一种改善栅氧厚度均匀性的方法

摘要

本发明提供一种改善栅氧厚度均匀性的方法，该方法在石英管装置中进行，包括步骤：通入一定流量比例的氘气和氧气至所述石英管，并进行点火使所述氘气和氧气反应生成D2O，该D2O与所述石英管管壁上的Si‑O‑悬挂键中和形成Si‑O‑D，从而避免石英管管壁上的Si‑O‑悬挂键影响栅氧生长厚度的均匀性。本发明往石英管中通入的氘气D2与氧气点火反应生成的D2O可以有效地中和石英管壁Si‑O悬挂键，形成Si‑O‑D结构。由于氘的化学反应速度比同位素氢低，因此形成的Si‑O‑D结构可以稳定的存在于石英管中。在后续栅极制程的DCE氧化过程中可以避免打破HCl的化学平衡，从而减少Cl‑的激活，使栅氧氧化工艺中栅氧生成的厚度更加均匀。

权利要求

1.一种改善栅氧厚度均匀性的方法，该方法在石英管装置中进行，其特征在于，所述改善栅氧厚度均匀性的方法至少包括步骤：通入一定流量比例的氘气和氧气至所述石英管中，并进行点火使所述氘气和氧气反应生成D2O，该D2O与所述石英管管壁上的Si-O-悬挂键中和形成Si-O-D，使之不会打破栅氧生长时 的化学平衡，减少Cl-的生成浓度，从而避免石英管管壁上的Si-O-悬挂键影响栅氧生长厚度的均匀性。

2.根据权利要求1所述的改善栅氧厚度均匀性的方法，其特征在于：所述氘气和氧气的流量比例范围为1:1～5:1。

3.根据权利要求1所述的改善栅氧厚度均匀性的方法，其特征在于：所述氘气和氧气的点火温度在1000～1200℃范围内。

4.根据权利要求1所述的改善栅氧厚度均匀性的方法，其特征在于：所述石英管内的反应压力在0.8～1.5atm范围内。

5.根据权利要求1所述的改善栅氧厚度均匀性的方法，其特征在于：所述点火反应生成D2O的反应时间范围为1～3小时。

6.根据权利要求1所述的改善栅氧厚度均匀性的方法，其特征在于：所述石英管中还通入二氯乙烯作为栅氧生长的催化剂，所述二氯乙烯由氮气携带进入所述石英管。

7.根据权利要求6所述的改善栅氧厚度均匀性的方法，其特征在于：所述氮气的流量范围为0.1～5sccm。

8.根据权利要求1所述的改善栅氧厚度均匀性的方法，其特征在于：采用湿氧氧化工艺生长形成栅氧，所述栅氧厚度范围为20～200埃。

说明书

一种改善栅氧厚度均匀性的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及半导体工艺技术领域，特别是涉及一种改善栅氧厚度均匀性的方法。

背景技术

[0002] 目前半导体业界常用的石英管材料有两种加工工艺：一种是电熔石英，在连续熔制法加工过程中，石英砂由顶部缓慢进入坩埚，坩埚外侧装有电加热元件，外部由耐火材料包围。熔融后的二氧化硅从炉底部成型口流出，根据所要求的管棒的规格通过下拉速度进行控制。典型的电熔石英管材料有GE214，GE224，HSQ300，HSQ330。另外一种是气熔石英，将石英砂通过氢/氧燃烧器喷到保温炉内的石英基板上，石英基板不断旋转并缓慢下降，不断喷出的石英砂在氢氧焰的高温呈为熔融状，熔融石英向下流动使圆柱状石英碇变大，直到达到客户的要求。典型气熔石英管材料有Tosoh N，OP-1，OP-3，HSQ-351，HSQ-751。

[0003] 以上两种工艺制成的石英管最大的区别在于其中的羟基含量不同。在气熔工艺制成的石英管中，由于用到氢氧焰熔融，其羟基含量是电熔工艺的几十倍之多。而电熔工艺机械化程度高，生产出来的石英管产品规格一致性好、原材料消耗低、产量大，因此受到半导体业界的欢迎。但是电熔石英管在作为生长栅氧的装置时，由于其羟基含量低，会给栅氧的的生长带来负面的影响。

