CN104701155A - 栅氧化层的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种栅氧化层的制造方法，包括：将形成有沟槽的半导体衬底放入炉管内，通入氧气，在所述沟槽的侧壁及底部形成第一栅氧化层；向炉管中通入氮气，并升高炉管的温度；向炉管中通入氧气与催化气体，在第一栅氧化层上形成第二栅氧化层。第一栅氧化层在沟槽侧壁的厚度大于沟槽底部的厚度，第二栅氧化层因为有催化气体以及之前形成的第一栅氧化层的影响，其在沟槽侧壁的厚度小于沟槽底部的厚度，第二栅氧化层形成在第一栅氧化层之上，达到减小沟槽侧壁和底部厚度差异的问题，提高栅极氧化层的均匀性，从而提高器件的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，特别涉及一种栅氧化层的制造方法。
背景技术
栅氧化层的制造工艺是半导体制造工艺中的关键技术，直接影响和决定了器件的电学特性和可靠性。
传统的栅氧化层的制作工艺是采用热氧化法，在高温环境下，将半导体衬底暴露在含氧环境中，在所述半导体衬底的表面上形成栅氧化层，所述工艺在炉管中实现。但是，如果需要在刻蚀后的沟槽中生长栅氧化层，例如沟槽功率器件，需要在高温环境下，将含有沟槽的半导体衬底暴露在含氧环境中，同时通入氮气，保证炉管有稳定的气流和温度分布，从而在沟槽的侧壁和底部上形成栅氧化层。
传统的栅氧化层的制造方法主要包含两个阶段：（1）升温阶段，将含有沟槽的半导体衬底放入炉管中，通入氮气，升高炉管的温度；（2）氧化阶段：通入氧气，在沟槽的侧壁和底部生成栅氧化层，此阶段持续的通入氮气；然后，降低炉管的温度，将半导体衬底退出炉管。
由于半导体衬底具有<100>晶格的晶面上的硅原子密度是最低的，氧化速度也最慢，在这种衬底上刻蚀出沟槽后，侧壁的原子密度会大于衬底表面和沟槽底部，为了保证栅氧化层的击穿电压达标，需要使用较高的温度进行氧化，而炉管的升温较慢，在升温的过程中，为了防止硅片氮化，必须通入比较少量的氧气；当氧气被通入时，由于沟槽侧壁的硅原子密度比底部大，侧壁的氧化速度高于底部的氧化速度，因此少量的氧气几乎都被消耗在侧壁上，底部的氧化速度会非常慢，最终导致沟槽侧壁的栅氧化层的厚度大于沟槽底部的栅氧化层的厚度，从而影响栅氧化层的均匀性。
在一个深宽比大于2:1的沟槽中进行栅氧化层的生长，采用传统的栅氧化层的制造方法生成的栅氧化层，沟槽侧壁厚度与底部厚度的差异要高于49%。
然而，随着半导体制造技术的飞速发展，为了达到更快的运算速度、更大的数据存储量以及更多的功能，半导体芯片朝向更高的器件密度、高集成度方向发展，因此，半导体器件的尺寸也随之减小。其中，半导体器件尺寸在减小的过程中，其包含的栅氧化层的厚度也在不断减薄，因此，对于栅氧化层厚度的均匀性的要求越来越严格。沟槽中形成的栅氧化层，侧壁和底部相差较大会对半导体器件的开启电压和工作电压造成影响，进而影响器件的可靠性。
因此，如何减小沟槽中侧壁和底部的栅氧化层的厚度差异，成为当前亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明提供了一种栅氧化层的制造方法，以解决现有技术中形成栅氧化层时，沟槽侧壁和底部的厚度差异较大的问题。
本发明提供的栅氧化层的制造方法，包括：
提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有沟槽；
将所述半导体衬底放入炉管内，通入氧气，在所述沟槽的侧壁及底部形成第一栅氧化层；
向炉管中通入氮气，并升高炉管的温度；
向炉管中通入氧气与催化气体，在第一栅氧化层上形成第二栅氧化层。
进一步的，所述第一栅氧化层的厚度为
进一步的，形成第一栅氧化层的炉管温度为800℃～850℃。
进一步的，形成第一栅氧化层的氧气的流量大于等于10升每分钟。
进一步的，向炉管中通入氮气的步骤中，所述炉管的最终温度为1000℃～1100℃。
进一步的，所述催化气体为含氯气体。
进一步的，所述含氯气体为氯化氢和/或C2H4Cl2。
进一步的，所述含氯气体的流量为0.2升每分钟～0.8升每分钟。
进一步的，形成第二栅氧化层的氧气的流量大于等于10升每分钟。
进一步的，所述第一栅氧化层与第二栅氧化层的厚度之和大于
进一步的，所述沟槽侧壁的厚度与沟槽底部的厚度的差异小于30%。
