專利名稱：隧道氧化層的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種隧道氧化層(Tunnel Oxide)的制造方法，特別是涉及一種利用快速熱氧化法(Rapid Thermal Oxidation；RTO)，并以原地(In-Situ)方式進行快速熱退火(Rapid Thermal Annealing；RTA)來制造隧道氧化層的方法。
背景技術(shù)：
依存取功能的差異，存儲器可大致上可區(qū)分為隨機存取存儲器(Random Access Memory；RAM)及只讀存儲器(Read Only Memory；ROM)兩大類。其中，隨機存取存儲器需要持續(xù)供應電源才能將所儲存的數(shù)據(jù)留住，因此稱為揮發(fā)性(Volatile)存儲器，而只讀存儲器所儲存的數(shù)據(jù)并不會因電源供應的中斷而流失，故稱為非揮發(fā)性(Nonvolatile)存儲器。此外，只讀存儲器又依數(shù)據(jù)存入方式的不同，而分為掩膜式只讀存儲器(Mask Read Only Memory；MROM)、可編程只讀存儲器(Programmable ROM；PROM)、可擦可編程只讀存儲器(ErasableProgrammable ROM；EPROM)、電可擦可編程只讀存儲器(ElectricallyErasable Programmable ROM；EEPROM)、以及快閃式存儲器(FlashMemory)等。由于，非揮發(fā)性存儲器可在電源關(guān)閉后，仍可將其記憶數(shù)據(jù)留存，因此廣泛地應用在計算機與電子工業(yè)上。尤其，隨著近年來筆記本型計算機、電信器材等便攜式電子組件的日益普及，組件集成度的持續(xù)增加，對于存取功能如同磁盤驅(qū)動器的電可擦可編程只讀存儲器及快閃式存儲器等技術(shù)的需求亦隨的日益提升。
請參照圖1，其所繪示為快閃式存儲器的晶胞的剖面圖。在此存儲器晶胞中，P型的基材10上形成有依序堆棧的隧道氧化層16、浮置柵(Floating Gate)18、介電層20、以及控制柵(Control Gate)22，且基材10的上表面形成有N型的漏極12與源極14，其中隧道氧化層16的成分可例如為二氧化硅(SiO2)，浮置柵18及控制柵22的成分可例如為多晶硅(Poly-Silicon)，且介電層20的成分可例如為二氧化硅或氮化硅(Silicon Nitride；Si3N4)。
若源極14與基材10接地，且對控制柵22與漏極12施加高電壓，而使得N型的漏極12與P型的基材10之間產(chǎn)生載流子倍增(CarrierMultiplication)現(xiàn)象。由載流子倍增現(xiàn)象所產(chǎn)生的熱電子，部分為漏極12吸收，而一部分則穿越隧道氧化層16進入浮置柵18中，使浮置柵18成帶電狀態(tài)。由于，與浮置柵18連接的隧道氧化層16與介電層20的成分具有高能障(Potential Barrier)，使得浮置柵18內(nèi)的電子無法逃離，而停駐在浮置柵18。施加正電壓至控制柵22以進行此存儲器晶胞的數(shù)據(jù)讀取時，由于浮置柵18帶有電荷，而存入數(shù)據(jù)“1”。另一方面，若浮置柵18內(nèi)無電子停駐，則存儲器晶胞將存入數(shù)據(jù)“0”。若要將存儲器晶胞內(nèi)所儲存的數(shù)據(jù)刪除，只需施加適當?shù)呢撾妷褐量刂茤?2，便可使停駐在浮置柵18內(nèi)的電子再度穿越隧道氧化層16，而離開浮置柵18，完成了存儲器晶胞內(nèi)所存入的數(shù)據(jù)的清除。
由于，電可擦可編程只讀存儲器及快閃式存儲器等存儲器的記憶晶胞中的數(shù)據(jù)寫入/抹除是由熱電子穿透隧道氧化層來進入/脫離浮置柵而達成。因此，隧道氧化層的電性品質(zhì)對存儲元件的穩(wěn)定性有相當大的影響，氧化層內(nèi)的過多雜質(zhì)或電荷會造成組件可靠度(Reliability)的降低，且引發(fā)不必要的電性變化。
