DE4419762A1 - Component with grown and deposited two-film gate oxide and method for its production - Google Patents

Component with grown and deposited two-film gate oxide and method for its production

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Abstract

The present invention discloses a method for forming an oxide thin film such as, for example, a gate oxide layer, on a semiconductor, which includes the use of thermal growth techniques for growing a lower oxide film on the semiconductor, and uses the deposition techniques for growing an upper oxide film on the lower, grown oxide film. The two oxide films are formed in an environment containing dinitrogen monoxide. Nitrogen is incorporated on the semiconductor/oxide interface, as a result of which the number of unpaired bonds on the interface is reduced. While a silicon-containing gas is fed during formation of the upper, deposited film, the temperatures and gases used to form the two films produce a desired interface at the junction of the films. The oxide films, arranged one above the other, are then annealed at a temperature similar to that used during the film production. An electrode such as, for example, a gate region, can then be produced on the two-film layer.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements und insbesondere auf Gate-Oxidschichten.The present invention relates generally to Method for producing a semiconductor component and especially on gate oxide layers.

Bei der Herstellung von integrierten Schaltungschips wird eine dünne dielektrische Schicht auf einem Halbleitersub­ strat gebildet, um das Substrat elektrisch von den Elek­ troden, wie z. B. den Gate-Regionen, zu isolieren. Mit zu nehmender Miniaturisierung der Transistoren und anderer Bau­ elemente einer integrierten Schaltung, um die Anzahl von Bauelementen innerhalb eines Gruppenbereichs des Halbleiter­ substrats zu erhöhen, werden die Schichten bezüglich ihrer Dicke als auch bezüglich ihrer lateralen Abmessungen redu­ ziert. Dünne dielektrische Schichten von hoher Qualität spielen eine wichtige Rolle bei der Optimierung des Verhal­ tens von VLSI- und ULSI-Schaltungen (VLSI = Very Large-Scale Integration = sehr hoher Integrationsgrad; ULSI = Ultra Large-Scale Integration = ultra hoher Integrationsgrad).In the manufacture of integrated circuit chips a thin dielectric layer on a semiconductor sub strat formed to the substrate electrically from the elec tread such. B. isolate the gate regions. With to increasing miniaturization of transistors and other construction elements of an integrated circuit to the number of Components within a group area of the semiconductor to increase the substrate, the layers with respect to their Thickness and with regard to their lateral dimensions redu graces. High quality thin dielectric layers play an important role in optimizing behavior VLSI and ULSI circuits (VLSI = Very Large-Scale Integration = very high degree of integration; ULSI = Ultra Large-scale integration = ultra high degree of integration).

Obwohl manchmal dielektrische Materialien zum Bilden einer Gate-Oxidschicht für einen Feldeffekttransistor (FET) ver­ wendet werden, wird typischerweise Siliziumoxid (SiO₂) ver­ wendet. Idealerweise hat die Gate-Oxidschicht eine gleich­ mäßige Dicke. Feinste Löcher und andere Defekte werden das Verhalten des Bauelements jedoch nachteilig beeinflussen, nachdem sogar eine kleine Änderung der dielektrischen Dicke die Gate-Kapazität beeinflussen wird. Although sometimes dielectric materials to form one Gate oxide layer for a field effect transistor (FET) ver are used, typically silicon oxide (SiO₂) ver turns. Ideally, the gate oxide layer is the same moderate thickness. Finest holes and other defects will be However, adversely affect the behavior of the component, after even a small change in dielectric thickness will affect the gate capacitance.  

Ein Phänomen, das als Einfangen von "heißen Trägern" be­ zeichnet wird, ist der Qualität einer Gate-Oxidschicht ebenfalls zugeordnet. Elektronen, die in einem Silizium­ substrat durch eine Bauelementwirkung erzeugt werden, können ausreichend Energie erhalten, um die Barriere zwischen dem Silizium und der Oxidschicht zu überwinden, und werden in der Oxidschicht eingefangen, Eingefangene Ladungen werden in einer langsamen, langfristigen Änderung der Schwellenspan­ nung eines FET-Bauelements resultieren. U.S.-Patent Nr. 5,153,709 lehrt, daß die Schwellenspannungsänderung pro­ portional zur eingefangenen Ladung/Kapazität ist, und lehrt, daß der Ladungseinfang und die durch Defekte ausgelösten dielektrischen Durchbrüche die Skalierungsgrenzen für dünne Oxidschichten einstellen. Das Bauelement erholt sich über die Zeitdauer von Tagen mit einer Rate, die von der Qualität der Oxidschicht abhängt.A phenomenon that can be described as trapping "hot carriers" is the quality of a gate oxide layer also assigned. Electrons in a silicon substrate can be generated by a component effect get enough energy to break the barrier between that To overcome silicon and the oxide layer, and are in trapped in the oxide layer, trapped charges are in a slow, long-term change in the threshold span of a FET device result. U.S. Patent No. 5,153,709 teaches that the threshold voltage change per is proportional to the charge / capacity captured, and teaches that the charge capture and those caused by defects dielectric breakthroughs the scaling limits for thin Adjust oxide layers. The component recovers the length of days at a rate that is of quality depends on the oxide layer.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Bilden einer dünnen Oxidschicht, wie z. B. eines Gate- Oxids, zu schaffen, das die Zuverlässigkeit bezüglich heißer Träger und die zeitabhängigen dielektrischen Durchbruchs­ charakteristika einer solchen Schicht verbessert, und ein Halbleiterbauelement zu schaffen, das gemäß diesem Verfahren hergestellt ist.It is the object of the present invention, a method to form a thin oxide layer, such as. B. a gate Oxides, which create reliability with regard to hotter Carrier and the time-dependent dielectric breakdown characteristics of such a layer improved, and a To create a semiconductor device according to this method is made.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und Anspruch 11, und durch ein Halbleiterbauelement nach An­ spruch 16 gelöst.This object is achieved by a method according to claim 1 and Claim 11, and by a semiconductor device according to An Proverb 16 solved.

