专利名称：一种超薄闸极氧化层及其成长方法
技术领域：
本发明关于一种半导体制作方法，特别涉及一种硅基超薄闸极氧化层及其成长方法。
背景技术：
自从20世纪80年代以来，金属氧化物半导体(Metal Oxide Semiconductor，MOS)晶体管的闸极主要由硅材料来制作。然而，随着集成电路元件尺寸不断缩小，对闸极氧化层的质量要求越来越严格，使得关于超薄闸极氧化层制造方法的研究迅速地发展起来。目前，硅基金属氧化物半导体制造方法主要有快速热氧化法(Rapid Thermal Oxidation)、氮掺杂氧化法(NitridedOxidation)、液相沉积法(Liquid Phase Deposition)以及阳极氧化法(AnodicOxidation)等。其中，阳极氧化法成长的闸极氧化层比其它方法所形成的氧化层具有更高均匀性。
传统阳极氧化法成长氧化层技术，通常以去离子水或稀酸为电解液，以Pt为阴极，硅芯片为阳极，对硅芯片阳极氧化形成氧化硅薄膜。1998年4月7日公告的美国第5,736,454号专利提供一种采用纯水阳极氧化法在硅基底上制造二氧化硅薄膜的方法。该方法包括以下步骤以硅基底为阳极，在室温下发生电解反应，在硅基底上形成二氧化硅薄膜；将硅基底移除电解液；在惰性气体氛围，700℃～1000℃温度下，加热该基底一段时间，以使二氧化硅薄膜密度增加。请参阅图1，为用于该方法的电解反应系统示意图。该系统包括一电解槽1；一程控电源2；一程控静电计3；以及监控程控电源2和程控静电计3的计算机4。在电解槽1内盛有纯水作为电解液5，并有一铂金属片作阴极6，一芯片作阳极7，其浸入纯水电解液5中。电解反应时，电流密度为1～100μA/cm2，且以10μA/cm2为佳。该方法形成的闸极氧化层有较少孔洞和较佳厚度均匀性。但由于电解时在纯水电解液中电场分布不均匀，使闸极氧化层均匀度很难获得进一步提高，同时造成闸极氧化层漏电流增加。
2001年10月11日公告的中国台湾第089102658号专利提供一种闸极氧化膜的制造方法，包括如下步骤真空中加热半导体基板，以去除自然氧化膜；通过含有氧等离子体解离气体所产生的氧自由基氧化该半导体基板；停止供应氧自由基；然后在氧分子气氛中进行热处理。该方法以含氧等离子体解离气体作为氧化气氛，通过控制等离子体能量，来控制厚度方向的氧化，以控制氧化膜厚度。而水平方向的氧化反应是由含氧分子气氛所进行，并由其改善氧化膜密度，形成具良好控制性，小于3nm的超薄膜。但是，该制造方法所用设备复杂，操作条件严苛，并且等离子体氧化难以提高氧化膜的均匀性，影响闸极氧化膜的品质。
有鉴于此，提供一种均匀性更高、漏电流低的闸极氧化层及其成长方法实为必要。
发明内容为克服现有技术中所形成的闸极氧化层均匀性难以提高，且漏电流较高等不足，本发明的目的在于提供一种均匀性更高、漏电流低的超薄闸极氧化层。
本发明的另一目的在于提供成长上述超薄闸极氧化层的方法。
为实现上述第一个目的，本发明提供一种超薄闸极氧化层；其包括一多孔二氧化硅薄膜，该多孔二氧化硅薄膜具有均匀一致的厚度和孔洞。
而且，所述的多孔二氧化硅薄膜厚度范围为1纳米～3纳米。
所述多孔二氧化硅薄膜的孔洞密度为1011个/cm2～1.5×1012个/cm2。
所述多孔二氧化硅薄膜的孔洞直径为5纳米～20纳米。
为实现上述第二个目的，本发明提供一种成长超薄闸极氧化层的方法，其包括以下步骤提供一硅芯片；将硅芯片置入电解液中，以其为阳极，并以铂为阴极；采用直流电叠加一固定频率交流电为电源，在硅芯片上阳极氧化形成超薄闸极氧化层。
而且，所述电解液采用去离子水或稀酸。
所述电源通电过程中保持电流密度恒定，所采用电流密度范围为5～500μA/cm2，且以10～50μA/cm2为佳。
所述硅芯片采用p型多晶硅片。
所述直流电叠加一固定频率交流电通过直流叠加脉冲电源或单相交直流叠加电源来实现。
另外，还可进一步对形成的超薄闸极氧化层进行热处理。