[0004] 具体地，在进行栅氧氧化生长过程中，通常会采用二氯乙烯DCE(C2H2Cl2)作为催化剂来提高栅氧的氧化速度，该过程中发生的化学方程式如下：

[0005] C2H2Cl2+O2→HCl+H2O+CO2 (1)

[0006]

[0007] 由于电熔石英管1内羟基含量很少，因此在石英管管壁会存在很多的Si-O-悬挂键，这些Si-O-悬挂件会吸附DCE氧化过程中所生成的HCl中的H+(即发生方程式3的反应)，使H+减小，从而打破化学方程式(2)的平衡，使向右移动，激活Cl-，这些Cl-使边缘生成的栅氧厚度偏厚，导致产品缺陷。

[0008] 目前业界通常采用设置程式限制来规避羟基的影响或者利用是氧化工艺(H2和O2点火)来提升羟基含量，如图1所示，但是这种方法在热处理时还存在脱羟的状态，不能很好的避免电熔石英管材料对制程的影响。

[0009] 因此，如何提高石英管内的羟基含量，降低石英管对栅氧厚度均匀性的影响是本领域技术人员需要解决的课题。

发明内容

[0010] 鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种改善栅氧厚度均匀性的方法，用于解决现有技术中石英管羟基含量低导致栅氧工艺中生长的栅氧边缘厚度偏厚的问题。

[0011] 为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种改善栅氧厚度均匀性的方法，该方法在石英管装置中进行，所述改善栅氧厚度均匀性的方法至少包括以下步骤：

[0012] 通入一定流量比例的氘气和氧气至所述石英管，并进行点火使所述氘气和氧气反应生成D2O，该D2O与所述石英管管壁上的Si-O-悬挂键中和形成Si-O-D，从而避免石英管管壁上的Si-O-悬挂键影响栅氧生长厚度的均匀性。

[0013] 作为本发明改善栅氧厚度均匀性的方法的一种优化的方案，所述氘气和氧气的流量比例范围为1:1～5:1。

[0014] 作为本发明改善栅氧厚度均匀性的方法的一种优化的方案，所述石英管内的反应温度在1000～1200℃范围内。

[0015] 作为本发明改善栅氧厚度均匀性的方法的一种优化的方案，所述石英管内的反应压力在0.8～1.5atm范围内。

[0016] 作为本发明改善栅氧厚度均匀性的方法的一种优化的方案，所述点火反应生成D2O的反应时间范围为1～3小时。

[0017] 作为本发明改善栅氧厚度均匀性的方法的一种优化的方案，所述石英管中还通入二氯乙烯作为栅氧生长的催化剂，所述二氯乙烯由氮气携带进入所述石英管。

[0018] 作为本发明改善栅氧厚度均匀性的方法的一种优化的方案，所述氮气的流量范围为0.1～5sccm。

[0019] 作为本发明改善栅氧厚度均匀性的方法的一种优化的方案，采用湿氧氧化工艺生长形成栅氧，栅氧厚度范围为20～200埃。

[0020] 如上所述，本发明的改善栅氧厚度均匀性的方法，该方法在石英管装置中进行，包括步骤：通入一定流量比例的氘气和氧气至所述石英管，并进行点火使所述氘气和氧气反应生成D2O，该D2O与所述石英管管壁上的Si-O-悬挂键中和形成Si-O-D，从而避免石英管管壁上的Si-O-悬挂键影响栅氧生长厚度的均匀性。本发明往石英管中通入的氘气D2与氧气点火反应生成的D2O可以有效地中和石英管壁Si-O悬挂键，形成Si-O-D结构。由于氘的化学反应速度比同位素氢低，因此形成的Si-O-D结构可以稳定的存在于石英管中。在后续栅极制程的DCE氧化过程中可以避免打破HCl的化学反应平衡，从而减少Cl-的激活，使栅氧氧化工艺中栅氧生成的厚度更加均匀。

