专利名称：在半导体衬底上制造具有高质量氧化膜的半导体器件的方法
技术领域：
本发明涉及一种在半导体衬底上形成有氧化膜的半导体器件的制造方法。
近来在制造较精细结构的半导体器件上的进展，使得栅氧化膜可以做得更薄，但如果这时在结晶硅衬底的表面附近或表面上有重金属和粒子，则在其上形成的氧化膜在显微情况下将有不同的组分。包含的重金属和粒子会妨碍形成均匀的氧化膜，劣化栅氧化膜的绝缘特性。结果，降低半导体的产量。有鉴于此，需要在制造工序中改进清洁技术。
这样的清洁技术，有在干氢气氛中清洁半导体衬底表面的常规方法(例如，Tokkaihei 4-68526，即日本未审专利公开68526/1992)。稍后要说明，常规方法的缺点在于它不能通过清洁在半导体衬底和邻近区域的表面质量取得充分的进步和充分的净化。在半导体衬底的表面上可形成高质量的目的氧化膜。
因此，本发明的目的是要在半导体衬底上提供有高质量目的氧化膜的半导体器件的制造方法。
本发明的另一目的是要提供制造高质量目的氧化膜的方法，此法可以改进半导体衬底和邻近区域的表面质量，而不会在半导体衬底表面上出现微观粗糙性和被重金属污染。
本发明的其他目的随着本发明的说明将变得清楚。
说明了本发明的要点后，就可以理解这种半导体器件，即包括具有主平面的半导体衬底和其上有目的氧化膜的器件的制造方法。
根据本发明，上述方法包括在氧化气氛中将该半导体衬底热处理一段预定时间，以在主表面上形成临时氧化膜；将半导体衬底上形成有临时氧化膜的半导体衬底放入还原气氛中，以除去临时氧化膜露出作为半导体衬底外露表面的半导体衬底；以及在该半导体衬底外露表面上形成目的氧化膜。
氧化气氛最好具有不高于5％的氧分压。
热处理最好在不低于950℃的温度下进行。
预定的热处理时间最好不少于40分钟。
还原气氛最好主要包含氢气。
上述热处理步骤、除去临时氧化膜步骤及形成目的氧化膜步骤最好在同一炉子里进行。
图1用以说明清洁硅圆片用的常规方法的视图；图2用以说明按本发明第一实施例制造半导体器件的方法的视图；图3A至3E说明图2方法各顺序步骤中的半导体器件的截面视图；图4用以说明按本发明第二实施例制造半导体器件方法的视图；图5用以说明按本发明第三实施例制造半导体器件方法的视图；图6是一幅在本发明第一实施例和常规方法所得的栅氧化物的Qbd值的Weibull分布图；以及图7说明本发明第一、第二和第三实施例及常规方法中硅圆片表面的平均粗糙度(Ra)。
参看图1，为更好理解本发明，先说明常规方法。这种方法等价于本说明书前序部分所描述的常规方法。该方法中在干氢气氛中清洁圆片表面，首先，以惰性气氛(N2)充入炉中，在保持这种气氛下将硅圆片引入炉中，之后炉里的气氛为氢气氛所替换，以用氢清洁硅圆片的表面。在这步骤中，将炉里的温度升高到400和1000℃之间，以促进清洁效果。随后，以该惰性气氛代替氢气氛，在可以取得所需膜(例如图1例子中于湿氧化气氛中形成热氧化膜)的条件下进行薄膜形成步骤。在该方法中，薄膜形成步骤是在清洁步骤后在同一炉子中以氢气氛进行的。因此，无需将硅圆片移出炉外，故可减少由粒子和重金属引起的污染的可能性。
但在上述常规方法中，各步骤是在惰性气氛或氢气氛中进行的。这意味着硅圆片的表面直接外露于还原气氛中。结果，硅圆片的表面被还原，使得在表面上微观粗糙度增加了。另外，在例如氢气氛的还原气氛中进行热处理期间，炉子材料被还原，使炉子材料中所含的重金属在气氛中被混合。在上述常规技术中，硅圆片表面在这阶段不为氧化膜等所覆盖，因而这种重金属被吸引到硅圆片表面。这就难以实现充分的净化。粗糙度的增加和组分因污染引起的变化及不均匀性会劣化栅氧化膜的特性，导致制造半导体器件产量的降低。如上所述，常规技术的缺点在于它不能在硅圆片和邻近区域表面质量上取得充分的改进，及用清洁方法取得充分的净化。
下面要说明按本发明制造半导体器件的方法原理。
将例如硅圆片的半导体衬底引入热处理炉中，并在950℃以上的温度下于弱氧化气氛中进行高温热处理，以促进存在于硅圆片表面上的损伤、氧的外扩散及微缺陷的恢复能力。结果，在硅圆片上形成临时氧化膜。之后，为除去在硅圆片上形成的临时氧化膜，改用含氢的还原气氛，并降低温度。在这些条件下，硅圆片上的临时氧化膜被蚀刻和除去。最后在所需温度下形成目的氧化膜(例如栅氧化膜)。