而影響隧道氧化層等熱氧化層的電性穩(wěn)定度的主因為，由于氧化層中的雜質(zhì)缺陷或與硅基材的介面的未飽和鍵，將組件操作所產(chǎn)生的電荷抓住，而將電荷留置在氧化層內(nèi)，導致氧化層的電荷濃度增加。為降低氧化層中的電荷濃度，可在氧化層生成后，隨即利用退火工藝，來降低氧化層內(nèi)的雜質(zhì)缺陷或未飽和鍵的濃度，而減低電荷陷在氧化層的數(shù)量，進而達到降低氧化層內(nèi)的電荷濃度。
一般，大多利用熱氧化爐以熱爐管工藝(Furnace Process)成長二氧化硅來當作隧道氧化層，再利用熱爐管工藝進行隧道氧化層的退火。其中，退火工藝為一種應用廣泛的金屬冶煉技術(shù)，其原理是利用熱能來提高材料內(nèi)晶格原子與缺陷的能量，使晶格原子與缺陷的振動及擴散作用增加，而使材料內(nèi)的原子的排列進行重整，進而降低材料內(nèi)的缺陷。由缺陷的消失，進行再結(jié)晶(Recrystallization)，甚至更進一步地進行晶粒成長(Grain Growth)。由于退火工藝的目的是用以消除材料內(nèi)的缺陷，重整材料的結(jié)構(gòu)，因此可應用在氧化層生長后，以減少氧化層的缺陷，并提升氧化層的電性品質(zhì)。
請參照圖2，其所繪示為現(xiàn)有形成以及退火隧道氧化層的熱氧化爐的剖面示意圖。熱氧化爐100主要是由經(jīng)高溫退火的石英爐管(QuartzTube)102、加熱器104、及用以測量爐管溫度的熱電偶(Thermocouples)(未繪示)所組成。
利用熱氧化爐100制造二氧化硅薄膜當作隧道氧化層時，首先將約100片至約150片的基材106放在例如以石英制成的晶舟(Boats)112上，并送入熱氧化爐100中，且從氣體入口108充入適量的氮氣(N2)。接著，提升熱氧化爐100的溫度，再將氧氣(O2)通入熱氧化爐100，之后通入氫氣(H2)，開始熱氧化反應而生成二氧化硅，其中為避免氫氣在熱氧化爐100中累積而導致氫氣爆炸，因此熱氧化反應進行期間，通入氧氣的量至少必須大于氫氣量的一半以上，而反應后的氣體由排氣口110排出。然后，停止將氫氣以及氧氣注入熱氧化爐100，再利用氮氣進行降溫。
隨后，利用熱氧化爐100進行隧道氧化層的退火，由氣體入口108導入反應氣體，例如氮氣，以加熱器104將熱氧化爐100的溫度提高至一適當高溫，并將基材106在此高溫環(huán)境下放置一段時間。此時，利用高溫所產(chǎn)生的熱能，基材106上的隧道氧化層內(nèi)的原子進行晶格重排。然后，降低熱氧化爐100的溫度，再將基材106送出熱氧化爐100，完成了隧道氧化層的制作。
雖然，以爐管工藝進行熱氧化來成長并退火二氧化硅薄膜，可一次處理上百片基材，但所需的制造時間相當長，大約需數(shù)小時之久，因此不但導致生產(chǎn)效率的降低，且工藝所需的熱預算(Thermal Budget)亦相當高，造成制造成本的增加。
鑒于上述現(xiàn)有隧道氧化層的制造方法中，利用爐管工藝來形成并退火二氧化硅薄膜以當作隧道氧化層時，所需的制造時間太過漫長，而降低制造效率，且工藝熱預算太高，導致制造成本增加。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的主要目的在于提供一種隧道氧化層的制造方法，本發(fā)明的方法是利用快速熱處理(Rapid ThermalProcess；RTP)，以單晶片方式成長二氧化硅薄膜，制造隧道氧化層，以縮短反應時間，并提高產(chǎn)能。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種隧道氧化層的制造方法，本發(fā)明的方法是利用快速熱處理，以單晶片快速熱氧化方式形成二氧化硅薄膜來當作隧道氧化層。因此，不但二氧化硅薄膜生成速率高，工藝效率獲得提升，且其薄膜品質(zhì)亦較為均勻。
