DD298329A5 - Verfahren zur herstellung von sio tief 2-schichten mit guten durchbruchseigenschaften - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren der thermischen Oxidation von Silizium, bei welchem die Durchbruchsfestigkeit von Oxiden 100 nm verbessert wird. Anwendungsgebiet ist die Halbleitertechnik. Erfindungsgemaesz wird zunaechst im Temperaturbereich zwischen 950-1 050C in feuchter Atmosphaere mit einem Wasseranteil 10% ein Teil des Oxides erzeugt, in einem zweiten Prozeszschritt wird bei Temperaturen 1 000C die gewuenschte Oxiddicke erreicht.{Halbleitertechnik; Oxidation, thermisch; Silizium; Durchbruchsfestigkeit; Oxide, dick; Prozesztemperatur; Atmosphaere, feucht}

Description

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Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren der thermischen Oxidation von Silizium, bei welchem durch eine geeignete Prozeßführung die Durchbruchsfestigkeit von Oxiden > 100 nm verbessert werden kann. Anwendungsgebiet ist die Technologie zur Herstellung von Halbleiterbauelementen auf Silizium-Basis.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Mit zunehmendem Integrationsgrad in der Halbleitertechnik und den damit verbundenen Forderungen nach dünnen Oxiden höchster Qualität rückten in jüngster Zeit wieder verstärkt Untersuchungen zum Durchbruchsverhalten von SiO₂-Schichten und dessen Beeinflussung durch die Technologie in den Vordergrund. Oxide und Schichtdicken 2: 100nm wurden dagegen relativ wenig betrachtet bzw. die an diese Oxide gestellten Qualitätsanforderungen - für die Durchbruchsfeldstärke werden z. B. für Oxide zu Isolationszwecken Forderungen von a 5 MV/cm gestellt-waren im Rahmen der üblichen Technologie problemlos zu gewährleisten. Sofern in diesem Zusammenhang überhaupt Änderungen der Technologie vorgenommen wurden, bezogen sich diese auf Verringerung der Temperatur-Zeit-Belastung der Oxidationsprozesse. So wurde z. B. die Hochdruckoxidation zur Herstellung von Feld- und Isolationsoxiden eingeführt. Für bestimmte Anwendungen werden allerdings zunehmend auch SiOi-Schichten > 100 nm mit bestmöglichen Durchbruchseigenschaften gefordert. Im allgemeinen wird zur Erzielung hoher Durchbruchsfeldstärken auf eine Oxidation bei hohen Prozeßtemperaturen und in feuchter Atmosphäre orientiert, woboi eine möglichst verunreinigungsfreie Einschritt-Prozeßführung angestrebt wird.

Um einen sauberen Prozeß zu sichern, ist neben einer geeigneten Reinigung der Substrate der Einsatz Cl-haltiger Komponenten, überwiegend HCL, zum Spülen der Arbeitsrohre und während des Oxidationsprozesses selbst üblich.

Die Verwendung hoher Prozeßtemperaturen und/oder feuchter Prozeßatmosohäre l'ührt jedoch bei der Herstellung sehr dünner Oxide in Verbindung mit Höchstintegration zu Problemen.

Hier werden zum einen geringe Temperatur-Zeit-Belastungen gefordert, was die Verwendung hoher Prozeßtemperaturen einschränkt, zum anderen laufen Oxidationsprozesse bei hohen Temperaturen in Feuchtatmosphäre mit großer Oxidationsrate ab, d. h. die Prozeßzeit wird sehr kurz. Das führt bei Verwendung der konventionellen thermischen Oxidation in Rohrreaktoron zu Schichtinhomogenitäten, die sich ihrerseits u.a. in unakzeptablen Streuungen der Durchbruchsfeldstärke über die Substrate äußern. Zur Lösung dieser Probleme wurden verschiedene Varianten von 2-Schritt-Oxidationen vorgeschlagen, die sich im wesentlichen in zwei Gruppen einteilen lassen:

1. Erzeugung der gewünschten Oxiddicke bei einer Temperatur, bei welcher sich eine ausreichende Schichthomogenität realisieren läßt und anschließende Temperung bei einer höheren Temperatur in Inertatmosphäre oder in schwach oxidierender Atmosphäre

(Beispiel: Hashimoto, Muramoto, Shiona, J. EL. Soc. 127 (1980) 1,129

1. Oxidation: 1000⁰C, O₂tr.+ 3% HCI. (350A)

2. Temperung: 1150⁰C,N₂,0₂,3%HCL(290min)(geringerOxiddickenzuwachs)

2. Oxidation mit Zwischentempern, d. h. die Oxidation erfolgt bei relativ niedriger Prozeßtemperatur.

Nachdem etwa die Hälfte der gewünschten Oxiddicke erreicht ist, wird eine Temperung in Inertatmosphäre bei hoher Temperatur durchgeführt, anschließend wird die Oxidation bei der ersten Temperatur iu Ende geführt. (Beispiel: Shattacharva, Vorst., J. EL. Soc. 132 (1988) 8,1900)