附图说明

[0021] 图1为现有技术中石英管管壁上Si-O-悬挂键被氢中和的示意图。

[0022] 图2为本发明石英管管壁上Si-O-悬挂键被氘中和的示意图。

[0023] 元件标号说明

[0024] 1 石英管

[0025] 2 工艺平台

[0026] 3 半导体衬底

具体实施方式

[0027] 以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

[0028] 请参阅附图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

[0029] 本发明提供一种改善栅氧厚度均匀性的方法，该方法在石英管装置中进行，所述改善栅氧厚度均匀性的方法至少包括以下步骤：通入一定流量比例的氘气和氧气至所述石英管，并进行点火使所述氘气和氧气反应生成D2O，该D2O与所述石英管管壁上的Si-O-悬挂键中和形成Si-O-D，从而避免石英管管壁上的Si-O-悬挂键影响栅氧生长厚度的均匀性。

[0030] 请参阅图2，所述栅氧生长工艺可以在低压化学气相沉积(LPCVD)装置的石英管1中进行，当然也可以在其他合适的石英管装置中进行。本实施例以在低压化学气相沉积工艺装置的石英管1中进行栅氧工艺为例进行说明。

[0031] 在工艺进行之前，先将待处理的半导体衬底3进行装载，使半导体衬底3稳固地放置在低压化学气相沉积装置石英管中的样品工艺平台2上，所述半导体衬底3可以是硅衬底，比如，单晶硅、多晶硅或非晶硅中的一种，也可以是绝缘体上硅(Silicon  On Insulator，SOI)，还可以是硅锗化合物。本实施例中，所述半导体衬底3为硅衬底。在所述半导体衬底3上形成有有源区、浅沟道隔离等结构。

[0032] 在低压化学气相沉积装置上设置有氘气管路，用于往低压化学气相沉积装置的石英管1内通入氘气。

[0033] 当然，在所述低压化学气相沉积装置上还设置有氧气管路，用于往低压化学气相沉积装置的石英管1中通入氧气。

[0034] 另外，还需要提供卤化物质作为催化剂，以提高生成栅氧的氧化速率。通入的所述卤化物质不对氧化直接干预，而是起到催化作用，促进氧和硅的结合形成二氧化硅，所述卤化物质主要提供卤元素，卤元素是十七族元素，化学性质活泼。在含氧的气体中混合微量的卤化物质而成的反应性气体进行氧化，可以大大地提高栅氧的生长速率。本实施例中，采用二氯乙烯(DCE)作为卤化物质来催化氧和硅的快速结合。

[0035] 提供二氯乙烯的装置包括一与反应石英管相连接的起泡器，在所述起泡器中填充以二氯乙烯，并且该起泡器安装一温度为20℃左右的恒温槽中，并向所述起泡器中通入氮气(N2)作为载气，由此使液体二氯乙烯起泡并汽化，汽化的二氯乙烯通过管路可以引导进入石英管内。

[0036] 具体地，所述氮气的流量范围为0.1～5sccm。在20℃左右的恒温下，每1mol的氮气可以携带出1mol的二氯乙烯。本实施例中，通入起泡器的氮气的流量暂选为1sccm。当然，在其他实施例中也可以为2sccm、3sccm或4sccm，在此不限。

[0037] 所述半导体衬底放置好之后，密封所述石英管。为了保证氘气和氧气的的流量比在安全系数之内，需要对氘气和氧气进行预点火。点火过程在石英管的点火腔体中进行，通过预点火，确定所述氘气和氧气的流量比例在1:1～5:1范围内为最佳。本实施例中，所述氘气和氧气的流量比暂选为5:1。当然，在其他实施例中，所述氘气和氧气的流量比例也可以为2:1、3:1、或4:1。