本發(fā)明的再一目的為提供一種隧道氧化層的退火方法，以單晶片的快速熱氧化工藝先形成隧道氧化層，再于同一反應室中，以原地方式進行隧道氧化層的快速熱退火工藝。因此，可縮短反應時間，大幅降低制造熱預算，以降低生產(chǎn)成本，提升隧道氧化層的品質(zhì)，并避免因更換反應室所造成的污染及所耗費的人力與時間。
根據(jù)以上所述的目的，本發(fā)明提供了一種隧道氧化層的制造方法，至少包括提供一基材；提供一快速加熱器，用以在該基材上形成一二氧化硅薄膜，其中在該基材上形成該二氧化硅薄膜的步驟至少包括加熱該基材，使該基材具有一第一反應溫度；以及注入一第一反應氣體以進行一熱氧化反應，且該第一反應氣體至少包括一氫氣與一氧氣，其中該第一反應氣體的該氫氣的一流量對該第一反應氣體的該氧氣與該第一反應氣體的該氫氣的一流量和具有一預設(shè)比值；以及以該快速加熱器對該基材上的該二氧化硅薄膜進行一退火步驟，其中該退火步驟包括控制一參數(shù)，該參數(shù)至少包括一第二反應溫度；一壓力；以及一第二反應氣體，其中該第二反應氣體包括一氮氣及一氧氣，且該第二反應氣體的該氮氣的一流量介于約每分鐘5公升至約每分鐘10公升，該第二反應氣體的該氧氣的一流量介于每分鐘0.2公升至每分鐘0.5公升。
換言之，本發(fā)明的方法采用快速熱處理的快速熱氧化方式，首先1將基材置入快速加熱器內(nèi)，并將溫度調(diào)整至預備溫度后，導入氮氣。接著，將快速加熱器的第一反應溫度提高至約850℃與約1100℃之間，注入第一反應氣體氧氣及氫氣以進行熱氧化反應，并調(diào)整其流量，使氫氣對氫氣與氧氣流量和的流量比值約為1％至約33％，且將工藝壓力維持在約5托(Torr)與約15托之間。熱氧化反應完成后，停止供應氫氣，并利用氮氣將快速加熱器的溫度快速調(diào)降至預備溫度。
然后，導入第二反應氣體，例如氮氣及氧氣，其中氮氣的流量約為每分鐘5公升至約每分鐘10公升，氧氣的流量約為每分鐘0.2公升至約每分鐘0.5公升。以加熱器將反應室的第二反應溫度提高至約850℃與約1100℃之間，并將反應室的壓力維持在約700托與約760托之間，且將基材在此第二反應溫度下維持約數(shù)十秒的時間。在此期間，基材上的隧道氧化層利用高溫所產(chǎn)生的熱能，進行原子晶格位置的重排。然后，降低反應室的溫度，再將基材送出反應室，便完成了隧道氧化層的制作。由于，快速熱處理的快速加熱器可在數(shù)秒內(nèi)將快速熱處理反應室內(nèi)的溫度提高至熱處理所需的溫度，且熱氧化反應以及熱退火反應所需的時間也僅需約數(shù)十秒，而完成反應后，又能以極為快速的速率在數(shù)秒內(nèi)將溫度降至原來的預備溫度。因此，本發(fā)明的方法所花費的時間很短，不僅具有低熱預算，低成本，高制程產(chǎn)能的優(yōu)點外，還可避免因轉(zhuǎn)換反應室所造成的污染，而獲得均勻度較佳的隧道氧化層。
本發(fā)明的優(yōu)點為1、本發(fā)明提供了一種隧道氧化層的制造方法，以快速熱處理取代現(xiàn)有爐管工藝，來制造二氧化硅薄膜當作記憶晶胞的隧道氧化層。由于，快速熱處理所花費的時間遠低于爐管工藝，且工藝品質(zhì)可獲得較佳的控制。因此，運用本發(fā)明可降低隧道氧化層的制造時間，提高制造效率，而提升其產(chǎn)能，并提升隧道氧化層的品質(zhì)，進而降低生產(chǎn)成本。
2、本發(fā)明為提供一種隧道氧化層的制造方法，由于利用快速熱氧化工藝形成隧道氧化層后，隨即原地進行單晶片的快速熱退火工藝，來改善隧道氧化層的電性品質(zhì)。因此，可大幅地縮減隧道氧化層的退火時間，并避免因更換反應室所造成的污染及所耗費的人力與時間，進而降低生產(chǎn)成本，并可提升隧道氧化層的品質(zhì)。


