DE3687732T2

DE3687732T2 - Verfahren um eine hochreine oxydschicht auf einem halbleitersubstrat herzustellen.

Info

Publication number: DE3687732T2
Application number: DE8686113443T
Authority: DE
Inventors: Samuel Emil Blum
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1985-10-10
Filing date: 1986-09-30
Publication date: 1993-08-19
Anticipated expiration: 2006-10-01
Also published as: JPH0640544B2; EP0218177A3; US4674442A; US4606935A; EP0218177B1; EP0218177A2; JPS6286829A; DE3687732D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer hochreinen Oxidschicht auf einem Halbleitersubstrat.
Bei der Fertigung von Halbleitervorrichtungen muß häufig eine isolierende Oxidschicht auf einem Halbleitersubstrat vorgesehen werden. Eine Möglichkeit zur Bildung der Oxidschicht ist die Erwärmung des Substrats in einer oxidierender Atmosphäre in einer Reaktionskammer während einer ausreichenden Zeit und bei ausreichender Temperatur, die genügt, die erwünschte Oxidschicht auszubilden. Ein Problem bei dieser Hochtemperaturoxidierung des Halbleitersubstrats ist die Kontaminierung des Oxids durch Verunreinigungen, die in der oxidierenden Umgebung auftretend, einschließlich der Metallverunreinigungen, die vom Ofen zur Erwärmung der umgebenden Atmosphäre durch die Wände der Reaktionskammer eindiffundieren.
Bekanntlich kann die Kontaminierung des Halbleitersubstrats mit Alkalimetallen und Übergangsmetallen schädlich sein. Solche schädlichen Wirkungen, die durch verschiedene Alkalimetallverunreinigungen und/oder Übergangsmetallverunreinigungen hervorgerufen werden, sind u. a. Verkürzung der Lebenszeit von Minoritätsträgern, Erhöhung der Sperrschichtdurchlässigkeit, und Verschiebungen in der Flachbandspannung.
In der GB-A-2082384 wurde vorgeschlagen eine HCl-Schutzatmosphäre in einer äußeren Kammer um die Reaktionskammer herum vorzusehen, um Metallverunreinigungen auszuschließen. Diese Technik war jedoch nicht völlig zufriedenstellend, weil es sich herausstellte, daß eine Neigung zur Kontaminierung durch Wasser oder Feuchtigkeit im Zusammenhang mit der Halogenatmosphäre oder durch Reaktionsprodukte mit dem Halogen besteht.
Die vorliegende Erfindung ist bestrebt, ein Verfahren bereitzustellen, das zu geringerer Kontaminierung der Oxidschicht führt. Sie sieht ein Verfahren zur Herstellung einer hochreinen Oxidschicht auf einem Halbleitersubstrat vor, wobei das Verfahren das gleichzeitige Ausführen der folgenden Arbeitsgänge umfaßt:
(a) ein Substrat, das innerhalb der Innenwand einer dreiwandigen Reaktionskammer mit je voneinander beabstandeter Innenwand, Zwischenwand und Außenwand angeordnet ist, wird erhitzt,
(b) über das Substrat wird eine oxidierende Atmosphäre gerichtet,
(c) durch den Raum zwischen Außenwand und Zwischenwand der Kammer wird eine halogenhaltige Atmosphäre geleitet,
(d) durch den Raum zwischen Zwischenwand und Innenwand der Kammer wird eine gasförmige, wasserentfernende Atmosphäre geleitet.
Jetzt soll die Durchführung der Erfindung anhand der begleitenden Zeichnung, die eine schematische Darstellung einer Reaktionskammer ist, beispielhaft beschrieben werden.
Nehmen wir jetzt Bezug auf die Zeichnung: Eine mit einer dreifachen Wand versehene Reaktionskammer 1 ist in der Form eines Ringrohrs ausgebildet, das vorzugsweise aus hochreinem, glasartigem Kieselmaterial besteht. Dieses hochreine, glasartige Kieselrohr schließt einen inneren Wandteil 2, einen äußeren, zylindrischen Wandteil 4, und einen zylindrischen Zwischenwandteil 3 ein. Der innere Wandteil 2 weist bei 5 und 6 an jedem Ende jeweils eine Öffnung auf und definiert einen Kernabschnitt 7. Im Kernabschnitt 7 sind die Halbleitersubstrate 8 eingeschoben, die einer