Die vorliegende Erfindung bildet eine Zwei-Film-Oxidschicht, die ein thermisch aufgewachsenes unteres Oxid, das Stick­ stoff an einer Silizium/Siliziumoxid-Schnittstelle ein­ schließt, und ein abgeschiedenes oberes Substrat, das die Dicke der Oxidschicht auf einen nutzbaren Bereich erhöht, umfaßt.The present invention forms a two-film oxide layer which is a thermally grown lower oxide, the stick material at a silicon / silicon oxide interface closes, and a deposited top substrate that the Increased thickness of the oxide layer to a usable range, includes.

In einem ersten Schritt wird ein Siliziumoxidfilm (SiO₂-Film) auf einem Halbleitersubstrat in einer Distickstoffoxid enthaltenden Umgebung aufgewachsen. "Thermisch aufgewachsen" ist hier als die Bildung des Oxids auf eine Art definiert, die primär von der Oxidation des Siliziumsubstrats selbst abhängt. Herkömmlicherweise wird die thermische Oxidation durchgeführt, indem das Silizium trockenem Sauerstoff oder Wasserdampf ausgesetzt wird. Die chemische Reaktion an der Siliziumoberfläche, wenn trockener Sauerstoff verwendet wird, lautet:In a first step, a silicon oxide film (SiO₂ film) on a semiconductor substrate in a nitrous oxide  containing environment grew up. "Grown up thermally" is defined here as the formation of the oxide in a way primarily from the oxidation of the silicon substrate itself depends. Traditionally, thermal oxidation performed by the silicon dry oxygen or Exposed to water vapor. The chemical reaction at the Silicon surface if dry oxygen is used reads:

Si + O₂ → SiO₂.Si + O₂ → SiO₂.

Durch Verwenden von Distickstoffoxid N₂O wird eine kleine Menge Stickstoff an der Si/SiO₂-Schnittstelle eingebaut.By using nitrous oxide N₂O a small Quantity of nitrogen installed at the Si / SiO₂ interface.

Das thermisch aufgewachsene Oxid wird bei einer erhöhten Temperatur gebildet, bevorzugterweise innerhalb des Bereichs von 800°C bis 1000°C. Das thermische Aufwachsen erfolgt mit zunehmender Dicke des Siliziumoxids mit einer ständig ab­ nehmenden Rate.The thermally grown oxide is increased at an Temperature formed, preferably within the range from 800 ° C to 1000 ° C. The thermal growth takes place with increasing thickness of the silicon oxide with a steadily decreasing increasing rate.

Das obere Oxid wird "abgeschieden", d. h. auf eine Art ge­ bildet, die nicht primär von einer chemischen Reaktion auf der Siliziumoberfläche abhängig ist. Bevorzugterweise wird das obere Oxid unter Verwendung von Niederdruckgasphasen­ abscheidungstechniken gebildet. Ein Silizium-enthaltendes Gas wird in eine N₂O-Umgebung eingeführt, um ein Silizium­ oxid zu bilden. Bevorzugterweise erfolgt der Prozeß bei einer Temperatur gleich oder geringer der Temperatur, die beim thermischen Aufwachsen des unteren Oxids verwendet wurde. Ein wünschenswertes Silizium-enthaltendes Gas ist Dichlorsilan, so daß die chemische Reaktion wie folgt ist:The top oxide is "deposited", i.e. H. in a way does not form primarily from a chemical reaction the silicon surface is dependent. It is preferred the upper oxide using low pressure gas phases deposition techniques formed. A silicon-containing one Gas is introduced into an N₂O environment around a silicon to form oxide. The process preferably takes place at a temperature equal to or less than the temperature which used in the thermal growth of the lower oxide has been. A desirable silicon-containing gas is Dichlorosilane, so the chemical reaction is as follows:

SiH₂Cl₂ + 2N₂O → SiO₂ + 2HCl + 2N₂.SiH₂Cl₂ + 2N₂O → SiO₂ + 2HCl + 2N₂.

