专利名称：制造氧化物膜的方法
技术领域：
本发明一般涉及制造氧化物膜的方法，特别涉及形成如MOS晶体管的栅氧化物膜等薄氧化物膜的方法，可以准确和容易地将薄氧化物膜的厚度控制为要求值。
在MOS(金属氧化物半导体)晶体管中，用极薄的栅氧化物膜或层提高元件的电特性。目前，根据0.25微米(μm)规则的半导体器件中用厚为60-70埃的栅氧化物膜，根据0.18微米规则的半导体器件中用厚为30-40埃的栅氧化物膜。另外，根据半导体器件集成密度的提高，在根据0.13微米规则的半导体器件中，需要厚20-30埃的栅氧化物膜。
由于栅氧化物膜影响着半导体器件的可靠性和电特性，所以要求初始击穿电压高，与时间有关的劣化小，且在半导体衬底和栅氧化物膜间的界面处没有缺陷。这些特性似乎是利用干氧化即利用O2的氧化形成的热氧化物膜的最佳情况。根据干氧化，在O2气氛中或大气中加热Si衬底，可以容易形成具有优良绝缘特性的SiO2膜。
为了制造薄SiO2膜，可以想象的有三种方法。即，降低氧化温度的方法，减少氧化时间的方法和降低氧化压力的方法。一般情况下，已采用了这些方法中的两种方法，即，调节即降低氧化温度(在氧化气氛中加热Si衬底的温度)的方法和调节即减少氧化时间(在氧化气氛中加热Si衬底的时间)的方法，来调节要形成的SiO2膜的厚度。
另一方面，随着栅氧化物膜变薄，MOS晶体管的栅氧化物膜厚度的要求容差变得更严格。例如，在栅氧化物膜的标称厚度为60埃时，膜厚的要求容差为+/-3埃。在栅氧化物膜的标称厚度为40埃时，膜厚的要求容差为+/-2埃。在栅氧化物膜的标称厚度为20埃时，膜厚的要求容差为+/-1埃。这种情况下，要求的容差包括Si衬底平面上的氧化物膜厚度的分散极限，和两衬底之间氧化物膜厚度的分散极限。
为了容易地制造高可靠性的栅氧化物膜，避免很差的初始击穿电压，避免随时间产生的劣化，并具有在要求容差范围内的要求膜厚，本发明的发明人重新考虑了控制栅氧化物膜厚的方法。在降低氧化温度以得到具有薄的膜厚度的氧化物膜时，栅氧化物膜的低初始击穿电压和与时间有关的劣化增大的问题变得明显。因此，在要形成薄SiO2膜时，最好不通过调节氧化温度来控制SiO2膜的膜厚。
本申请的发明人通过在1000℃的氧化温度下即在恒定的氧化温度下，在氧气氛中，热氧化Si衬底，以在Si衬底上制造SiO2膜。
图1是展示所形成的SiO2膜的膜厚与氧化时间即在1000℃下加热的时间周期之间的关系的曲线图。在图1中，示出了在760、100、50、20和10乇的氧化压力即氧气氛压力下的关系。如图1所示，在氧化时间改变时，由热氧化形成的氧化物膜即SiO2膜的膜厚取决于氧化时间。随着氧化时间变得更短，SiO2的膜厚变得更薄。从图1还可以发现，在氧化时间相同时，随着氧化压力变更越来越低，可以形成越来越薄的SiO2膜。
从图1可知，要形成具有等于或薄于30埃的厚度的氧化物膜时，必须在减压或降压即在压力小于760乇的氧气氛条件下进行热氧化。例如，在要制造具有0.13微米规则所需要的20埃厚度的栅氧化物膜时，例如氧化压力降低到50乇，并在1000℃的温度下，加热Si衬底20秒，以形成氧化物膜。如果进一步降低氧化压力，则可以延长氧化时间。
另一方面，随着氧化压力变低，通过气体分子的热传导受到抑制。因此，整个Si衬底表面的温度分布变得不均匀，所以衬底内所形成的氧化物膜厚度的分散变大。在热氧化Si衬底时，在氧化压力升高到可以避免这种不均匀性时，必须缩短氧化时间。然而，如从展示所形成的SiO2膜的厚度和氧化时间的关系的曲线的图1所示，一定时间长度即在图1的曲线所展示的时间区后，SiO2膜的形成速率相对慢。另一方面，在氧化物膜形成的初始阶段，即，在图1的曲线未示出的时间区内，SiO2膜的形成速率高，可以在相对短的时间内形成大量SiO2膜。这一点可以从在图1的氧化时间为零时所形成的氧化物膜厚度为零的事实得知。因此，在通过调节氧化时间，来控制所形成氧化物膜的厚度，且需要薄栅氧化物膜时，必须将氧化时间调节到很短，并很精确地控制氧化时间。