oxidierenden Umgebung ausgesetzt werden sollen. Bevorzugte Substrate sind Silizium-Wafers. Diese Wafers werden auf geeignete Weise gehalten, so daß die zu oxidierenden Hauptflächen frei bleiben. Der Zwischenwandteil 3 ist an beiden Enden mit dem inneren Wandteil 2 dicht verbunden, so daß er einen ringförmiger Abschnitt 9 bildet, der durch den Innenwandteil 2 gegen den Reaktionskammerabschnitt 7 vollständig isoliert ist. Der äußere Wandteil 4 ist an beiden Enden mit dem Zwischenwandteil 3 dicht verbunden, so daß er einen ringförmiger Abschnitt 10 bildet, der durch den Zwischenwandteil 3 gegen den Zwischenteil 9 vollständig isoliert ist.
Typische Abmessungen beinhalten einen Innendurchmesser von etwa 5 cm bis etwa 25 cm für den inneren Kernabschnitt, einen Abstand von etwa 1 bis etwa 2 cm zwischen den beiden Wänden im ringförmigen Zwischenabschnitt, und etwa 1 bis etwa 2 cm zwischen den zwei Wänden entlang dem ringförmigen äußeren Rohrabschnitt. Wanddicken von etwa 2 bis etwa 5 mm und eine Länge von etwa 1,3 m bis etwa 3 m sind typisch.
Um die Reaktionskammer 1 ist ein Hitzeschild 11 angebracht z. B. aus Aluminiumsilikatkeramik, wie es unter dem Handelsnamen Mullite, Alumina oder Zirkonia erhältlich ist. Dieses Hitzeschild dient zum Ausgleichen des Temperaturprofils und zum Abschirmen des Quarzrohrs gegen die Widerstandsheizwicklungen 12, die in Schlitzen im keramischen Heizungshalter 13 liegen. Das Hitzeschild ist nicht notwendig, aber erwünscht, und der Außenwand- und der Zwischenwandteil können die Aufgaben des Hitzeschilds ausreichend übernehmen.
Zusätzlich sind Vorkehrungen getroffen, einen Heizstrom (nicht gezeigt) in die Wicklung 12 einzuspeisen. Ebenfalls nicht gezeigt sind die verschiedenen Thermoelemente, die als Teil der Temperaturregelung vorgesehen sind oder sein können.
Ein Oxidiermittel wird der Länge nach durch den inneren Kern und an den Substraten vorbei geschickt, wobei dieses Oxidiermittel durch die Öffnung 5 eintritt und durch die Öffnung 6 austritt. Dieses Oxidiermittel besteht vorzugsweise aus trockenem Sauerstoffgas und/oder sauerstoffhaltigen, trockenen Gasgemischen wie trockene Luft und trockene Gemische mit Verdünnungsgasen wie Stickstoff und Argon. Wenn sauerstoffhaltige Gemische eingesetzt werden, müssen sie mindestens etwa 10 Vol.% und vorzugsweise etwa 20 Vol.% Sauerstoff enthalten. Das Trockengas muß im wesentlichen wasserfrei sein und typischerweise 10 ppm oder weniger, vorzugsweise höchstens 1 ppm Wasser enthalten.
Um sicherzustellen, daß das oxidierende Gas möglichst trocken und rein ist, sollte das Gas durch einen Molekularsiebfilter geleitet werden, gefolgt von Aufheizen auf 900ºC in einem Ofen, um alle etwa vorhandenen organischen Stoffe zu verbrennen, dann sollte das Gas bei -80ºC durch eine Ausfriertasche geschickt werden, um etwa noch vorhandenes Wasser auszuscheiden.
Die Wafers werden üblicherweise auf einer Temperatur von etwa 800ºC bis etwa 1200ºC, und vorzugsweise von etwa 900ºC bis etwa 1100ºC, gehalten um die Oxidierung zu erreichen, wobei eine typische Temperatur etwa 1000ºC ist. Im Normalfall dauert der Oxidierungsvorgang etwa 15 Minuten bis etwa 3 Stunden und vorzugsweise etwa ½ Stunde bis etwa 1 Stunde, um eine Oxidschichtdicke von etwa 10 nm bis etwa 100 nm bei etwa 1000ºC zu erzeugen. Das Oxidiermittel wird mit einer Strömungsrate von etwa 1 l/min bis etwa 5 l/min durch eine Reaktionskammer mit einem Innendurchmesser des Innenkerns von etwa 7,5 cm bis etwa 10 cm und einer Länge von etwa 2,1 m geschickt.