Die übereinander angeordneten Oxide werden dann ausgeheilt, um die Häufigkeit von Defekten zu reduzieren. Die Ausheil­ temperatur liegt bevorzugterweise in einem Bereich, der dem beim thermischen Aufwachsen und beim Abscheiden der überein­ ander angeordneten Oxide ähnlich ist. Die Ausheilung wird in einer Stickstoff-enthaltenden Umgebung, wie z. B. N₂O oder N₂ erreicht, aber es kann auch O₂ verwendet werden. Die über­ einander angeordneten Oxide können dann strukturiert werden, und eine Gate-Region kann auf den strukturierten Oxiden ge­ bildet werden.The stacked oxides are then cured, to reduce the frequency of defects. The healing temperature is preferably in a range that the when thermally growing and when separating  other arranged oxides is similar. The healing is in a nitrogen-containing environment, e.g. B. N₂O or N₂ reached, but it can also be used O₂. The over mutually arranged oxides can then be structured and a gate region can be on the patterned oxides be formed.

Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß durch Einbauen von Stickstoff an der Si/SiO₂-Schnittstelle die Anzahl von losen Bindungen bedeutend reduziert werden kann. Der stabilere SiO₂-Film, der in der N₂O-Umgebung her­ gestellt wurde, erniedrigt verglichen mit den Oxiden, die in O₂- oder H₂O-Umgebungen aufgewachsen wurden, die Anzahl der Ladungszustände. Folglich werden die Zuverlässigkeit bezüg­ lich der heißen Träger und die zeitabhängigen dielektrischen Durchbruchscharakteristika verbessert.An advantage of the present invention is that by incorporating nitrogen at the Si / SiO₂ interface the number of loose ties can be significantly reduced can. The more stable SiO₂ film in the N₂O environment was compared to the oxides contained in O₂ or H₂O environments were raised, the number of Charge states. As a result, reliability is related Lich the hot carrier and the time-dependent dielectric Breakthrough characteristics improved.

Die Verwendung des N₂O-aufgewachsenen Oxids ist aufgrund der Tatsache, daß das Aufwachsen eines solchen Films selbstbe­ schränkend ist, beschränkt. Bei ULSI-Anwendungen kann das Oxidwachstum bei einer Dicke in einem Bereich von 2-4 nm abgeschlossen sein. Die obere Oxidschicht wird dann abge­ schieden. Ein zweiter Vorteil der vorliegenden Erfindung be­ steht darin, daß das abgeschiedene Oxid einen sinnvollen Dickebereich erzeugt. Bezüglich ULSI-Anwendungen kann das abgeschiedene Oxid eine Dicke in dem Bereich von 4-10 nm haben. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß das obere, abgeschiedene Oxid jegliche Defekte in dem unteren, aufge­ wachsenen Oxid, die durch Substratdefekte oder durch Verun­ reinigung hervorgerufen wurden, abschirmt.The use of the N₂O-grown oxide is due to the The fact that the growth of such a film is self-evident is restrictive. In ULSI applications this can Oxide growth with a thickness in the range of 2-4 nm to be finished. The upper oxide layer is then removed divorced. A second advantage of the present invention is that the deposited oxide makes sense Thickness area created. With regard to ULSI applications, this can deposited oxide a thickness in the range of 4-10 nm to have. Another advantage is that the top, deposited oxide any defects in the lower one, up growing oxide caused by substrate defects or by Verun cleaning have been caused.

Beim Bilden des oberen, abgeschiedenen Oxids liegt das Ver­ hältnis von Distickstoffoxid zu Dichlorsilan bevorzugter­ weise zumindest bei 2 : 1 und optimalerweise bei etwa 3 : 1. Weil das Distickstoffoxid vorherrschend ist, werden die Oxidaufwachs- und Oxidabscheidungs-Schritte sowohl bezüglich der Atmosphäre als auch der Temperatur auf ähnliche Weise ausgeführt. Wiederum ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß an dem Übergang der zwei Oxid­ filme eine wünschenswerte Schnittstelle erzeugt wird.When the upper, deposited oxide is formed, the ver Ratio of nitrous oxide to dichlorosilane more preferred wise at least 2: 1 and optimally around 3: 1. Because nitrous oxide is predominant, the Oxide growth and deposition steps with respect to both the atmosphere as well as the temperature in a similar way executed. Another advantage of the present  Invention is that at the transition of the two oxide films a desirable interface is created.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin­ dung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigenA preferred embodiment of the present invention below is with reference to the accompanying Drawings explained in more detail. Show it