然而，在应进行很短时间的氧化时，很难精确地控制氧化物膜的厚度。例如，如果使用电阻加热炉，甚至在向炉中装入和从炉中取出Si衬底时，氧化物膜也会生长。因此，在利用该方法形成厚度等于或小于50埃的氧化物膜时，很难精确地形成预定厚度的氧化物膜。另外，即使使用可以在短时间内升高和降低温度的如灯加热炉等快速加热炉，也很难精确地控制很短的氧化时间。因此，如果例如氧化物膜的厚度应等于或小于30埃，并且如果通过调节氧化时间来控制氧化物膜的厚度，甚至在使用快速加热炉时，也很难精确地制造预定厚度的氧化物膜。
因此，本发明的目的是提供一种制造很薄氧化物膜的方法。
本发明的另一目的是提供一种精确地制造预定厚度的很薄氧化物膜的方法。
本发明再一目的是提供一种制造很薄氧化物膜的方法，其中容易控制膜的厚度，以实现预定的厚度。
本发明又一目的是提供一种制造半导体衬底表面上具有小厚度分散性的很薄氧化物膜的方法。
本发明还有一目的是提供一种制造在半导体衬底之间具有很小厚度分散性的很薄氧化物膜的方法。
根据制造氧化物膜的常规方法，其中调节氧化时间以控制氧化物膜的厚度，很难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，本发明的发明人旨在通过在形成氧化物膜的几个条件中改变或调节氧化压力，在不改变氧化时间的条件下控制氧化物膜的厚度。这种情况下，为了尽可能容易地控制氧化物膜的厚度，本发明人的注意力放在了使用即使在降低的氧化压力条件下也尽可能高的氧化压力，利用长于20秒的氧化时间，将自然或天然氧化物膜的形成抑制得尽可能小，并在经过了预定氧化时间后快速停止氧化反应。另外，除了减压条件下氧化外，本发明人发现，可以通过控制总压力相对高的氧化气氛，如大气压下的氧分压，形成具有良好可控性的很薄氧化物膜。
根据本发明的一个方面，提供一种制造氧化物膜的方法，在含氧的气氛中氧化衬底，以在所说衬底上形成所说氧化物膜。该方法包括通过调节所说含氧气氛中的氧分压，控制要形成的所说氧化物膜的厚度。
根据本发明的另一方面，提供一种制造氧化物膜的方法，在氧化气氛中氧化衬底，以在所说衬底上形成所说氧化物膜。该方法包括通过调节所说氧化气氛的压力，控制要形成的所说氧化物膜的厚度。
根据本发明再一方面，提供一种制造氧化物膜的方法，在含氧的气氛中氧化硅衬底，以在所说硅衬底上形成所说氧化物膜。该方法包括将所说硅衬底置入加热炉中；用包含氧的混合气体充入所说加热炉，并保持所说加热炉内的气氛中的氧气的分压在预定分压；加热所说硅衬底到预定温度，同时保持所说加热炉内气氛中的所说氧分压在所说预定分压；所说硅衬底温度达到所说预定温度后，将所说硅衬底的温度保持在所说预定温度达到预定的时间周期，同时保持所说加热炉内所说气氛中氧分压在所说预定分压；在将所说硅衬底的温度保持在所说预定温度达到所说预定时间周期后，降低所说硅衬底的温度，并将所说加热炉内的气氛从所说含氧的混合气体换成不产生氧化的一种或多种气体。
根据本发明还有一个一方面，提供一种制造氧化物膜的方法，在氧化气氛中氧化硅衬底，以在所说衬底上形成氧化物膜。该方法包括将所说硅衬底置入加热炉中；在所说加热炉中引入氧气，并保持所说加热炉内的氧化气的压力在预定压力；加热所说硅衬底到预定温度，同时保持所说加热炉内氧化气氛的所说压力在所说预定压力；所说硅衬底温度达到所说预定温度后，将所说硅衬底的温度保持在所说预定温度达到预定的时间周期，同时保持所说加热炉内所说氧化气氛的压力在所说预定压力；在将所说硅衬底的温度保持在所说预定温度达到所说预定时间周期后，降低所说硅衬底的温度，另外，在所说加热炉内引入不产生氧化的一种或多种气体，以将所说加热炉内的气氛从所说氧化气氛换成不产生氧化的一种或多种气体，并保持所说加热炉内气氛的压力高于所说预定压力。