更具体地说，炉子充以弱氧化气氛(干氢含量不大于5％的混合率)。将硅圆片引入炉中。这里，之所以使用弱氧化气氛，是因为在充以惰性气体或只有氢气时进行热处理会使硅圆片表面粗糙。之后，保持弱氧化气氛不变提高炉中的温度。这样，就可得到950℃以上的弱氧化气氛的高温，并将其维持至少40分钟。通过维持950℃温度下至少40分钟，可促进出现在硅圆片表面的缺陷向外扩散，并修复器件损伤以取得无缺陷薄层。通过保持弱氧化气氛，在硅圆片上形成临时氧化膜，防止表面粗糙化。如使用强氧化气氛，临时氧化膜厚度增加，禁止缺陷向外扩散。接着，在含氢的还原气氛中进行热处理，条件是，在形成目的氧化膜(栅氧化膜)前，具有上述温度和时间的高温弱氧化气氛中形成的临时氧化膜可被蚀刻和除去。在含氢的还原气氛中的热处理期间，粒子、重金属被除去，连同临时氧在膜被还原和蚀刻。这样，就清洁了硅圆片。在临时氧化膜完全除去时，即停止供应氢气。然后，改变炉中的温度和气氛，使得目的氧化膜(栅氧化膜)能按需要制得。从完全除去表面上所形成的临时氧化膜至目的氧化膜(栅氧化膜)开始形成所需时间不超过5分钟。换而言之，在目的氧化膜(栅氧化膜)形成前，表面立即覆盖以临时氧化膜。因此可防止在硅圆片表面上变成粗糙，并防止粒子和重金属的污染。经过上述一系列步骤后，可将硅圆片部分修改成无缺陷薄层。因此，可形成高质量的栅氧化膜而不受微显粗糙或污染的有害影响。
参看附图中，说明书将说明本发明的一些最佳实施例。
图2是本发明第一实施例方法的加热顺序。图3A至3E是形成栅氧化膜的连续步骤中的硅圆片截面图。
参看图2和图3A至3E以顺序说明这种工序。在用化学药品洗净6英寸P型硅圆片1后，在其表面附近处含有微缺陷，且在其表面出现少许重金属污染3，如图3A所示。将硅圆片1送入维持在900℃温度下的弱干氧化气氛(具有2％的氧分压)中。之后，温度以8℃/分的速率上升至1100℃。保持弱氧化气氛且将硅圆片送入炉中时，在硅圆片1上形成临时氧化膜4，如图3B所示，以使硅圆片表面防止粗糙化或损伤。保持弱氧化气氛(具有2％氧分压)，将硅圆片1在1000℃下退火1小时。这种退火引起硅圆片1表面附近的微缺陷2向外扩散，以形成如图3C所示的无缺陷层5。在这热处理期间，在硅圆片1表面上形成厚度为22nm的氧化膜4。重金属污染3被限制在氧化膜4中，然后，以100％氢气氛代替弱氧化气氛，且使温度以4℃/分的速率由1100℃下降至800℃。在这种条件下，在硅圆片1上所形成的氧化膜4与重金属污染物3一起被除去，以清洁硅圆片1表面，如图3D所示。之后，以水蒸汽气氛代替氢气氛，在800℃下形成栅氧化膜6(目的氧化膜)，如图3E所示。这种栅氧化膜具有高的电绝缘电压。
图4为本发明第二实施例方法中的加热顺序。参看图4和图3A至3E，以顺次说明本工序。在用化学药品(图3A)清洗6英寸P型硅圆片1后，将硅圆片1送入保持在900℃含弱干氧化气氛(5％的氧分压)。此后，以5℃/分的速率将温度升高至1200℃(图3B)。在保持弱氧化气氛(5％的氧分压)下，硅圆片在1200℃下退火40分钟。通过这种退火，在硅圆片1表面上形成42nm厚的氧化膜4。接着，以氢气氛代替弱氧气氛，并在其中的1200℃下进行退火20分钟。此后，以4℃/分的速率将温度由1200℃降低至800℃(图3D)。在本实施例中，如上所述，在1200℃下以氢气氛代替弱氧气氛。这是因为这时的氧化膜4比第一实施例的厚，它不能在温度降至800℃后仅在氢气氛中完全除去，导致较差的清洁效果。温度降至800℃后，形成厚20nm的栅氧化膜6，条件与第一实施例的相似(图3E)。