下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明進行詳細說明
圖1為繪示快閃式存儲器的晶胞的剖面圖；圖2為繪示現(xiàn)有形成以及退火隧道氧化層的熱氧化爐的剖面示意圖；以及圖3為繪示本發(fā)明的一較佳實施例的形成以及退火隧道氧化層的快速加熱器的剖面示意圖。
圖中符號說明10 基材 12漏極14 源極 16隧道氧化層18 浮置柵20介電層22 控制柵100熱氧化爐102石英爐管 104加熱器106基材 108氣體入口110排氣口112晶舟200快速加熱器202反射器204照射器206石英窗208基材 210基材支撐架212光學高溫計(Optical Pyrometer)214氣體入口具體實施方式
由于，應用于電可擦可編程只讀存儲器及快閃式存儲器的隧道氧化層的厚度相當薄，且隧道氧化層的品質(zhì)會影響記憶晶胞的存取。因此，如何制造出厚度符合要求且具高品質(zhì)的二氧化硅薄膜，來當作記憶晶胞的隧道氧化層，為本發(fā)明的保護范圍重點。
本發(fā)明的隧道氧化層是先于快速加熱器中，以快速熱氧化工藝生成于基材上，然后再同樣于快速加熱器中，進行快速熱退火工藝，以改善隧道氧化層的品質(zhì)。
請參照圖3，其所繪示為本發(fā)明的一較佳實施例的形成以及退火隧道氧化層的快速加熱器的剖面示意圖。快速熱處理的快速加熱器200主要包括反射器202、照射器204、石英窗206、以及光學高溫計212。其中，照射器204 用以快速加熱，反射 202則可將照射器204所發(fā)射的光反射至所需加熱的方向，而石英窗206用以讓照射器204所發(fā)出的光學輻射能透過，以照射基材208，光學高溫計212則用以控制快速加熱器200的溫度。
利用快速加熱器200進行快速熱氧化以在基材208上成長二氧化硅當作隧道氧化層時，首先將基材208置于快速加熱器200的基材支撐架210上，并將溫度調(diào)整至預備溫度后，再由氣體入口214注入氮氣，其中基材支撐架210通常以石英制成。接著，升高快速加熱器200的第一反應溫度至約850℃與約1100℃之間，再注入氧氣及氫氣等第一反應氣體以進行熱氧化反應，而在基材208上形成二氧化硅薄膜，其中氫氣對氫氣與氧氣流量和的流量比值控制在一預設(shè)比值下，此預設(shè)比值介于約1％至約33％之間，且工藝壓力維持在約5托與約15托之間。待熱氧化反應生成二氧化硅薄膜后，即停止氫氣與氧氣的供應，通入氮氣，以便將快速加熱器200的溫度快速調(diào)降至預備溫度。
此時，快速加熱器200的溫度處于預備溫度，因此不再將基材208轉(zhuǎn)換至另一機臺，直接由氣體入口214注入第二反應氣體，其中第二反應氣體至少包括氮氣及氧氣，且氮氣的流量為約為每分鐘5公升至約每分鐘10公升，氧氣的流量約為每分鐘0.2公升至約每分鐘0.5公升。接著，以照射器204加熱升高快速加熱器200的第二反應溫度至約850℃與約1100℃之間，并將工藝壓力維持在約700托與約760托之間。使基材208在此溫度環(huán)境下持續(xù)約數(shù)十秒，在此期間，利用照射器204所供應的熱能，隧道氧化層本身及其與基材208之間介面進行原子晶格位置的重新排列。然后，快速降溫，使快速加熱器200的溫度回到預備溫度，再將基材208送出快速加熱器200，便完成了隧道氧化層的制作。
由于，快速加熱器200可在數(shù)秒內(nèi)，便將快速加熱器200內(nèi)的基材208的溫度提升至熱氧化工藝以及熱退火工藝所需的溫度，待制造完成后，又能以極快的速率，在數(shù)秒內(nèi)將溫度降回原來的溫度。此外，熱氧化反應成長二氧化硅薄膜所需的時間僅需約數(shù)十秒，且退火二氧化硅薄膜的時間也僅需約數(shù)十秒。因此，相較于費時數(shù)小時的爐管工藝，快速加熱工藝所需的熱預算相當?shù)?，且整體的產(chǎn)能亦高于爐管工藝。