从以下结合附图的具体说明中，可以更清楚地理解本发明的这些和其它特点及优点，附图中，相同的参考数字表示各附图中的相同或相应的部件，其中图1是展示在1000℃的氧化温度下在氧气氛中氧化硅衬底以制造SiO2膜时，SiO2膜的厚度和氧化时间的关系的曲线图；图2是展示用于根据本发明第一实施例的制造氧化物膜的方法中的快速加热炉的剖面示意图；图3是展示在根据本发明第一实施例的制造氧化物膜的方法中，引入到加热炉中的气体的流速随时间变化的曲线图；图4是展示在根据本发明第一实施例的制造氧化物膜的方法中，加热炉中的硅衬底的温度随时间变化的曲线图；图5是展示在只有氧分压改变时，在1000℃的氧化温度和30秒的氧化时间下氧化硅衬底以形成SiO2膜时，所形成的SiO2膜的膜厚与氧分压的关系的曲线图；图6是展示用于根据本发明第二实施例的制造氧化物膜的方法中的快速加热炉的剖面示意图7是展示在根据本发明第二实施例的制造氧化物膜的方法中，引入到加热炉中的氧气和氩气的流速随时间变化的曲线图；图8是展示在根据本发明第二实施例的制造氧化物膜的方法中，加热炉中压力随时间变化的曲线图；图9是展示在根据本发明第二实施例的制造氧化物膜的方法中，加热炉中的硅衬底的温度随时间变化的曲线图；图10是展示在只有气氛压力改变时，在1000℃的氧化温度和30秒的氧化时间下氧化硅衬底以形成SiO2膜时，所形成的SiO2膜的膜厚与氧化压力的关系的曲线图。
参考各附图，下面将结合形成MOS晶体管的栅氧化物膜(SiO2)介绍根据本发明一个实施例的制造氧化物膜的方法，利用图2所示的快速加热炉10进行氧化。加热炉10包括卤素灯12。卤素灯12通过石英窗14加热支撑于衬底支撑棒16上且设置于加热炉10内的硅(Si)衬底18。另外，加热炉10包括气体入口20和22，以及气体出口24。例如，如果需要快速替换加热炉10内的气氛，还可以将气体出口24与图中未示出的真空泵耦连。
这种情况下，在Si衬底18置入加热炉10后，向加热炉10中引入需要的气体，利用卤素灯12加热Si衬底18，以改变和升高Si衬底18的温度。通过利用图中未示出的温度控制器调节卤素灯12发出的光强，将Si温度衬底18的温度控制在预定的温度模式(pattern)。该温度控制器还可以例如由包括用于产生温度模式的存储程序的微机构成。另外，从气体出口24抽出引入到加热炉10中的气体，从而保持加热炉10内的压力基本为大气压(约760乇)。加热炉10内的压力可以高于或低于大气压。例如，加热炉10内的压力可以稍高于大气压，以便可以顺利地从气体出口抽气。
下面将结合附图具体介绍根据该实施例制造氧化物膜的方法。图3展示了在该实施例中，引入到加热炉10中的气体的流速(升/分钟)随时间的变化。图4展示在该实施例中，加热炉10中的硅衬底18的温度(℃)随时间的变化。
首先，将Si衬底18引入加热炉10，并置于衬底支撑棒16上。然后，如图3所示，从气体入口20，以例如5升/分钟的流速，向加热炉10引入氮气(N2)。为了容易理解，开始引入氮气的时间点或引入氮气期间的某一时间点被确定为图3和4的曲线的时间轴(横轴)的原点。作为另一方法，可以在用氮气充入加热炉10后，将Si衬底18置入加热炉10，并置于衬底支撑棒16上。
在加热炉10中引入氮气的一个原因是，通过用氮气充入加热炉10，防止在硅衬底18的表面上形成自然氧化物膜。如果形成了自然氧化物膜，则将形成的SiO2膜的最终厚度会分散，很难将膜厚精确控制在预定值。还可以与氮一起向加热炉10中引入少量如100ppm的氧，以避免Si衬底18的表面产生粗糙。另外，引入氮气的另一个理由是，用不包括氧的气体(这里指氮气)替换加热室10中气氛或大气，并使此后更容易控制氧分压。
如图3所示，在时间t1(例如t0后50秒)，从气体入口20引入到加热炉10中的氮气的流速增大到例如14升/分钟，并开始从气体入口22，以例如1升/分钟的流速向加热炉内引入氧气(O2)。应注意，图3中，氮气流速和氧气流速的总流速表示为“N2+O2”。加热炉10内的气氛即Si衬底18周围的气氛从包括100％的氮的气体换成含从气体入口20引入的氮气和从气体入口22引入的氧气的混合气体。加热炉10中，含这种混合气体的气氛中氧的分压约为50乇，如氮气与氧气的流速比所示，即约为710比50。这种情况下，加热炉10内的总压力基本与大气压即约760乇相等。
另外，在时间t2，从气体入口20引入到加热炉10内的氮气的流速例如减小到8.4升/分钟，从气体入口22引入到加热炉10内的氧气的流速例如减小到0.6升/分钟。应注意，尽管氮气和氧气的流速减小，但氮气和氧气的流速比与以前相同，即，约为710比50。因此，从时间t1到时间t4，充入加热炉10中包含氮气和氧气的混合气体中的氧的分压约为50乇，并保持恒定。