与现有技术相比，本发明采用直流叠加交流阳极氧化法成长超薄闸极氧化层，通过在阳极氧化直流电压上叠加固定频率的交流电，来调节电解液中离子迁移速率和方向，使电解液中离子获得重新分布的机会，从而有效改善电解液中电场不均匀分布现象，提高厚度均匀性和孔洞密度，最终获得均匀性更佳、漏电流低的超薄闸极氧化层。
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
图1是现有技术中成长超薄闸极氧化层的电解系统示意图。
图2是本发明的成长超薄闸极氧化层的电解系统示意图。
图3A～3C是本发明的成长超薄闸极氧化层的电解原理示意图。
具体实施方式请参阅图2，为用于成长超薄闸极氧化层的电解系统示意图。该电解系统10包括一电解槽11，其内盛有电解液12；一阳极13；一阴极14；一电源15，其可供应整个系统的电源；一静电发生器16，其提供范围可调的静电压，如0～60V，并且可提供恒定电压或恒定电流密度；以及一交流发生器17，其提供固定频率、振幅范围小的交流电。其中，电解液12采用去离子水或稀酸。阳极13采用硅芯片，并根据需要将其全部或部分浸入电解液12中，而阴极14采用铂金属片。在电解系统10中，静电发生器16与交流发生器17的联接方式可采用并联或串联方式，给电解槽11同时供电，发生电解反应。电解过程中，去离子水被离解成H+与OH-，然后在电场作用下分别迁移至阴阳极，相应地在铂阴极14和硅芯片阳极13上发生如下电极反应阴极反应阳极反应结果，在硅芯片上阳极氧化形成多孔二氧化硅薄膜，即为闸极氧化层(图未示)，因而电解液12中OH-对闸极氧化层的形成具有较大影响。
结合上述装置，说明本发明所提供的成长超薄闸极氧化层的方法，其包括以下步骤(1)提供一硅芯片。该硅芯片可选自p型多晶硅片等材质，然后对其进行抛光处理和热处理，去除自然氧化层并获得平滑表面，以利于后期阳极氧化处理。
(2)将硅芯片置入电解液12中，以其为阳极13，并以铂为阴极14。本实施例采用去离子水为电解液12，即将经步骤(1)处理后的硅芯片置入去离子水中，作为电解反应的阳极13，而阴极14采用铂金属片。根据需要，硅芯片可全部或部分浸入去离子水中。
(3)通电，在硅芯片上阳极氧化形成超薄闸极氧化层。即将阳极13与阴极14接通电源，对硅芯片进行阳极氧化处理，在其表面成长超薄二氧化硅薄膜。其中，所通的电采用直流电叠加一固定频率的小振幅交流电。该直流电由静电发生器16供应，而固定频率的小振幅交流电由交流发生器17供应。由于电流密度过高时，会增加氧化膜的烧毁率，因而，在本发明的电解过程中，电解反应时保持电流密度恒定，并控制在5～500μA/cm2之间，且以10～50μA/cm2为佳。为实现直流叠加交流电源，采用可控硅调压，在直流电源基础上加脉冲电源，其通断比为2∶1～5∶1；也可采用单相交直流叠加电源，此时，静电发生器16的电压与交流发生器17的最大振幅电压的比例范围可采用2∶1～8∶1。关于交直流叠加电源请参阅涂益川等人在《电镀与涂饰》，V19(2)，2000，13-17，“恒定电流密度下铝合金的硬质阳极氧化”一文相关介绍。
另外，为提高超薄闸极氧化膜层的品质和密度，可对其进一步进行热处理。
通常，当闸极氧化层厚度小于3nm时，如果氧化层的均匀性较差，将出现直接穿遂效应(Direct Tunneling Effect)，导致闸极氧化层漏电流增加。而本发明成长的闸极氧化层为超薄氧化层，膜厚在1～3nm之间。为避免产生上述现象，必须提升氧化层的均匀性。因而，本发明采用直流叠加交流阳极氧化法，通过在阳极氧化时施加的直流电压上叠加一固定频率的小振幅交流电。如此以来，直流电压可以提供阳极氧化时所需能量，而叠加的小振幅交流电则提供离子重新分布机会，以形成均匀性更高的超薄闸极氧化层，降低其漏电流。