Fig. 1 eine Querschnittdarstellung eines Abschnitts eines Halbleiterwafers mit Feldoxidregionen; FIG. 1 is a cross-sectional view of a portion of a semiconductor wafer with field oxide regions;

Fig. 2 eine Querschnittdarstellung des Halbleitersubstrats aus Fig. 1 während des thermischen Aufwachsens eines unteren Oxidfilms; FIG. 2 shows a cross-sectional illustration of the semiconductor substrate from FIG. 1 during the thermal growth of a lower oxide film;

Fig. 3 eine Querschnittdarstellung des Halbleitersubstrats aus Fig. 2 während des Abscheidens eines oberen Oxidfilms; Fig. 3 is a cross sectional view of the semiconductor substrate of Figure 2 during the deposition of an upper oxide film.

Fig. 4 eine Querschnittdarstellung des Halbleitersubstrats aus Fig. 3 mit einer elektrisch leitfähigen Region, die auf den Oxidfilm strukturiert ist; und FIG. 4 shows a cross-sectional illustration of the semiconductor substrate from FIG. 3 with an electrically conductive region that is structured on the oxide film; FIG. and

Fig. 5 eine Querschnittdarstellung des Halbleitersubstrats aus Fig. 4, das darin gebildete Source-/Drain­ regionen aufweist. FIG. 5 shows a cross-sectional illustration of the semiconductor substrate from FIG. 4, which has source / drain regions formed therein.

In Fig. 1 ist ein Halbleitersubstrat 10 gezeigt, das Feld­ oxidregionen 12 und 14 aufweist, die eine Insel 16 vom Rest des Substrats elektrisch isolieren. Die Feldoxidregionen können unter Verwendung des Ansatzes einer örtlichen Oxi­ dation von Silizium (LOCOS = LOCal Oxidation of Silicon) oder durch den Ansatz einer Seitenwand-maskierten Isolation (SWAMI = Side Wall Masked Isolation) oder durch irgendeinen anderen in Fachkreisen bekannten Ansatz gebildet werden. Die Insel 16 ist zur Bildung eines integrierten Schaltungsbau­ elements, wie z. B. eines Transistors, isoliert.In Fig. 1, a semiconductor substrate 10 is shown, the field oxide regions 12 and 14 having the electrically insulating an island 16 from the rest of the substrate. The field oxide regions can be formed using a local oxidation of silicon (LOCOS) approach, or side wall masked isolation (SWAMI) approach, or any other approach known in the art. The island 16 is used to form an integrated circuit device, such as. B. a transistor, isolated.

Typischerweise ist das Halbleitersubstrat 10 ein Silizium­ wafer. Die Elektroden eines Transistors können in dem Wafer gebildet sein oder können über der Oberfläche des Wafers hergestellt werden. Herkömmlicherweise haben Feldeffekt­ transistoren Source- und Drain-Regionen in dem Halbleiter­ substrat und eine Elektrodenregion, die auf der Oberseite des Substrats gebildet ist. Eine dielektrische Schicht wird verwendet, um die Gate-Region von dem Substrat zu isolieren. Diese besondere dielektrische Schicht wird als Gate-Oxid­ schicht bezeichnet, aber das Verfahren, das im folgenden beschrieben wird, kann zur Bildung anderer dielektrischer Schichten auf dem Substrat verwendet werden.The semiconductor substrate 10 is typically a silicon wafer. The electrodes of a transistor can be formed in the wafer or can be fabricated over the surface of the wafer. Conventionally, field effect transistors have source and drain regions in the semiconductor substrate and an electrode region formed on the top of the substrate. A dielectric layer is used to isolate the gate region from the substrate. This particular dielectric layer is referred to as a gate oxide layer, but the method described below can be used to form other dielectric layers on the substrate.

Im ersten Schritt, der in Fig. 2 gezeigt ist, wird ein thermisches Oxid 18 auf der Oberfläche des Halbleiterwafers aufgewachsen. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Höhe der Temperatur, die dem thermischen Aufwachsprozeß zugeordnet ist, innerhalb des Bereichs von 800°C bis 1000°C gehalten. Ein Sauerstoff-enthaltendes Gas wird eingeführt, um die Oxidation zu beginnen. Um Stickstoff an der Sili­ zium/Oxid-Schnittstelle 20 einzubauen, wird als Sauerstoff­ enthaltendes Gas N₂O verwendet. In Fig. 2 ist die Höhe der Temperatur durch die Linien 22 dargestellt, während der Fluß von N₂O durch den Pfeil 24 dargestellt ist.In the first step, which is shown in FIG. 2, a thermal oxide 18 is grown on the surface of the semiconductor wafer. In a preferred embodiment, the level of temperature associated with the thermal growth process is maintained within the range of 800 ° C to 1000 ° C. An oxygen-containing gas is introduced to start the oxidation. In order to incorporate nitrogen at the silicon / oxide interface 20 , N₂O is used as the gas containing oxygen. In Fig. 2 the level of temperature is represented by lines 22, while the flow of N₂O is represented by arrow 24 .