将从时间t1到时间t2的流速设置为大于从时间t2到时间t4的流速，为的是快速将加热炉10内的气氛，从包括100％氮且压力约为760乇的气体，替换成氧分压约为50乇，且总压力约为760乇的混合气体。在需要将混合气体中的氧分压设置在例如100乇的不同值时，氮气与氧气的流速比可以调节到约660比100。
在上述情况下，通过从气体入口20引入氮气，从气体入口22引入氧气，在加热炉10内混合氮气和氧气。然而，也可以在将氮气和氧气引入加热炉10前将它们混合，以制备混合气体，并将混合气体例如通过气体入口22引入到加热炉10中。这种情况下，可以通过在将氮气和氧气引入加热炉10之前，在将它们混合时，预先调节氮气和氧气的混合比即流速比，控制将通过气体入口22引入上述混合气体的加热炉10内气氛的氧分压。
如图4所示，在时间t2，例如，t0后约75秒，开始用卤素灯12加热Si衬底18。由此Si衬底18的温度开始升高，在时间t3，例如t0后约90秒，Si衬底18的温度达到稳定的氧化温度，例如约1000℃。如图4所示，在时间t3和t4之间，例如约30秒的时间内，Si衬底18的温度保持在该氧化温度(约1000℃)。通过这段时间的氧化，在Si衬底18上形成例如厚约20埃的二氧化硅(SiO2)膜。
如图4所示，在时间t4，例如t0后约120秒，停止用卤素灯加热Si衬底18，然后进行降温过程。另一方面，如图3所示，在时间t4，停止从气体入口22引入氧气，从气体入口20引入的氮气的流速例如增大到9升/分钟。由此，加热炉10内的气氛从氧分压约为50乇的混合气体换为包括100％氮的气体。因此，时间t4后，Si衬底18上基本上不形成SiO2膜。
此后，再如图4所示，在时间t5，例如t0后130秒，氮气流速增大到例如约20升/分钟。然后，在时间t6，例如t0后约230秒，氮气的流速逐步减小到例如约10升/分钟，在时间t7，例如减小到5升/分钟。最后，在时间t8，例如t0后约245秒，停止引入氮气。可以从时间t4直到Si衬底18的温度恢复到开始时的温度，例如接近室温，保持从气体入口20引入到加热炉10中的氮气的流速为恒定值，例如9升/分钟，此后，停止向加热炉10内引入氮气。还可以保持加热炉10内充有氮气，直到从加热炉10内取出Si衬底18为止。
在时间t8后，Si衬底18的温度基本恢复到室温，因此，例如从时间t0开始的300秒后，可以容易地从加热炉10内取出Si衬底18。在如上所述进行的实际实验中，形成于Si衬底18上的SiO2膜的厚度约为20埃，其误差为+/-1埃。在形成SiO2膜的时间周期内，加热炉10内气氛即Si衬底周围气氛的总压力基本上为大气压。因此，可以通过气氛气体进行充足的热传导，并且整个Si衬底上的温度分布变均匀，所以所形成的SiO2膜的厚度在Si衬底18的表面范围是均匀的。另外，形成SiO2的时间周期内，Si衬底18周围气氛中的氧分压相对低，该例中约为50乇，所以可以制造例如约20埃的很薄的SiO2膜。
图5是展示在Si衬底上形成SiO2膜时，改变氧分压，即时间t3到时间t4期间加热炉10内的氧分压，所形成的SiO2膜的厚度和氧分压间的关系的曲线图。这种情况下，氧化温度，即在图4的时间t3到时间t4期间Si衬底的温度保持在1000℃，氧化时间，即从t3到t4的时间周期固定为30秒。从图5的曲线图可以发现，在约35乇的氧分压下，可以制造厚为20埃的SiO2膜。从图5可知，在应控制SiO2膜的厚度使之变为任何所要求值时，只需根据所需要的厚度改变或调节氧的分压，并保持氧化温度和氧化时间为恒定值的条件，例如保持1000℃和30秒。例如在氧化温度保持在1000℃，氧化时间固定为30秒时，如果应形成厚20埃的SiO2膜，则氧分压可以调节到约35乇，如果应形成厚25埃的SiO2膜，则应调节到约110乇，如果应形成厚30埃的SiO2膜，则调节到约300乇。例如通过调节氮气和氧气之间的流速比，可以容易且精确地控制氧分压。另外，通过调节氧分压，同时将氧化温度和氧化时间固定为其它值，例如大约在900℃-1200℃之间的任意值，等于或大于约20秒的任意值，也可控制形成的SiO2膜的厚度。这种情况下，尽管可以将氧分压调节到可实施压力范围内的任意值，但实际上较好是采用约10和700乇范围内的值。