进一步的，所述沟槽的深宽比大于2:1。
进一步的，刻蚀所述半导体衬底形成沟槽，被刻蚀的一面为<100>晶格。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
综上所述，本发明提供的栅氧化层的制造方法，将栅氧化层的生成分为主要的三个步骤，先在炉管的正常温度下通入氧气形成第一栅氧化层，然后通入氮气并进行炉管升温，最后通入氧气与催化气体在所述第一栅氧化层上形成第二栅氧化层，第一栅氧化层在沟槽侧壁的厚度大于沟槽底部的厚度，第二栅氧化层因为有催化气体以及之前形成的第一栅氧化层的影响，其在沟槽侧壁的厚度小于沟槽底部的厚度，第二栅氧化层形成在第一栅氧化层之上，达到减小沟槽侧壁和底部厚度差异的问题，提高栅极氧化层的均匀性，从而提高器件的可靠性。
附图说明
图1为本发明一实施例所提供的栅氧化层的制造方法的流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的栅氧化层的制造方法做进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚，需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用于方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
图1为本发明一实施例所提供的栅氧化层的制造方法的流程示意图，如图1所示，本发明提出的一种栅氧化层的制造方法，包括以下步骤：
步骤S01：提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有沟槽；
步骤S02：将所述半导体衬底放入炉管内，通入氧气，在所述沟槽的侧壁及底部形成第一栅氧化层；
步骤S03：向炉管中通入氮气，并升高炉管的温度；
步骤S04：向炉管中通入氧气与催化气体，在第一栅氧化层上形成第二栅氧化层。
以下详细说明本发明提出的栅氧化层的制造方法：
在步骤S01中，提供半导体衬底，采用曝光与刻蚀的方法在所述半导体衬底上形成沟槽。本实施例中，所述沟槽的深宽比大于2:1，本发明所提供的栅氧化层的制造方法比较适用于深宽比大于2:1的沟槽，需要说明的是，也可以用于制造深宽比小于2:1的沟槽的栅氧化层，不过沟槽的深宽比比较小的情况下，使用传统的栅氧化层的制造方法就可以到达工艺要求；所述半导体衬底被刻蚀形成沟槽的一面为<100>晶格。
在步骤S02中，将所述半导体衬底放入炉管内，此时保持炉管的温度保持在低温状态，为800℃～850℃，例如800℃、810℃、820℃、830℃、840℃、850℃，较佳的炉管温度为830℃。向炉管中通入氧气，氧气的流量大于等于10升每分钟，例如10升每分钟、20升每分钟、30升每分钟，较佳的氧气流量为10升每分钟。通过氧化反应在所述半导体衬底沟槽的侧壁及底部形成第一栅氧化层。
由于炉管的温度比较低，氧化的速度比较慢，使用大气流可以保证沟槽底部也可以得到充分的氧气，避免了现有技术中氧气分布不均匀的问题，此阶段生成的第一栅氧化层的厚度为例如 较佳的第一栅氧化层的厚度为需要说明的是，虽然保证沟槽底部具有充足的氧气，但是由于所述半导体衬底使用的是<100>晶格，因此所述沟槽底部的硅原子密度会比沟槽侧壁的硅原子密度低，氧化的速度比较慢，因此沟槽侧壁上形成的所述第一栅氧化层的厚度大于沟槽底部形成的所述第一栅氧化层的厚度，一般情况下，沟槽侧壁的厚度比沟槽底部的厚度要厚50%左右。
在步骤S03中，向炉管中通入氮气，并升高炉管的温度。通入氮气可以保证炉管内的气流稳定，使得温度的分布比较均匀。本实施例中，炉管的温度需要升高至1000℃～1100℃，例如1000℃、1025℃、1050℃、1075℃、1100℃，较佳的炉管温度为1050℃。由于已经在沟槽的底部及侧壁上生长了第一栅氧化层，不需要再担心半导体衬底被高温氮化，可以在不通入氧气的情况下将炉管的温度升高至下一阶段所需要的温度。