如本領(lǐng)域技術(shù)的人員所了解的，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用以限定本發(fā)明的專利范圍；凡其它未脫離本發(fā)明所揭示的精神下所完成的等效改變或修飾，均應包含在本發(fā)明的專利保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種隧道氧化層的制造方法，至少包括提供一基材；提供一快速加熱器，用以在該基材上形成一二氧化硅薄膜，其中在該基材上形成該二氧化硅薄膜的步驟至少包括加熱該基材，使該基材具有一第一反應溫度；以及注入一第一反應氣體以進行一熱氧化反應，且該第一反應氣體至少包括一氫氣與一氧氣，其中該第一反應氣體的該氫氣的一流量對該第一反應氣體的該氧氣與該第一反應氣體的該氫氣的一流量和具有一預設(shè)比值；以及以該快速加熱器對該基材上的該二氧化硅薄膜進行一退火步驟，其中該退火步驟包括控制一參數(shù)，該參數(shù)至少包括一第二反應溫度；一壓力；以及一第二反應氣體，其中該第二反應氣體包括一氮氣及一氧氣，且該第二反應氣體的該氮氣的一流量介于約每分鐘5公升至約每分鐘10公升，該第二反應氣體的該氧氣的一流量介于每分鐘0.2公升至每分鐘0.5公升。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隧道氧化層的制造方法，其特征在于該二氧化硅薄膜為一隧道氧化層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隧道氧化層的制造方法，其特征在于該基材的第一反應溫度介于850℃與1100℃之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隧道氧化層的制造方法，其特征在于該預設(shè)比值介于1％至33％之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隧道氧化層的制造方法，其特征在于該第一反應氣體還至少包括一氮氣。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隧道氧化層的制造方法，其特征在于進行該熱氧化反應的一壓力介于5托與15托之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隧道氧化層的制造方法，其特征在于該第二反應溫度介于850℃與1100℃之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隧道氧化層的制造方法，其特征在于進行該退火步驟的該壓力介于700托與760托之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隧道氧化層的制造方法，其特征在于該退火步驟接續(xù)形成該二氧化硅薄膜的步驟，且采用一原地方式。
10.一種隧道氧化層的制造方法，至少包括提供一基材；提供一快速加熱器，藉以在該基材上形成一二氧化硅薄膜，其中在該基材上形成該二氧化硅薄膜的步驟至少包括加熱該基材，使該基材的具有一第一反應溫度；以及注入一第一反應氣體以進行一熱氧化反應，且該第一反應氣體至少包括一氫氣與一氧氣，其中該第一反應氣體的該氫氣的一流量對該第一反應氣體的該氫氣與該第一反應氣體的該氧氣的一流量和具有一預設(shè)比值；以及以該快速加熱器對該基材上的該二氧化硅薄膜進行一退火步驟，其中該退火步驟包括控制一參數(shù)，該參數(shù)至少包括一第二反應溫度，介于850℃與1100℃之間；一壓力，介于700托與760托之間；以及一第二反應氣體，其中該第二反應氣體包括一氮氣及一氧氣，且該第二反應氣體的該氮氣的一流量介于每分鐘5公升至每分鐘10公升，該第二反應氣體的該氧氣的一流量介于每分鐘0.2公升至每分鐘0.5公升。