Eine halogenhaltige Atmosphäre wird durch das äußere, ringförmige Rohr geschickt, tritt durch den Eingang 14 ein und durch den Ausgang 15 aus. Jedes Gasgemisch, das in der Lage ist, Halogen bei der erforderlichen Temperatur zu liefern, kann eingesetzt werden. Beispiele für solche Gasgemische sind HCl in trockenem Sauerstoff und Chlorkohlenwasserstoffe in trockenem Sauerstoff, typische Chlorkohlenwasserstoffe sind u. a. 1,1,1-Trichlorethan, 1,1,2-Trichlorethan, Trichlorethylen und Tetrachlorkohlenstoff, bevorzugt ist 1,1,1-Trichlorethan. Im allgemeinen enthält das Gasgemisch etwa 1 bis 10 Vol.% Halogen und etwa 90 bis 99 Vol.% Sauerstoff, typisch ist etwa 5 Vol.% Halogen und etwa 95 Vol.% Sauerstoff. Natürlich können auch, falls gewünscht, Halogengemische und Sauerstoff eingesetzt werden. Bei Temperaturen von etwa 800ºC bis etwa 1100ºC, typisch etwa 1000ºC, bildet sich Cl&sub2; und/oder abgedunstetes HCl.
Das Chlor und/oder das abgedunstete HCl-Gas reagiert dann mit jedem Alkalimetall oder Übergangsmetall oder sonstigem Metall, das vom Ofen her eindiffundiert und bildet so flüchtige Metallhalogenide. Diese flüchtigen Metallhalogenide werden dann durch das strömende sauerstoffhaltige Gas aus dem äußeren Ringrohr entfernt, wodurch verhindert wird, daß diese Metalle in das inneren Ringrohr und in das Oxidationsrohr eindiffundieren. Das Gasgemisch wird mit einer Rate von etwa 500 cm³/min bis etwa 1500 cm³/min, typisch etwa 750 cm³/min, eingespeist.
Durch das ringförmige Zwischenrohr wird Gas zum Entfernen jedes Wassernebenprodukts aus dem äußeren Ringrohr eingespeist. Das Gas strömt durch den Eingang 16 ein und durch den Ausgang 17 aus. Die Strömungsrate beträgt etwa 500 cm³/min bis etwa 1500 cm³/min, typisch etwa 750 cm³/min. Bevorzugte Gase sind trockene Luft, trockener Sauerstoff, trockener Stickstoff und Gemische daraus. Diese Gase haben üblicherweise Temperaturen von etwa 800ºC bis etwa 1100ºC, typisch etwa 1000ºC. Diese Gase brauchen nicht so trocken zu sein wie die Oxidierungsgase oder der Sauerstoff, der mit dem Halogen eingesetzt wird, sie sollten jedoch erwünschterweise hochrein sein und typisch höchstens 10 ppm Wasser enthalten. Um den gewünschten Trockenheitsgrad sicherzustellen, kann das Gas durch ein Molekularsieb und anschließend bei -80ºC durch eine Ausfriertasche geführt werden.
Das eingesetzte Gas verhindert, daß Wasser, das aus der Reaktion der halogenhaltigen Verbindung mit dem Sauerstoff stammt um im äußeren Ringrohr das Chlor zu bilden, in das Oxidierungsrohr eindiffundiert. Das stellt einen trockenen Oxidationsprozeß sicher.
In einem typischen Beispiel werden Silizium-Wafers in eine Reaktionskammer mit einem inneren Kernteil mit einem Innendurchmesser von etwa 7,5 bis 10 cm und einer Länge von etwa 2,1 m eingebracht. Die Wafers werden auf eine Temperatur von 1000ºC aufgeheizt. Trockenes Sauerstoffgas wird mit einer Strömungsrate von etwa 1 bis etwa 5 Liter/Minute für etwa 1 Stunde durch die Kammer geschickt. Gleichzeitig wird ein Gemisch von etwa 5 Vol.% 1,1,1-Trichlorethan und etwa 95 Vol.% Sauerstoff bei einer Temperatur von etwa 1000ºC mit einer Strömungsrate von etwa 750 cm³/min durch den äußeren Rohrabschnitt geschickt. Ebenfalls gleichzeitig wird trockener Sauerstoff mit einer Temperatur von etwa 1000ºCund einer Strömungsrate von etwa 750 cm³/min durch das ringförmige Zwischenrohr geschickt.
Auf diese Weise behandelte Wafers wurden auf Durchschlagsspannung-Feldzusammenbruch geprüft und zeigten verbesserte Ergebnisse. Typisch ist die Durchschlagsfeldspannung von etwa 9·10&sup6; V/cm mit wenig Niederspannungsdurchschlägen. Die erhaltenen Werte waren verhältnismäßig eng gestreut.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer hochreinen Oxidschicht auf einem Halbleitersubstrat, wobei das verfahren das gleichzeitige Ausführen der folgenden Arbeitsvorgänge umfaßt:

(a) ein Substrat (8), das innerhalb der Innenwand (2) einer dreiwandigen Reaktionskammer mit je voneinander beabstandeter Innenwand, Zwischenwand und Außenwand (2, 3, 4) angeordnet ist, wird erhitzt

(b) über das Substrat wird eine oxidierende Atmosphäre gerichtet,

(c) durch den Raum zwischen Außenwand (4) und Zwischenwand (3) der Kammer wird eine halogenhaltige Atmosphäre geleitet,

(d) durch den Raum zwischen Zwischenwand (3) und Innenwand (2) der Kammer wird eine gasförmige, wasserentfernende Atmosphäre geleitet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Substrat auf eine Temperatur von etwa 800ºC bis etwa 1200ºC erhitzt wird.

3. verfahren nach Anspruch 2, bei welchem das Substrat auf eine Temperatur von etwa 900ºC bis etwa 1100ºC erhitzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem das Substrat auf eine Temperatur von etwa 1000ºC erhitzt wird.

5. verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, bei welchem die oxidierende Atmosphäre ein trockenes, sauerstoffhaltiges Gas ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem das trockene, sauerstoffhaltige Gas trockener Sauerstoff ist.

7. Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem das trockene, sauerstoffhaltige Gas eine Mischung aus trockenem Sauerstoff mit einem Verdünnungsgas ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei welchem diese Mischung trockene Luft ist.

9. Verfahren nach Anspruch 7, bei welchem das Verdünnungsgas Stickstoff oder Argon ist.

10. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, bei welchem sich die halogenhaltige Atmosphäre auf einer Temperatur von etwa 800ºC bis 1100ºC befindet.

11. Verfahren nach Anspruch 10, bei welchem sich die halogenhaltige Atmosphäre auf einer Temperatur von etwa 1000ºC befindet.

12. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, bei welchem die hologenhaltige Atmosphäre eine Mischung aus trockenem Sauerstoff und aus einem halogenhaltigen Gas ist.

13. Verfahren nach Anspruch 12, bei welchem das halogenhaltige Gas HCl oder ein chlorierter Kohlenwasserstoff ist.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, bei welchem die halogenhaltige Atmosphäre etwa 90 Vol.% bis etwa 99 Vol.% Sauerstoff und etwa 1 Vol.% bis etwa 10 Vol.% eines halogenhaltigen Gases enthält.

15. Verfahren nach Anspruch 14, bei welchem das halogenhaltige Gas 1,1,1 Trichlorethan ist.

16. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, bei welchem das Substrat ein Siliziumsubstrat ist.

17. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, bei welchem die gasförmige, wasserentfernende Atmosphäre trockene Luft, trockener Sauerstoff oder trockener Stickstoff ist.

18. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, bei welchem sich die gasförmige, wasserentfernende Atmosphäre auf einer Temperatur von etwa 800ºC bis 1100ºC befindet.

19. Verfahren nach Anspruch 18, bei welchem sich die gasförmige, wasserentfernende Atmosphäre auf einer Temperatur von etwa 1000ºC befindet.