根据该实施例制造氧化物膜的方法，可以很精确地形成具有要求厚度的SiO2膜，并可以容易且精确地控制SiO2膜的厚度。尤其是，可以适当地控制例如具有约20-30埃厚度的SiO2膜的厚度。另外，由于形成SiO2膜期间，Si衬底周围的气氛压力相对较高，并且该实施例中基本为大气压，所以在整个Si衬底18上的温度分布基本是均匀的。因此，可以在Si衬底上形成具有均匀厚度的SiO2膜。另外，可以只通过调节用改变气体流速来控制的氧分压，来控制SiO2膜的形成厚度，不需要特定的设备，并且可以降低制造成本。另外，可以使用普通设备容易且精确地制造不同厚度的氧化物膜。
应注意，除氮气外，可以使用如氦气(He)、氩气(Ar)等其它不产生氧化的气体、惰性气体或不与Si衬底反应的气体。
下面结合制造MOS晶体管的栅氧化物膜(SiO2)的情况，说明本发明第二实施例的制造氧化物膜的方法。这种情况下，采用快速加热炉110进行氧化，这种加热炉使用卤素灯112，如图6所示。设置于加热炉110中的卤素灯112通过石英窗114加热炉110中的硅(Si)衬底118进行加热。Si衬底118支撑于加热炉110内的衬底支撑棒116上。另外，加热炉110包括气体入口120和122，以及气体出口124。在气体出口124中，设置有阀126，用于调节出口124打开或关闭的速率。还可以用如可移动的可调节挡板等任何其它装置代替阀126，以调节出口124的打开或关闭的速率。气体出口124与图中未示出的真空泵耦连，以便可以对加热炉110抽气。另外，设置压力计或真空计128，用于测量加热炉110内的压力，即硅衬底118周围气氛的压力，还设置例如由控制加热炉110内压力的微机所构成的压力控制器130。即，压力控制器130根据由压力计128所测量和反馈的加热炉110内的压力，和存储于压力控制器130中的程序，调节挡板或阀126的打开速率或角位置，以便实现所需要的压力控制模式。
在图6的情况下，在Si衬底118置入加热炉110后，向加热炉110中引入需要的气体，利用卤素灯112加热Si衬底118，以改变Si衬底118的温度。通过利用图中未示出的温度控制器调节卤素灯112发出的光强，将Si衬底118的温度控制在预定的温度模式。该温度控制器还可以例如由包括用于产生温度模式的存储程序的微机构成。还可以利用普通的微机构成温度控制器和上述压力控制器130。
下面更具体地介绍本发明第二实施例的制造氧化物膜的方法。图7展示了该实施例引入到加热炉110中的气体的流速(升/分钟)随时间的变化。图8展示了该实施例加热炉110内的压力(乇)随时间的变化。图9展示了该实施例加热炉110内Si衬底118的温度(℃)随时间的变化。
首先，将Si衬底118置入预先抽空的加热炉110，并置于衬底支撑棒116上。然后，如图7所示，从气体入口120，以例如5升/分钟的流速，向加热炉110引入氮气(N2)。或者，在将Si衬底118置入大气气氛压力的加热炉110内，并将之置于衬底支撑棒116上后，对加热炉110抽真空，然后从气体入口120向加热炉110内引入氮气。为了简化说明，图7、8和9的时间轴(横轴)的原点(t0)调节为向加热炉110内引入氮气的起始时间。如图8所示，控制器130控制阀126的打开速率，以便在时间t11时，即t0后约50秒，加热炉110内的压力变为约10乇。引入氮气的一个原因是，防止在硅衬底118的表面上形成自然氧化物膜。如果Si衬底118上形成了自然氧化物膜，则最后SiO2膜的厚度会分散，很难将膜厚精确控制在预定值。还可以与氮一起向加热炉110中引入少量如100ppm的氧，以避免Si衬底118的表面产生粗糙。另外，引入氮气的另一个理由是，用包括100％氮的气体替换加热室110中的气氛，并使此后更容易控制氧化压力。
