[发明专利]硅低温掺氟氧化方法

说明书

本发明是半导体工艺中的一种掺氟、低温硅氧化方法，属于集成电路和硅器件工艺中在半导体材料上形成绝缘层的技术。

集成电路和硅器件工艺中，硅氧化一般都在100℃左右的高温条件下进行。在这种条件下，硅片常会出现杂质再分布、热诱生缺陷以及翘曲等问题。因此，对集成电路内器件尺寸的进一步缩小带来了严重障碍。为了适应大规模和超大规模集成电路的需要，减少这些因素的影响，硅片需采用低温条件氧化。但是，常规的低温氧化工艺，在温度低于或等于800℃时，氧化速度太慢，不能应用。由此，电化学杂志（A.K.Ray and A.Reisman，J.Electrochem.Soc.128，1981，p2424）曾报导了一种氧等离子体掺氟氧化方法。用这种方法可在低温（如700℃）条件下提高硅片的氧化速度，然而它却引入了高能辐射损伤缺陷，且氧化层的质量也不能令人满意。此外，国际电子器件文集（M.Morita，Saritome，M.Tsukude and M.Hirose，IEDM，1984，p144）中也提出了一种掺氟化氮（NF₃）气体的氧化方法。这一方法是在冷壁石英管中进行氧化，管内通入高纯氧和氟化氮混合气体，硅片置于特别的基座上，由卤光灯加热氧化。这种氧化方法的优点是，不需要产生等离子体的复杂部件，避免了由此产生的辐射损伤。但是，它需要一个卤光灯加热特制系统。设备结构复杂、繁琐，操作不方便。其次，它还需要用高纯度（99.9999%）的含氟气体。同时，用了高浓度含氟气体后，对系统中的部件，尤其是质量流量计等敏感元件腐蚀较强，且易使设备破坏，系统沾污。因此，为了克服上述已有低温氧化方法存在的不足，本发明改进并提供了一种掺氟、低温硅氧化方法，适应了集成电路工艺发展的需要。

本发明的目的是，采用液态含氟试剂作为掺氟源，由携带气体携带，氧气稀释，利用常规热氧化炉实现掺氟、低温硅氧化。这样，既避免了系统的腐蚀，又获得了可与高温氧化比媲的优质硅氧化层，从而为集成电路工艺提供了一种简单、方便的低温硅氧化方法。

附图说明：

图1是本发明掺氟、低温氧化系统图。其中，1是三段式氧化炉的气炼熔融石英管;2是装片石英舟;3是硅片;4是装盛液态含氟试剂的源瓶;5是液态含氟试剂;6是冷阱;7是加温小电炉;8是控温仪;9是温度传感器;10是气体流量计阀门;11是氟源阀门;12是塑料气体混合器;13是系统管道。

本发明掺氟、低温硅氧化方法由图1系统完成，掺氟氧化过程在普通氧化炉中进行。氟源采用液态含氟试剂，如MOS纯的氢氟酸、C₆F₆（全氟苯）、CCl₂F-CCl₂F（氟利昂F-112）等各种含氟液体。源瓶由小电炉加热升温或由冷阱降温。其温度由温度传感器和控温仪控制并保持稳定在-196℃-60℃范围的任何值。系统中的气体混合器、源瓶以及气体管道均用抗氟腐蚀的塑料制成。含氟气体由纯度至少为99.9%的氧气或氮气或氩、氖、氦等惰性气体流过源瓶携带，并由另一路纯度同样的氧气稀释后输入炉管。调节携带气体的流量或稀释气体的流量即可控制掺氟气体的浓度，故本发明方法适用于各种含氟液体为源的硅氧化。使用本发明硅低温掺氟氧化方法过程如下：先将待氧化的硅片按集成电路工艺清洗，备用。然后，在氮气保护下将硅片装舟，送入普通热氧化炉中的石英管中。在低温约800℃或低于800℃氧化条件下石英管中先通氮气。掺氟氧化开始前1分钟改通纯氧气（纯度至少为99.9%），约经过二分钟后开始掺氟氧化，打开氟源阀门，同时调节携带气体和稀释气体流量，并保持源瓶温度为一稳定值（如室温）。这时，硅片在炉中掺氟、低温氧化。氧化结束，立即关断氟源，并对硅片进行同样温度的纯氧退火处理约3小时，退火结束，硅片即可出炉，氧化过程结束。其中，当选用常见MOS纯40%氢氟酸试剂作为掺氟源时，由于氢氟酸沸点为112℃，容易挥发，室温液面气体浓度可达3.8×10^-2摩尔/升，故少量携带气体通过氢氟酸溶液表面就足以获得掺氟氧化所需要的10ppm-4000ppm含氟量。实际应用中，通过调节携带气体和稀释气体的流量实现控制硅氧化速度时，应使含氟气体中的含氟摩尔浓度最好小于0.4%。控制携带气体流量和带出含氟浓度对应关系列于表1（以氢氟酸为源，总流量为1.6升/升时，携带气体流量与带入氧化炉管的含氟量、水汽浓度关系）。