柵氧化物膜的很薄氧化物膜的方法,該方法可以精確且容易地控制氧化物膜的厚度為所要求的值。該方法包括通過調(diào)節(jié)所說含氧氣氛中氧的分壓而不改變所說襯底的氧化溫度和所說襯底的氧化時(shí)間,來控制要形成的氧化物膜的厚度?；蛘?該方法可包括通過只調(diào)節(jié)氧化氣氛的壓力而不改變所說襯底的氧化溫度和所說襯底的氧化時(shí)間,來控制要形成的氧化物膜的厚度。
文檔編號(hào)H01L21/316GK1236980SQ99105880
公開日1999年12月1日 申請日期1999年4月22日 優(yōu)先權(quán)日1998年4月24日
發(fā)明者安藤公一 申請人:日本電氣株式會(huì)社