如图7所示，在时间t11，停止从气体入口120引入氮气，并从气体入口122，以例如15升/分钟的流速开始引入氧气(O2)。此后，在时间t12，从气体入口122引入的氧气的流速减小到例如9升/分钟。控制器130控制阀126，以便加热炉110内的压力变为约50乇。将从t11到t12期间的氧气流速设定为大于从t12到t14期间的氧气流速，以便将加热炉110内的气氛，即Si衬底118周围的气氛，从包括100％氮气的气体，快速替换成包括100％氧的气体，并使加热炉110内的压力快速升高到恒定压力，这种情况下为50乇，如图8所示。
如图9所示，在时间t12，例如，t0后约75秒，用卤素灯112加热Si衬底118，开始升高Si衬底的温度，在时间t13，例如t0后约90秒，Si衬底118的温度达到恒定的氧化温度，例如约1000℃。如图9所示，从时间t13到t14，例如约30秒的时间内，Si衬底118的温度保持在该氧化温度，即约1000℃。在该时间周期内，在Si衬底118上形成例如厚约20埃的二氧化硅膜(SiO2膜)。
在时间t14，例如t0后120秒，停止用卤素灯112加热Si衬底118，然后，进入温度降低过程。另一方面，如图7所示，在时间t14，停止从气体入口122引入氧气，开始从气体入口120以约9升/分钟的流速引入氮气。另外，在时间t15，例如t0后130秒，氮气流速增大到例如约20升/分钟。如图8所示，时间t15后，控制器130控制阀126，以便加热炉110内的压力变为约100乇。由于加热炉110内的压力升高，所以Si衬底118的冷却速率变快。还可以在时间t14或t15后，通过将加热炉110内的压力设定为更高压力，例如大气压，更快速地降低Si衬底118的温度，以便更快速地从加热炉110内取出Si衬底118。这种情况下，为了快速替换加热炉110内的气氛，最好不使加热炉110内的压力升得太高。
由于在时间t14停止引入氧气，并开始引入氮气，所以将加热炉110内气氛从包括100％氧的气体换成了包括100％氮的气体。因此，时间t14后，Si衬底118上基本上不形成SiO2膜。另外，时间t14后，向加热炉110内引入氮气的其它原因是，通过引入具有大比热的气体，快速降低Si衬底118的温度。这是因为，如果加热炉110内的压力很低，便会抑制通过气体分子的热传导，因而不能快速降低Si衬底118的温度。因此，除氮气外，可以用不产生氧化的任何气体。例如，可以用氦(He)、氩(Ar)、氢(H2)等。这种情况下，气体的比热变得较大，Si衬底的温度可以更快地降低。在用氢气时，必须在用不与氢反应的其它气体替换了氧气后，向加热炉110中引入氢气。
此后，如图7所示，在时间t16，例如t0后约230秒，氮气的流速逐步减小到例如约10升/分钟，在时间t17，例如减小到5升/分钟。最后，在时间t18，例如t0后约245秒，停止引入氮气。时间t16后，如果气体出口124处于打开状态，则加热炉110内的压力随氮气引入量的减少而降低，如图8所示。
时间t18后，Si衬底118的温度基本恢复到室温，因此，例如从时间t0开始的300秒后，可以容易地从加热炉110内取出Si衬底118。在如上所述进行的实际实验中，形成于Si衬底118上的SiO2膜的厚度约为20埃，其误差为+/-1埃。还可以在例如时间t16后停止对加热炉110抽气，并用氮充入加热炉110，以便恢复到大气压，此后，从加热炉110中取出Si衬底118。
图10是展示在Si衬底上形成SiO2膜时，改变氧化压力，即在时间t13到时间t14期间加热炉内氧气氛的压力，所形成的SiO2膜的厚度和氧化压力间关系的曲线图。这种情况下，氧化温度，即在图9的时间t13到时间t14期间Si衬底的温度保持在1000℃，氧化时间，即从t13到t14的时间周期固定为30秒。除图5的横轴表示氧分压，即混合气体气氛的氧分压，而图10的横轴表示氧化压力，即氧气氛的压力外，图10基本上与图5相同。例如，如图10所示，可以在约35乇的氧化压力下，制造厚为20埃的SiO2膜。从图10可知，在应控制SiO2膜的厚度使之变为任何所要求值时，只需根据所需要的膜厚度改变氧化压力以氧化Si衬底，同时保持氧化温度和氧化时间为恒定值的条件，例如保持1000℃和30秒。