请参阅图3A～3C，为本发明的成长超薄闸极氧化层的电解原理示意图。图中横线粗细表示漏电流大小，横线越粗表示漏电流越大，反之亦然。当电解反应发生，在直流电压下，如电压大于1伏时，与传统阳极氧化法相同，在阳极13与阴极14之间出现电场分布不均匀现象，造成电解液12中电场强弱和方向分布也不均匀，因而氢氧根离子18迁移速率和方向不均匀，在电场强的地方，离子迁移速率较快，造成在某些方向上离子迁移较多，因而在硅芯片上相应位置积聚较多氢氧根离子18，使其氧化加剧，如图3A中闸极氧化层19中氧化位置L1和L2所示。如果持续此静电压不变，氧化位置L1和L2的氧化将继续加深，则成为漏电流较为严重场所。当在直流电压上叠加一小振幅交流电后，电压减小至低于1伏，此时，氧化速率相对下降，电场分布发生变化，氢氧根离子18获取重新分布机会，使原先氧化程度较弱位置氧化加深，如图3B中闸极氧化层19氧化位置L3和L4所示。当然，也有电场影响极小的位置，如图中氧化位置L5所示。这样，通过小振幅交流电对直流电的微调作用，来改变整个电解液中电场分布，使氢氧根离子18可获得重新分布的机会，以弥补氧化层的不均匀，最终可获得厚度和孔洞均匀一致的闸极氧化层19(如图3C所示)，其厚度为1纳米～3纳米，孔洞直径为5纳米～20纳米，孔洞密度为1011个/cm2～1.5×1012个/cm2。这种均匀性更佳的氧化层体现出较低漏电流特性。
因此，在本发明提供的成长超薄闸极氧化层的方法中，小振幅的交流电在整个电解过程中对电解液中离子迁移具有微调效应，其不断调整离子迁移速率和方向，使电解液中离子获得重新分布的机会，从而可有效改善电解液中电场不均匀分布现象，最终获得均匀性更佳、低漏电流的闸极氧化层。
权利要求
1.一种超薄闸极氧化层，其包括一多孔二氧化硅薄膜，其特征在于所述多孔二氧化硅薄膜具有均匀一致的厚度和孔洞。
2.如权利要求1所述的超薄闸极氧化层，其特征在于所述多孔二氧化硅薄膜的厚度为1纳米～3纳米。
3.如权利要求1所述的超薄闸极氧化层，其特征在于所述多孔二氧化硅薄膜的孔洞密度为1011个/cm2～1.5×1012个/cm2。
4.如权利要求2或3所述的超薄闸极氧化层，其特征在于所述多孔二氧化硅薄膜的孔洞直径为5纳米～20纳米。
5.一种成长超薄闸极氧化层的方法，其包括以下步骤提供一硅芯片；将硅芯片置入电解液中，以其为阳极，并以铂为阴极；通电，在硅芯片上阳极氧化形成超薄闸极氧化层；其特征在于所通的电采用直流电叠加一固定频率的交流电。
6.如权利要求5所述的成长超薄闸极氧化层的方法，其特征在于所述电解液采用去离子水或稀酸。
7.如权利要求5所述的成长超薄闸极氧化层的方法，其特征在于所述通电过程中保持电流密度恒定。
8.如权利要求7所述的成长超薄闸极氧化层的方法，其特征在于所述通电的电流密度范围为5～500μA/cm2。
9.如权利要求8所述的成长超薄闸极氧化层的方法，其特征在于所述通电的电流密度范围为10～50μA/cm2。
10.如权利要求5所述的成长超薄闸极氧化层的方法，其特征在于所述硅芯片采用p型多晶硅片。
11.如权利要求5至10任一项所述的成长超薄闸极氧化层的方法，其特征在于所述直流电叠加一固定频率的交流电通过直流叠加脉冲电源或单相交直流叠加电源来实现。
12.如权利要求11所述的成长超薄闸极氧化层的方法，其特征在于进一步对形成的超薄闸极氧化层进行热处理。
全文摘要
本发明提供一种超薄闸极氧化层，其包括具有均匀一致的厚度和孔洞的多孔二氧化硅薄膜。本发明还提供成长该超薄闸极氧化层的方法，采用直流叠加交流电阳极氧化法，以去离子水为电解液，在硅芯片上形成超薄闸极氧化层。本发明所提供的超薄闸极氧化层采用直流叠加交流电阳极氧化法，通过在阳极氧化的直流电上叠加固定频率的交流电，来调节电解液中电场分布情况，使电解液中离子获得重新分布机会，最终获得均匀性更佳、具有低漏电流的超薄闸极氧化层。该方法可广泛应用于制造各种金属氧化物半导体。
文档编号H01L29/78GK1794426SQ20041009187
公开日2006年6月28日 申请日期2004年12月25日 优先权日2004年12月25日
发明者廖伟见, 李欣和 申请人:鸿富锦精密工业(深圳)有限公司, 鸿海精密工业股份有限公司