Der Einbau von Stickstoff an der Silizium/Oxid-Schnittstelle reduziert die Anzahl von losen Bindungen an der Schnitt­ stelle. Folglich werden die Zuverlässigkeit bezüglich der heißen Träger und die zeitabhängigen dielektrischen Durch­ bruchscharakteristika verbessert. Mit zunehmend dünner wer­ denden Oxiden bei VLSI- und ULSI-Schaltungen erzeugen die Heiß-Träger-Effekte eine langsame, langfristige Änderung der Schwellenspannung von Transistoren. Durch Reduzierung der losen Bindungen durch das Einbauen von Stickstoff wird die Langzeitstabilität erhöht.The installation of nitrogen at the silicon / oxide interface reduces the number of loose ties on the cut Job. Consequently, the reliability in terms of are called carriers and the time-dependent dielectric through fracture characteristics improved. With increasingly thinner who Oxides in VLSI and ULSI circuits generate the Hot-carrier effects a slow, long-term change in Threshold voltage of transistors. By reducing the loose bonds through the incorporation of nitrogen Long-term stability increased.

Das thermische Aufwachsen von Siliziumoxid, SiO₂, um den thermischen Oxidfilm 18 zu bilden, ist selbstbeschränkend. Mit zunehmender Dicke des thermischen Oxids wird der Prozeß langsamer. Eine Dicke im Bereich von 2-4 nm ist zur Bil­ dung des thermischen Oxids ausreichend.The thermal growth of silicon oxide, SiO₂, to form the thermal oxide film 18 is self-limiting. The process slows down as the thickness of the thermal oxide increases. A thickness in the range of 2-4 nm is sufficient to form the thermal oxide.

In Fig. 3 wird ein oberer Siliziumoxidfilm 26 auf dem unte­ ren, thermisch aufgewachsenen Oxid 18 gebildet. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das abgeschiedene Oxid 20 unter Verwendung der Niederdruckabscheidung aus der Gas­ phase (LPCVD) bei einer erhöhten Temperatur, die kleiner oder gleich der Temperatur ist, die beim Aufwachsen des thermischen Oxids 18 verwendet wurde, gebildet. Folglich würde die Temperatur bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel 1000°C nicht überschreiten. Ein annehmbarer Druck während des LPCVD-Verfahrens beträgt 0,6 mTorr, aber dies stellt kein erforderliches Merkmal dar.In Fig. 3, an upper silicon oxide film 26 is formed on the lower, thermally grown oxide 18 . In a preferred embodiment, the deposited oxide 20 is formed using the low pressure vapor deposition (LPCVD) at an elevated temperature that is less than or equal to the temperature used in growing the thermal oxide 18 . As a result, the temperature in the preferred embodiment would not exceed 1000 ° C. An acceptable pressure during the LPCVD process is 0.6 mTorr, but this is not a required feature.

Die Linien 28 zeigen, daß die Höhe der Temperatur kleiner oder gleich derjenigen ist, die beim Aufwachsen des thermi­ schen Oxids 18 verwendet wurde, während ein erster Pfeil 30 einen Fluß von N₂O darstellt, und ein zweiter Pfeil 32 einen Fluß von Silizium-enthaltendem Gas darstellt. Obwohl es kein erforderliches Merkmal darstellt, ist das Silizium-enthal­ tende Gas bevorzugterweise Dichlorsilan. Die Konzentration des Distickstoffoxids 30 ist bevorzugterweise größer als der Fluß des Dichlorsilans. Ein 2 : 1-Verhältnis von Distickstoff­ oxid zu Dichlorsilan wird bevorzugt, und ein Verhältnis von etwa 3 : 1 ist optimal. Die Flußrate 30 des Distickstoffoxids kann 210 cc/m sein, während der Fluß des Dichlorsilans 70 cc/m sein kann.Lines 28 show that the level of temperature is less than or equal to that used in the growth of thermal oxide 18 , while a first arrow 30 represents a flow of N₂O and a second arrow 32 a flow of silicon-containing gas represents. Although not a required feature, the silicon-containing gas is preferably dichlorosilane. The concentration of nitrous oxide 30 is preferably greater than the flow of dichlorosilane. A 2: 1 ratio of nitrous oxide to dichlorosilane is preferred, and a ratio of about 3: 1 is optimal. The flow rate 30 of nitrous oxide can be 210 cc / m, while the flow of dichlorosilane can be 70 cc / m.