例如，在氧化温度保持在1000℃，氧化时间固定为30秒时，如果应形成厚20埃的SiO2膜，则氧化压力可以调节到约35乇，如果应形成厚25埃的SiO2膜，则应调节到约110乇，如果应形成厚30埃的SiO2膜，则调节到约300乇。例如通过利用上述控制器130调节加热炉内的压力，可以容易且精确地控制氧化压力。另外，通过调节氧化压力，同时将氧化温度和氧化时间固定为其它值，例如氧化温度为大约在900℃-1200℃之间的任意值，氧化时间为等于或大于约20秒的任意值，可以控制SiO2膜的形成厚度。这种情况下，尽管可以将氧化压力调节到可实施压力范围内的任意值，但实际上较好是采用约10和700乇之间范围内的值。
根据该实施例制造氧化物膜的方法，可以很精确地形成具有要求厚度的SiO2膜，并可以容易且精确地控制SiO2膜的厚度。尤其是，可以适当地控制例如具有约20-30埃厚度的SiO2膜的厚度。另外，可以使用普通设备容易且精确地制造不同厚度的氧化物膜。
另外，可以采用用于第二实施例且在图6中示出的加热炉110，实施第一实施例的制造氧化物膜的方法。如果采用这种加热炉110，则还可以在第一实施例中，在减压条件下或降低压力的条件下，保持加热炉110内气氛的总压力。
根据本发明，可以精确形成具有预定厚度的很薄的氧化物膜。另外，根据本发明，可以在Si衬底上形成如SiO2膜等厚度的氧化物膜。尤其是，根据本发明，可以在MOS晶体管中形成厚约20埃的栅氧化物膜，其公差可以在+/-1埃范围内，其中约20埃的厚度是0.13微米规则所需要的。
在以上的说明中，结合特定实施例介绍了本发明。然而，所属领域的普通技术人员应理解，可以作出各改形和变化，而不脱离如以下的权利要求书所述的本发明的范围。因此，应认为本说明书和附图是例示性的，而非限制性的，所有这些改形皆应包括在本发明的范围内。因此，本发明应涵盖落入所附权利要求书范围内的所有变化和改形。
权利要求
1．一种制造氧化物膜的方法，在含氧的气氛中氧化衬底，以在所说衬底上形成所说氧化物膜，该方法包括通过调节所说含氧气氛中的氧分压，控制要形成的所说氧化物膜的厚度。
2．根据权利要求1的方法，其中不用改变所说衬底的氧化温度和所说衬底的氧化时间，通过调节所说含氧气氛中的氧分压，控制要形成的所说氧化物膜的厚度。
3．根据权利要求2的方法，其中所说衬底的所说氧化温度在900-1200℃的范围内，所说氧化物膜的所说厚度在20-30埃的范围内。
4．根据权利要求1的方法，其中所说衬底是硅衬底，所说氧化物膜是氧化硅膜。
5．根据权利要求1的方法，其中所说含氧气氛的总压力基本上是大气压，所说含氧气氛的氧分压基本上低于大气压。
6．根据权利要求1的方法，其中所说含氧气氛包括氧气和不产生氧化的一种或多种气体的混合气体。
7．根据权利要求6的方法，其中通过调节所说氧气与所说不产生氧化的一种或多种气体的流速比，控制所说含氧气氛中氧的分压。
8．根据权利要求6的方法，其中不产生氧化的所说一种或多种气体选自氮、氦和氩。
9．根据权利要求1的方法，其中所说氧化物膜是MOS晶体管的栅氧化物膜。
10．一种制造氧化物膜的方法，在氧化气氛中氧化衬底，以在所说衬底上形成所说氧化物膜，该方法包括通过调节所说氧化气氛的压力，控制要形成的所说氧化物膜的厚度。
11．根据权利要求10的方法，其中不用改变所说衬底的氧化温度和所说衬底的氧化时间，通过调节所说氧化气氛的压力，控制要形成的所说氧化物膜的厚度。
12．根据权利要求11的方法，其中所说衬底的所说氧化温度在900-1200℃的范围内，所说氧化物膜的所说厚度在20-30埃的范围内。
13．根据权利要求10的方法，其中所说衬底是硅衬底，所说氧化物膜是氧化硅膜。
14．根据权利要求10的方法，其中所说氧化气氛的压力基本上低于大气压的压力。
15．根据权利要求10的方法，其中所说氧化气氛是氧气氛。
16．根据权利要求10的方法，其中所说氧化物膜是MOS晶体管的栅氧化物膜。