[0038] 所述氘气和氧气的点火温度在1000～1200℃范围内为最佳。本实施例中，所述氘气和氧气的点火温度为1200℃。当然，在其他实施例中，所述氘气和氧气的点火温度也可以是1000℃、1050℃、1100℃、1150℃等。

[0039] 所述石英管内的反应压力在0.8～1.5atm(标准大气压)范围内为最佳。本实施例中，所述石英管内的反应压力优选为1atm。当然，在其他实施例中，所述石英管内的反应压力也可以是0.9atm、1.2atm、1.4atm等。

[0040] 所述氘气和氧气点火反应生成D2O的反应时间范围为1～3小时。本实施例中，所述点火反应生成D2O的时间最佳为2小时。当然，在其他实施例中，所述点火反应生成D2O的时间也可以是1小时、1.5小时、2.5小时或3小时等。

[0041] 本发明采用预先使氘、氧点火燃烧，之后将利用该燃烧所产生的含氘的水蒸汽D2O环境送入反应炉内，进行湿氧化。送入到所述石英管中的D2O淀积在石英管管壁上，与所述石英管管壁上的Si-O-键结合，形成Si-O-D结构，从而使石英管管壁的羟基含量提高，D2O与石英管SiO2熔体的化学方程式可以表示为：

[0042] Si-O-Si+D2O＝2SiOD

[0043] 另外，所述二氯乙烯作为催化剂通入石英管，可以发生如下反应：

[0044] C2H2Cl2+O2→HCl+H2O+CO2 (1a)

[0045]

[0046] 由于通入的D2O已经中和Si-O-悬挂键，因此，化学方程式(2a)中的H+不会被消耗用于中和Si-O-悬挂键，化学方程式(2a)中的化学平衡将不被打破，减少催化元素Cl-的生成浓度，从而保证生成的栅氧厚度边缘不会因Cl-的浓度过高而生长偏厚，提高栅氧厚度的均匀性。

[0047] 需要说明的是，所述氘气和氧气的反应速率比氢气和氧气的反应速率慢，因此，当所述氘气和氧气在1000～1200℃点火温度进行湿氧(Wet Oxide)反应后，高温形成的Si-O-D结构可以稳定地存在于石英管中，不会发生脱羟过程。另外，栅氧工艺一般是在1000℃左右情况下进行，可以看出，栅氧工艺的温度低于石英管管壁上Si-O-D结构的形成温度，因此，在栅氧工艺进行过程中，Si-O-D结构可以稳定存在，有效避免O-D键的减少，防止化学方程式(2a)的平衡被打破。

[0048] 还需要说明的是，化学方程式(1a)右边产生的H2O可以和所述半导体衬底表面硅在高温下发生湿氧化反应，生成栅氧(SiO2)，反应方程式为Si+2H2O→SiO2+2H2；另外，氘气和氧气点火反应生成的D2O也可以和所述半导体衬底表面硅在高温下发生湿氧化反应，生成栅氧(SiO2)，反应方程式为Si+2D2O→SiO2+2D2。

[0049] 通过湿氧氧化工艺，形成的栅氧的厚度均匀，其厚度在20～200埃范围内，满足器件对栅氧厚度的工艺要求。

[0050] 综上所述，本发明提供一种改善栅氧厚度均匀性的方法，包括步骤：通入一定流量比例的氘气和氧气至所述石英管，并进行点火使所述氘气和氧气反应生成D2O，该D2O与所述石英管管壁上的Si-O-悬挂键中和形成Si-O-D，从而避免石英管管壁上的Si-O-悬挂键影响栅氧生长厚度的均匀性。本发明往石英管中通入的氘气D2与氧气点火反应生成的D2O可以有效地中和石英管壁Si-O悬挂键，形成Si-O-D结构。由于氘的化学反应速度比同位素氢低，因此形成的Si-O-D结构可以稳定的存在于石英管中。在后续栅极制程的DCE氧化过程中可以避免打破HCl的化学平衡，从而减少Cl-的激活，使栅氧氧化工艺中栅氧生成的厚度更加均匀。

[0051] 所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

[0052] 上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。