Aufgrund der Tatsache, daß das Distickstoffoxid das vor­ herrschende Gas ist, und weil die Temperatur, die beim Bilden des oberen Oxidfilms 26 verwendet wird, mit derjeni­ gen zum Bilden des thermischen Oxids 18 kompatibel ist, ist die Schnittstelle zwischen den zwei Siliziumoxidfilmen er­ wünscht. Das obere abgeschiedene Oxid 26 erhöht die Dicke der sich ergebenden Gate-Oxidstruktur auf einen sinnvollen Bereich. Das abgeschiedene Oxid 26 kann eine Dicke im Be­ reich von 4-10 nm haben. Überdies ist das abgeschiedene Oxid 26 wirksam, um die Einflüsse des N₂O-aufgewachsenen thermischen Oxids 18, die durch Defekte oder eine Verun­ reinigung auf der Ebene des Halbleitersubstrats 10 ver­ ursacht werden, abzuschirmen. Mit abnehmender Dicke der Gate-Oxide sind solche Defekte bei thermisch aufgewachsenen Oxiden typischerweise problematischer.Due to the fact that the nitrous oxide is the predominant gas and because the temperature used in forming the upper oxide film 26 is compatible with that for forming the thermal oxide 18 , the interface between the two silicon oxide films is desirable. The upper deposited oxide 26 increases the thickness of the resulting gate oxide structure to a reasonable range. The deposited oxide 26 can have a thickness in the range of 4-10 nm. In addition, the deposited oxide 26 is effective to shield the influences of the N₂O-grown thermal oxide 18 , which are caused by defects or contamination at the level of the semiconductor substrate 10 . With decreasing gate oxide thickness, such defects are typically more problematic with thermally grown oxides.

Die übereinander angeordneten Oxide 18 und 26 werden dann in einer N₂O, O₂ oder N₂ Umgebung in einem Temperaturbereich ausgeheilt, der dem bei der Bildung der Oxide ähnlich ist. Die Ausheilung reduziert die Wahrscheinlichkeit von verhal­ tensbeeinflussenden Defekten innerhalb der Gate-Oxidschicht weiter. Bevorzugterweise wird die Ausheilung in einem der oben angeführten Stickstoff-enthaltenden Gase durchgeführt.The superimposed oxides 18 and 26 are then cured in a N₂O, O₂ or N₂ environment in a temperature range that is similar to that in the formation of the oxides. Healing further reduces the likelihood of behavioral defects within the gate oxide layer. The curing is preferably carried out in one of the nitrogen-containing gases mentioned above.

In Fig. 4 wurde eine Gate-Region 40 auf einer Zwei-Film- Gateoxidschicht 34 hergestellt, die aus dem aufgewachsenen Oxid 18 und dem abgeschiedenen Oxid 26 besteht. Typischer­ weise wird eine Polysiliziumschicht abgeschieden und struk­ turiert, um die Gate-Region 40 zu bilden. Die Strukturierung der Gate-Region 40 kann durch Verwendung von photolithogra­ phischen Techniken zum Belichten und Entwickeln eines Photo­ resists erreicht werden, wobei das entwickelte Photoresist das Gate und die Gate-Oxidschicht vor der Entfernung durch einen nachfolgenden Ätzschritt schützen. Das entwickelte Photoresist wird dann entfernt. Eine Ionenimplantation oder andere bekannte Techniken können dann verwendet werden, um die freigelegten Regionen des Halbleitersubstrats 10 zu do­ tieren, um die Source-/Drain-Regionen 36 und 38 zu bilden, wie es in Fig. 5 gezeigt ist.In FIG. 4, a gate region 40 was fabricated on a two-film gate oxide layer 34 , which consists of the grown oxide 18 and the deposited oxide 26 . Typically, a polysilicon layer is deposited and structured to form the gate region 40 . The patterning of the gate region 40 can be accomplished using photolithographic techniques for exposing and developing a photo resist, the developed photoresist protecting the gate and the gate oxide layer from removal by a subsequent etching step. The developed photoresist is then removed. Ion implantation or other known techniques can then be used to dope the exposed regions of the semiconductor substrate 10 to form the source / drain regions 36 and 38 , as shown in FIG. 5.

Obwohl die vorliegende Erfindung als solche beschrieben wurde, bei der eine Gate-Oxidschicht gebildet wird, kann die Zwei-Film-Dielektrikschicht bei anderen Anwendungen verwen­ det werden, bei denen eine dünne dielektrische Schicht auf einem Halbleiter gebildet werden soll. In Fig. 4 kann z. B. eine dünne dielektrische Schicht 4, die ein aufgewachsenes Oxid 18 und ein abgeschiedenes Oxid 26 umfaßt, gebildet wer­ den, um ein Halbleitersubstrat 10 von einer elektrischen Verbindung 40 zu isolieren.Although the present invention has been described as such in which a gate oxide layer is formed, the two-film dielectric layer can be used in other applications in which a thin dielectric layer is to be formed on a semiconductor. In Fig. 4 z. B. a thin dielectric layer 4 , which comprises a grown oxide 18 and a deposited oxide 26 , who who to isolate a semiconductor substrate 10 from an electrical connection 40 .