图5为本发明第三实施例方法的加热顺序。参看图5及图3A至3E，以顺次说明本工序。在用化学药品(图3A)洗净6英寸P型硅衬底1后，将硅圆片1放入保持在900℃温度下的弱干氧气氛(具有1％的氧分压)中。此后，以8℃/分的速率(图3B)将温度升高至1000℃。保持弱氧化气氛(氧分压为1％)，将硅圆片在1000℃下退火1小时。此后，以4℃/分的速率将温度由1000℃下降至950℃。通过这种退火，在硅圆片1(图3C)的表面上形成15nm厚的氧化膜4。接着，以氢气氛代替弱氧气氛，以3℃/分的速率(图3D)将温度下降至800℃。在本实施例中，在温度降低的中间阶段以氢气氛代替弱氧化气氛。这是因为氧化膜4相对地薄，如果在温度下降一开始就以氢气氛代替弱氧气氛，氧化膜4会被过蚀刻，导致硅圆片1短暂外露在还原气氛中，可能出现微观粗糙或重金属污染。温度降至800℃后，在与第一实施例相同的条件下形成20nm厚的栅氧化膜6(图3E)。
为评价在硅圆片1上所形成的栅氧化膜6的电绝缘特性，各在第一、第二和第三实施例所取得的栅氧化膜6上形成布线等，以进行TDDB(电介质击穿随时间的变化)测量。TDDB测量是在注入电流密度为0.01A/cm2下在10mm2的测量面积上作出的。
TDDB测量结果作为Weibull分布图示于图6，图中同时示出本发明第一实施例所得的栅氧化膜和比较用的在干氢气氛中清洁圆片表面的常规方法所得的栅氧化膜。与常规方法所形成的比较起来，本发明实施例中所得的栅氧化膜，不论是本征型式的还是缺陷型式的都表现出优异的结果。表1示出积累缺陷百分比为50％时的Qbd值(Q50)。在Q50的比较中，本发明在各实施例中所得的栅氧化膜具有的Q50值比常规方法所得的栅氧化膜的Q50值约大75至80倍。
表1
图7示出第一至第三各实施例和常规方法中硅圆片表面的微观粗糙度。微观粗糙度是栅氧化膜用HF完全蚀刻后由AFM测出的。图7示粗糙度平均值(Ra)。从图7可知本发明的Ra约为常规方法的一半。因此，在本发明中，微观粗糙度也有所改善。
表2示出第一至第三各实施例和常规方法中硅圆片表面上的重金属污染。这种测量是用原子吸收光谱进行的。如表2所示，重金属污染在常规方法中是1010原子/cm2的数量级，而在第一至第三实施例中，Cr和Ni的量低于检测极限，Fe的量则较常规方法中的小。因此，本发明也在重金属污染方面作出改进。
表2
N.D低于检测极限(1010原子/cm2)在本发明的实施例中，高温热处理是在固定气氛的温度和组分下进行的。然而，可以理解，即使在高温处理时这些条件变化了，只要温度的变化是在不低于950℃的范围里、气氛中的氧分压的变化不超过5％的范围里，都可以取得相同的效果。
权利要求
1.一种制造半导体器件的方法，该器件包括一半导体衬底，所说半导体衬底上具有一主表面和一目的氧化膜，该方法包括下列步骤在氧化气氛中使所说半导体衬底经受热处理一段预热时间，以在所说主表面上形成临时氧化膜；将所说半导体衬底及在其上形成的所说临时氧化膜放置在还原气氛中，以除去所说临时氧化膜，露出作为所说半导体衬底的露出表面；以及在所说半导体衬底的露出表面上形成所说目的氧化膜。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，所说氧化气氛具有不大于5％的氧分压。
3.根据权利要求1的方法，其特征在于，所说热处理是在不低于950℃的温度下进行的。
4.根据权利要求1的方法，其特征在于，所说预定时间不少于40分钟。
5.根据权利要求1的方法，其特征在于，所说还原气氛主要含氢气。
6.根据权利要求1的方法，其特征在于，所说加热步骤、除去步骤和形成步骤都是在同一炉子中进行的。
全文摘要
一种半导体器件的制造方法，其中的半导体衬底上具有主表面和目的氧化膜。将该衬底在氧化气氛中热处理一预定时间以在主表面上形成临时氧化膜。接着将其放在还原气氛中以除去临时氧化膜而露出作为半导体衬底的露出表面。之后，在该露出表面上形成目的氧化物。加热处理最好在氧分压不大于5％的氧化气氛、温度不低于950℃下加热不少于40分钟。还原气氛主要含氢。上述各步骤可在同一炉子中进行。
文档编号H01L21/316GK1161569SQ96113450
公开日1997年10月8日 申请日期1996年9月27日 优先权日1995年9月29日
发明者山本博规 申请人:日本电气株式会社