1. Oxidation 900-950 "C, O₂ tr. (30-40 A)

+ 2. Temperung 1 050⁰C, N₂,1 h

+ 3. Weiterführung der Oxidation 900-950 ⁰C, O₂ tr., weitere 30-40 A, Zieloxiddicke ca. 80 A)

Im ΓΡ 82993 wird eine etwas abweichende Variante vorgeschlagen: Zunächst wird bei relativ niedriger Temperatur zwischen 70O-9OO°C eine sehr dünne Oxidschicht s 1 nm in O₂/HCL-Atmosphäre

erzeugt, anschließend wird die Temperatur erhöht und die eigentliche Oxidation bei 880-1050°C in O₂ trocken (ca. 50 nm)durchgeführt.

Der eigentliche Tempereffekt fehlt hier. Die hier vorgeschlagenen Verfahrensweisen dienen in erster Linie dazu, Kontaminationen, insbesondere durch Alkali-Ionen, im Oxid weitgehend zu vermeiden bzw. unschädlich zu machen und eine Möglichkeit zu bieten, eine Hochtemperaturbehandlung

d6r Substrate zuzulassen, ohne die Schichthomogenität zu beeinträchtigen.

Eine echte Erhöhung der Durchbruchsspannung ist aus keiner dor angegebenen Verfahrensweisen ersichtli h. Reduziert wurden in erster Linie defektbezogene Frühdurchbrüche sowie die durch Schichtdickeninhomogenitäten bewirkten Streuungen der Durchbruchswerte. Ziel der Erfindung Das Ziel der Erfindung besteht in der Herstellung von Oxidschichten > 100nm mit einer geeigneten Prozeßführung. Darlegung des Wesens der Erfindung Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mittels thermischer Oxidation Oxidschichten > 100 π,η mit hohen ' Durchbruchsspannungen herzustellen. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß zunächst im vorwiegend grenzflächengestouerten Oxidationsregime

für Schichtdicken zwischen ca. 50-150nm weitgehend spannungsfrei, d.h. im Temperaturbereich zwischen 950-1050⁰C, einhomogenes Oxid erzeugt wird. Zur Verbesserung des Durchbruchsverhaltens wird in feuchter Atmosphäre mit 1-10%

Wasseranteil gearbeitet. Der Zusatz von HCL ist möglich, aber nicht unbedingt erforderlich, wenn saubere Substrate und eine

saubere Ausrüstung gewährleistet werden können.

Im diffusionsgesteuerten Oxidationsregime kann anschließend mit Prozeßbedingungen gearbeitet werden, welche vor allem

unter dem Geschichtspunkt einer hohen Oxidationsrate festgelegt werden, d. h. hohe Oxidationstemperaturen und/oder

Feuchtatmosphäre mit bis zu 100% Wasseranteil (Dampfoxidation). Als günstig hat sich erwiesen, sowohl die Prozeßtemperatur als auch den Wassergehalt der Prozeßatmosphäre anzuheben. Ausführungsbeispiel Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden. Die Figur 1 erläutert die erfindungsgemäße Prozeßführung. Es soll eine Oxidschicht mit einer Dicke von 400nm hergestellt werden. ' Der 1. Oxidationsschritt erfolgt bei einer Temperatur von 1000⁰C. In einer Atmosphäre aus Sauerstoff, 5% Wasseranteil und 3% HCL wird eine Oxidschicht von 100nm erzeugt. Bei einer Temperatur von 1100⁰C wird in einer Wasserdampfatmosphäre anschließend in einem 2. Oxidationsschritt eine Oxidschicht dox_ggl = 400 nm hergestellt. Diese Oxidschicht weist eine Durchbruchsspannung von 7,9 ± 0,3 MV/cm auf.

Claims (3)

1. Verfahren zur Herstellung von SiO2-Schichten mit guten Durchbruchseigenschaften mittels thermischer Oxidation, wobei die SiO₂-Schichten so dick sind, daß über den linearen Oxidationsbereich hinaus (grenzflächengesteuert) im parabolischen Oxidationsbereich (diffusionsgesteuert) gearbeitet wird, gekennzeichnet dadurch, daß die Oxidation mindestens in dem Schichtdickenbereich, in welchem sie überwiegend grenzflächengesteuert abläuft, im Temperaturbereich zwischen 950°C-1050^cC in Sauerstoffatmosphäre mit einem Wasseranteil von 1-10% und/oder einem Anteil von 2-5% HCL erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Oxidation für Schichtdicken von 50-150 nm erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß bei Zielschichten > 150 nm, d. h. im vorwiegend diffusionsgesteuerten Bereich, nach Erreichen von 50-100 nm höherer Temperatur und/oder höherem Wasseranteil, gearbeitet wird.