Claims (18)

1. Verfahren zur Bildung einer Oxidschicht (34) auf einem Halbleiter, das folgende Schritte aufweist:
Bereitstellen eines Siliziumsubstrats (10);
thermisches Aufwachsen eines unteren Oxidfilms (18) auf dem Siliziumsubstrat (10) in einer Distickstoffoxid enthaltenden Umgebung (24), wodurch eine Stickstoff­ haltige Silizium/Oxid-Schnittstelle (20) gebildet wird; und
Abscheiden eines oberen Oxidfilms (26) auf dem unteren Oxidfilm (18) in einer Silizium-enthaltenden und Di­ stickstoffoxid enthaltenden Umgebung (30, 32).
1. A method for forming an oxide layer ( 34 ) on a semiconductor, comprising the following steps:
Providing a silicon substrate ( 10 );
thermally growing a lower oxide film ( 18 ) on the silicon substrate ( 10 ) in an environment ( 24 ) containing nitrous oxide, thereby forming a nitrogen-containing silicon / oxide interface ( 20 ); and
Depositing an upper oxide film ( 26 ) on the lower oxide film ( 18 ) in a silicon-containing and nitrogen oxide-containing environment ( 30 , 32 ).
2. Verfahren nach Anspruch 1, das ferner das Bilden einer Gate-Region (40) auf dem oberen Oxidfilm (26) umfaßt.2. The method of claim 1, further comprising forming a gate region ( 40 ) on the top oxide film ( 26 ). 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Abscheiden des oberen Oxidfilms (26) ein Schritt einer Abscheidung eines Siliziumoxidfilms aus der Gasphase ist.3. The method of claim 1 or 2, wherein depositing the top oxide film ( 26 ) is a step of depositing a silicon oxide film from the gas phase. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, das ferner das Ausheilen des oberen und des unteren Oxidfilms (18, 26) nach dem Abscheiden des oberen Oxidfilms (26) umfaßt.4. The method of any one of claims 1 to 3, further comprising annealing the upper and lower oxide films ( 18 , 26 ) after depositing the upper oxide film ( 26 ). 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das thermische Aufwachsen des unteren Oxidfilms (18) und das Abscheiden des oberen Oxidfilms (26) in einer N₂O-Um­ gebung ausgeführt werden.5. The method according to any one of claims 1 to 4, wherein the thermal growth of the lower oxide film ( 18 ) and the deposition of the upper oxide film ( 26 ) are carried out in an N₂O environment. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das thermische Aufwachsen des unteren Oxidfilms (18) und das Abscheiden des oberen Oxidfilms (26) bei einer Tempera­ tur im Bereich von 800°C bis 1000°C ausgeführt wird.6. The method according to any one of claims 1 to 5, wherein the thermal growth of the lower oxide film ( 18 ) and the deposition of the upper oxide film ( 26 ) is carried out at a temperature in the range of 800 ° C to 1000 ° C. 7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem das thermische Auf­ wachsen des unteren Oxidfilms (18) und das Abscheiden des oberen Oxidfilms (26) ausgeführt werden, um eine gemeinsame Dicke von weniger als 15 nm zu bilden.7. The method of claim 6, wherein the thermal growth of the lower oxide film ( 18 ) and the deposition of the upper oxide film ( 26 ) are carried out to form a common thickness of less than 15 nm. 8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der untere Oxidfilm (18) eine Dicke von weniger als 5 nm hat.8. The method of claim 7, wherein the lower oxide film ( 18 ) has a thickness of less than 5 nm. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem das Abscheiden des oberen Oxidfilms (26) ein Schritt ist, der in einem SiH₂Cl₂-Gasfluß und in einem N₂O-Gasfluß ausgeführt wird.9. The method according to any one of claims 1 to 8, wherein the deposition of the upper oxide film ( 26 ) is a step which is carried out in a SiH₂Cl₂ gas flow and in an N₂O gas flow. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem das Verhältnis des SiH₂Cl₂-Gasflusses zu dem N₂O-Gasfluß zumindest 2 : 1 ist.10. The method according to any one of claims 1 to 9, in which the Ratio of the SiH₂Cl₂ gas flow to the N₂O gas flow is at least 2: 1. 11. Verfahren zum Bilden einer Gate-Region auf einem Halb­ leiterbauelement, mit folgenden Schritten:
Bereitstellen eines Siliziumsubstrats (10);
Anwenden von thermischen Aufwachstechniken, um ein erstes Oxid (18) auf dem Siliziumsubstrat (10) auf zu­ wachsen, einschließlich des Erhöhens der Temperatur über dem Siliziumsubstrat (10) auf eine erste Temperatur und einschließlich des Einführens von N₂O-Gas in die At­ mosphäre;