在步骤S04中，向炉管中通入氧气与催化气体，在第一栅氧化层上形成第二栅氧化层。所述催化气体是含氯气体，本实施例中，含氯气体是氯化氢和/或C2H4Cl2，也可以是本领域技术人员已知的其他催化气体；含氯气体可以提升半导体衬底<100>晶面的氧化速度，使得所述沟槽底部的氧化速度高于所述沟槽侧壁的氧化速度，并且由于所述沟槽侧壁上的第一栅氧化层的厚度大于所述沟槽底部的第一栅氧化层的厚度，氧气的扩散会受到已有的第一栅氧化层的抑制，因此该阶段所述沟槽底部的氧化速度会超过侧壁的氧化速度，沟槽侧壁上生成的第二栅氧化层的厚度小于底部上生成的第二栅氧化层的厚度。
所述含氯气体的流量为0.2升每分钟～0.8升每分钟，例如0.2升每分钟、0.4升每分钟、0.6升每分钟、0.8升每分钟，较佳的含氯气体的流量为0.4升每分钟；所述氧气的流量不低于10升每分钟，例如10升每分钟、20升每分钟、30升每分钟，较佳的氧气的流量为10升每分钟。所述氧气的流量大于等于10升每分钟，例如10升每分钟、20升每分钟、30升每分钟，较佳的氧气流量为10升每分钟。
本实施例中，所述第一栅氧化层与所述第二栅氧化层的厚度之和大于400此时所述沟槽侧壁与底部的厚度差异小于30%，例如在所述第一栅氧化层与第二栅氧化层的厚度之和为的情况下，所述沟槽侧壁与底部的厚度差异减小到27%左右，如果形成的第一栅氧化层和第二栅氧化层的厚度增加，则沟槽侧壁和底部的厚度差异将进一步减小。
本发明所提供的栅氧化层的制造方法，在步骤S02中生成的第一栅氧化层，在沟槽侧壁上的厚度大于沟槽底部的厚度，在步骤S04中生成的第二栅氧化层，由于催化气体以及所述第一栅氧化层的影响，在沟槽侧壁上的厚度小于沟槽底部的厚度，虽然第一栅氧化层在沟槽侧壁与底部的厚度差与第二栅氧化层在沟槽侧壁与底部的厚度差并不相同，但是可以在一定程度上减小沟槽侧壁与底部的厚度差异。
综上所述，本发明提供的栅氧化层的制造方法，将栅氧化层的生成分为主要的三个步骤，先在炉管的正常温度下通入氧气形成第一栅氧化层，然后通入氮气并进行炉管升温，最后通入氧气与催化气体在所述第一栅氧化层上形成第二栅氧化层，第一栅氧化层在沟槽侧壁的厚度大于沟槽底部的厚度，第二栅氧化层因为有催化气体以及之前形成的第一栅氧化层的影响，其在沟槽侧壁的厚度小于沟槽底部的厚度，第二栅氧化层形成在第一栅氧化层之上，达到减小沟槽侧壁和底部厚度差异的问题，提高栅极氧化层的均匀性，从而提高器件的可靠性。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。
Claims (13)
1.一种栅氧化层的制造方法，其特征在于，包括：
提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有沟槽；
将所述半导体衬底放入炉管内，通入氧气，在所述沟槽的侧壁及底部形成第一栅氧化层；
向炉管中通入氮气，并升高炉管的温度；
向炉管中通入氧气与催化气体，在第一栅氧化层上形成第二栅氧化层。
2.如权利要求1所述的栅氧化层的制造方法，其特征在于，所述第一栅氧化层的厚度为
3.如权利要求2所述的栅氧化层的制造方法，其特征在于，形成第一栅氧化层的炉管温度为800℃～850℃。
4.如权利要求3所述的栅氧化层的制造方法，其特征在于，形成第一栅氧化层的氧气的流量大于等于10升每分钟。
5.如权利要求1所述的栅氧化层的制造方法，其特征在于，向炉管中通入氮气的步骤中，所述炉管的最终温度为1000℃～1100℃。
6.如权利要求1所述的栅氧化层的制造方法，其特征在于，所述催化气体为含氯气体。
7.如权利要求6所述的栅氧化层的制造方法，其特征在于，所述含氯气体为氯化氢和/或C2H4Cl2。
8.如权利要求7所述的栅氧化层的制造方法，其特征在于，所述含氯气体的流量为0.2升每分钟～0.8升每分钟。
9.如权利要求1所述的栅氧化层的制造方法，其特征在于，形成第二栅氧化层的氧气的流量大于等于10升每分钟。
10.如权利要求1所述的栅氧化层的制造方法，其特征在于，所述第一栅氧化层与第二栅氧化层的厚度之和大于
11.如权利要求10所述的栅氧化层的制造方法，其特征在于，所述沟槽侧壁的厚度与沟槽底部的厚度的差异小于30%。
12.如权利要求1～11中任意一项所述的栅氧化层的制造方法，其特征在于，所述沟槽的深宽比大于2:1。
13.如权利要求1～11中任意一项所述的栅氧化层的制造方法，其特征在于，刻蚀所述半导体衬底形成沟槽，被刻蚀的一面为<100>晶格。
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