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的隧道氧化層的制造方法，其特征在于該二氧化硅薄膜為一隧道氧化層。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的隧道氧化層的制造方法，其特征在于該第一反應氣體還至少包括一氮氣。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的隧道氧化層的制造方法，其特征在于該基材的該第一反應溫度介于850℃與1100℃之間。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的隧道氧化層的制造方法，其特征在于該預設(shè)比值介于1％至33％之間。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的隧道氧化層的制造方法，其特征在于進行該熱氧化反應的一壓力介于5托與15托之間。
16.根據(jù)權(quán)利要求10所述的隧道氧化層的制造方法，其特征在于該退火步驟接續(xù)形成該二氧化硅薄膜的步驟，且采用一原地方式。
17.一種隧道氧化層的制造方法，至少包括提供一基材；進行一快速熱氧化步驟，藉以在該基材上形成一二氧化硅薄膜，其中該快速熱氧化步驟至少包括控制一第一參數(shù)，且該第一參數(shù)至少包括一第一反應溫度，介于850℃與1100℃之間；一第一壓力，介于5托與15托之間；以及一第一反應氣體，其中該第一反應氣體包括一氫氣、一氧氣、以及一氮氣，且該第一反應氣體的該氫氣的一流量對該第一反應氣體的該氫氣與該第一反應氣體的該氧氣的一流量和的一比值介于1％至33％之間；以及對該基材上的該二氧化硅薄膜進行一快速熱退火步驟，其中該快速熱退火步驟包括控制一第二參數(shù)，該第二參數(shù)至少包括一第二反應溫度，介于850℃與1100℃之間；一第二壓力，介于700托與760托之間；以及一第二反應氣體，其中該第二反應氣體包括一氮氣及一氧氣，且該第二反應氣體的該氮氣的一流量介于每分鐘5公升至每分鐘10公升，該第二反應氣體的該氧氣的一流量介于每分鐘0.2公升至每分鐘0.5公升。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的隧道氧化層的制造方法，其特征在于進行該快速熱氧化步驟是利用一快速加熱器。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的隧道氧化層的制造方法，其特征在于進行該快速熱退火步驟是利用該快速加熱器。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的隧道氧化層的制造方法，其特征在于進行該快速熱退火步驟接續(xù)進行該快速熱氧化步驟，且采用一原地方式。
全文摘要
一種隧道氧化層(Tunnel Oxide)的制造方法。本發(fā)明的方法是利用快速熱處理(Rapid Thermal Process；RTP)取代現(xiàn)有利用爐管工藝(Fumace Process)，以單晶片快速熱氧化(Rapid Thermal Oxidation；RTO)方式成長二氧化硅(SiliconDioxide；SiO
文檔編號H01L21/02GK1417846SQ01136150
公開日2003年5月14日 申請日期2001年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月7日
發(fā)明者蘇金達 申請人:旺宏電子股份有限公司