Anwenden von Abscheidungstechniken aus der Gasphase, um ein zweites Oxid (26) auf dem ersten Oxid (18) abzu­ scheiden, einschließlich des Beibehaltens der Atmosphäre über dem Siliziumsubstrat (10) bei einer maximalen Temperatur, die die erste Temperatur nicht überschrei­ tet, und einschließlich dem Einführen von N₂O-Gas und einem Silizium-enthaltenden Gas in die Atmosphäre; und
Bilden eines Gates (40) auf dem zweiten Oxid (26).
11. A method for forming a gate region on a semiconductor device, with the following steps:
Providing a silicon substrate ( 10 );
Applying thermal growth techniques to grow a first oxide ( 18 ) on the silicon substrate ( 10 ), including raising the temperature above the silicon substrate ( 10 ) to a first temperature and including introducing N₂O gas into the atmosphere;
Applying gas phase deposition techniques to deposit a second oxide ( 26 ) on the first oxide ( 18 ), including maintaining the atmosphere over the silicon substrate ( 10 ) at a maximum temperature that does not exceed the first temperature and including introducing N₂O gas and a silicon-containing gas into the atmosphere; and
Forming a gate ( 40 ) on the second oxide ( 26 ).
12. Verfahren nach Anspruch 11, das ferner das Ausheilen des ersten und des zweiten Oxids (18, 26) vor dem Bilden des Gates (40) umfaßt, wobei das Ausheilen bei einer maxi­ malen Temperatur erfolgt, die die erste Temperatur nicht überschreitet.12. The method of claim 11, further comprising annealing the first and second oxides ( 18 , 26 ) prior to forming the gate ( 40 ), the annealing occurring at a maximum temperature that does not exceed the first temperature. 13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, bei dem das Si­ lizium-enthaltende Gas Dichlorsilan ist, das eine Konzentration aufweist, die geringer ist als die Kon­ zentration des N₂O-Gases.13. The method of claim 11 or 12, wherein the Si silicon-containing gas is dichlorosilane, the one Concentration that is less than the Kon concentration of the N₂O gas. 14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei dem das erste und das zweite Oxid (18, 26) mit einer ge­ meinsamen Dicke von weniger als 15 nm gebildet sind.14. The method according to any one of claims 11 to 13, wherein the first and the second oxide ( 18 , 26 ) are formed with a common thickness of less than 15 nm. 15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, bei dem die Ausheilung in einer Umgebung von Stickstoff-ent­ haltendem Gas ausgeführt wird.15. The method according to any one of claims 12 to 14, in which healing in an environment of nitrogen ent holding gas is running. 16. Halbleiterbauelement, mit:
einem Siliziumsubstrat (10);
einem thermisch aufgewachsenen Siliziumoxidfilm (18) auf dem Siliziumsubstrat (10), wobei eine Schnittstelle des Siliziumsubstrats (10) mit dem thermisch aufgewachsenem Siliziumoxid (18) eine Konzentration von Stickstoff auf­ weist;
einem abgeschiedenen Siliziumoxidfilm (26) auf dem thermische aufgewachsenen Siliziumoxidfilm (18); und
einer Gate-Region (40) auf dem abgeschiedenen Silizium­ oxidfilm (26).
16. Semiconductor component, with:
a silicon substrate ( 10 );
a thermally grown silicon oxide film ( 18 ) on the silicon substrate ( 10 ), an interface of the silicon substrate ( 10 ) with the thermally grown silicon oxide ( 18 ) having a concentration of nitrogen;
a deposited silicon oxide film ( 26 ) on the thermally grown silicon oxide film ( 18 ); and
a gate region ( 40 ) on the deposited silicon oxide film ( 26 ).
17. Bauelement nach Anspruch 16, bei dem das Silizium­ substrat (10) Source-/Drain-Regionen (36, 38) auf gegenüberliegenden Seiten des thermisch aufgewachsenen Siliziumoxids (18) aufweist.17. The component according to claim 16, wherein the silicon substrate ( 10 ) has source / drain regions ( 36 , 38 ) on opposite sides of the thermally grown silicon oxide ( 18 ). 18. Bauelement nach Anspruch 16 oder 17, bei dem der ther­ misch aufgewachsene und der abgeschiedene Silizium­ oxidfilm (18, 26) eine gemeinsame Dicke von weniger als 15 nm aufweisen.18. The component according to claim 16 or 17, wherein the thermally grown and the deposited silicon oxide film ( 18 , 26 ) have a common thickness of less than 15 nm.
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