17．一种制造氧化物膜的方法，在含氧的气氛中氧化硅衬底，以在所说硅衬底上形成氧化硅膜，该方法包括将所说硅衬底送入加热炉中；用包含氧的混合气体充入所说加热炉，并保持所说加热炉内的气氛中的氧气的分压在预定分压；加热所说硅衬底到预定温度，同时保持所说加热炉内气氛中的所说氧分压在所说预定分压；所说硅衬底温度达到所说预定温度后，将所说硅衬底的温度保持在所说预定温度达到预定的时间周期，同时保持所说加热炉内所说气氛中氧分压在所说预定分压；在将所说硅衬底的温度保持在所说预定温度达到所说预定时间周期后，降低所说硅衬底的温度，并将所说加热炉内的气氛从所说含氧的混合气体换成不产生氧化的一种或多种气体。
18．根据权利要求17的方法，其中所说含氧混合气体包括氧气和不产生氧化的一种或多种气体的混合气体。
19．根据权利要求18的方法，其中不产生氧化的所说一种或多种气体选自氮、氦和氩。
20．根据权利要求17的方法，其中所说方法还包括在所说加热炉中引入所说硅衬底后，并在用含氧的所说混合气体充入所说加热炉和保持所说加热炉中所说气氛中氧分压在所说预定分压之前，向所说加热炉中引入一种或多种不产生氧化的气体。
21．根据权利要求17的方法，其中在形成所说氧化硅膜时，通过只调节所说预定分压，而不改变所说预定温度和所说预定时间，将形成于所说硅衬底上的所说氧化硅膜的厚度控制在要求值。
22．根据权利要求17的方法，其中所说预定分压在10-700乇范围内，所说预定温度在900-1200℃范围内。
23．根据权利要求17的方法，其中所说预定分压约为50乇，所说预定温度约为1000℃，所说预定时间约为30秒。
24．根据权利要求17的方法，其中所说氧化硅膜是MOS晶体管的栅氧化物膜。
25．一种制造氧化物膜的方法，在氧化气氛中氧化硅衬底，以在所说衬底上形成氧化物膜，该方法包括将所说硅衬底置入加热炉中；在所说加热炉中引入氧气，并保持所说加热炉内的氧化气的压力在预定压力；加热所说硅衬底到预定温度，同时保持所说加热炉内氧化气氛的所说压力在所说预定压力；所说硅衬底温度达到所说预定温度后，将所说硅衬底的温度保持在所说预定温度达到预定的时间周期，同时保持所说加热炉内所说氧化气氛的压力在所说预定压力；在将所说硅衬底的温度保持在所说预定温度达到所说预定时间周期后，降低所说硅衬底的温度，另外，在所说加热炉内引入不产生氧化的一种或多种气体，以将所说加热炉内的气氛从所说氧化气氛换成不产生氧化的一种或多种气体，并保持所说加热炉内气氛的压力高于所说预定压力。
26．根据权利要求25的方法，其中所说氧化气氛是氧气氛。
27．根据权利要求25的方法，其中所说方法还包括在所说加热炉中置入所说硅衬底后，和在所说加热炉中引入氧气，并保持所说加热炉中所说氧化气氛的压力在所说预定压力之前，向所说加热炉中引入一种或多种不产生氧化的气体。
28．根据权利要求25的方法，其中一直保持所说加热炉中气氛的压力高于所说预定压力，直到所说硅衬底的温度基本降低到室温。
29．根据权利要求25的方法，其中在形成所说氧化硅膜时，通过只调节所说预定分压，而不改变所说预定温度和所说预定时间，将形成于所说硅衬底上的所说氧化硅膜的厚度控制在要求值。
30．根据权利要求25的方法，其中所说预定压力在10-700乇范围内，所说预定温度在900-1200℃范围内。
31．根据权利要求25的方法，其中所说预定压力约为50乇，高于所说预定压力的所说压力约为100乇，所说预定温度约为1000℃，所说预定时间约为30秒。
32．根据权利要求25的方法，其中不产生氧化的所说一种或多种气体选自氮、氦、氩、和氢。
33．根据权利要求25的方法，其中所说氧化硅膜是MOS晶体管的栅氧化物膜。
全文摘要
一种通过氧化衬底制造如MOS晶体管的栅氧化物膜的很薄氧化物膜的方法,该方法可以精确且容易地控制氧化物膜的厚度为所要求的值。该方法包括通过调节所说含氧气氛中氧的分压而不改变所说衬底的氧化温度和所说衬底的氧化时间,来控制要形成的氧化物膜的厚度。或者,该方法可包括通过只调节氧化气氛的压力而不改变所说衬底的氧化温度和所说衬底的氧化时间,来控制要形成的氧化物膜的厚度。
文档编号H01L21/316GK1236980SQ99105880
公开日1999年12月1日 申请日期1999年4月22日 优先权日1998年4月24日
发明者安藤公一 申请人:日本电气株式会社