專利名稱：柵極氧化層的形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，尤其涉及一種柵極氧化層的形成方法。
背景技術(shù)：
集成電路尤其是超大規(guī)模集成電路中的主要器件是金屬氧化物半導(dǎo)體(Metal Oxide Semiconductor，簡稱M0S)。集成電路自發(fā)明以來，其在性能和功能上的進(jìn)步是突飛猛進(jìn)的，并且MOS器件的幾何尺寸一直在不斷縮小，目前其特征尺寸已經(jīng)進(jìn)入納米尺度。如圖1所示為MOS晶體管結(jié)構(gòu)示意圖，所述MOS晶體管包括襯底010，位于所述襯底010上的柵極結(jié)構(gòu)，所述柵極結(jié)構(gòu)包括位于襯底010上的柵極氧化層020及柵極021 ；位于所述柵極結(jié)構(gòu)兩側(cè)襯底010內(nèi)的源區(qū)/漏區(qū)031。具體地，公開號為CN101079376A的中國專利申請中提供一種所述柵極結(jié)構(gòu)的形成方法。其中，柵極氧化層020位于襯底010和柵極021間，當(dāng)器件尺寸縮小時，柵極氧化層020的厚度同時相應(yīng)地變薄。然而，當(dāng)厚度縮減到達(dá)某一程度時，柵極氧化層020因太薄而無法提供柵極021導(dǎo)電材料與位于其下方的襯底010足夠的電學(xué)絕緣。更重要是，較薄的柵極氧化層020易于讓后續(xù)注入的摻雜離子擴散到柵極氧化層020內(nèi)，對柵極氧化層020 造成損傷，造成柵極氧化層020的漏電現(xiàn)象，進(jìn)而降低半導(dǎo)體器件的電學(xué)性能。所以提高柵極氧化層質(zhì)量，改善柵極氧化層的漏電現(xiàn)象至關(guān)重要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的問題是提供一種柵極氧化層的形成方法，提高柵極氧化層質(zhì)量，改善柵極氧化層的漏電現(xiàn)象，提高半導(dǎo)體器件的電學(xué)性能。為解決上述問題，本發(fā)明提供一種柵極氧化層的形成方法，包括提供襯底，采用熱氧化工藝在所述襯底上形成柵極氧化層，其中，所述熱氧化工藝的反應(yīng)氣體至少包含有氧化亞氮。可選的，所述氧化亞氮的流量范圍為Islm 20slm。可選的，所述熱氧化工藝的反應(yīng)氣體為氧化亞氮?？蛇x的，所述熱氧化工藝的反應(yīng)氣體為氧化亞氮和氧氣?？蛇x的，所述熱氧化工藝的反應(yīng)氣體為氧化亞氮、氧氣和惰性氣體?？蛇x的，所述柵極氧化層的厚度范圍為8埃 40埃。可選的，所述熱氧化工藝為快速熱氧化。可選的，所述熱氧化工藝的溫度范圍為700 1100°C，腔室壓力5 780托，反應(yīng)時間約為5 60秒?？蛇x的，還包括對部分所述柵極氧化層進(jìn)行氮化?？蛇x的，所述氮化為等離子體氮化或者熱處理氮化。可選的，所述熱處理氮化的氣體為一氧化氮或者氨氣?？蛇x的，對所述柵極氧化層進(jìn)行氮化后，還包括對所述柵極氧化層進(jìn)行退火。
可選的，所述退火溫度為900 1100°C。與現(xiàn)有技術(shù)相比，上述方案具有以下優(yōu)點本發(fā)明通過熱氧化工藝，在至少包含有氧化亞氮的氣體中氧化生成柵極氧化層，使得所述柵極氧化層中具有微量或痕量的氮元素，所述氮元素可以阻止后續(xù)注入的摻雜離子擴散到柵極氧化層內(nèi)，避免對柵極氧化層造成損傷，使得所述柵極氧化層具有良好的薄膜特性，改善柵極氧化層的漏電現(xiàn)象，提高半導(dǎo)體器件的電學(xué)性能。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)半導(dǎo)體器件形成方法結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明一個實施例的柵極氧化層形成方法流程示意圖。圖3至圖8為本發(fā)明一個實施例的柵極氧化層形成方法結(jié)構(gòu)示意圖。如圖9為本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)形成的NMOS晶體管的柵極氧化層的電性厚度和漏電流分布對比示意圖。如圖10為本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)形成的PMOS晶體管的柵極氧化層的電性厚度和漏電流分布對比示意圖。
具體實施例方式柵極氧化層位于襯底和柵極結(jié)構(gòu)間，當(dāng)器件尺寸縮小時，柵極氧化層的厚度同時相應(yīng)地變薄。然而，當(dāng)厚度縮減到達(dá)某一程度時，柵極氧化層因太薄而無法提供柵極導(dǎo)電材料與位于其下方的半導(dǎo)體襯底足夠的電學(xué)絕緣。更重要是，較薄的柵極氧化層易于讓注入的摻雜離子擴散到柵極氧化層內(nèi)，對柵極氧化層造成損傷。針對上述發(fā)現(xiàn)，為提高柵極氧化層的薄膜特性，以改善后續(xù)的離子工藝對柵極氧化層的破壞現(xiàn)象，并降低柵極氧化層的漏電現(xiàn)象，發(fā)明人提供一種柵極氧化層的形成方法， 包括提供襯底，采用熱氧化工藝在所述襯底上形成柵極氧化層，其中，所述熱氧化工藝的反應(yīng)氣體至少包含有氧化亞氮。下面以柵極的形成方法為實施例，對本發(fā)明柵極氧化層的形成方法進(jìn)行說明。如圖2所示，為本發(fā)明一個實施例的柵極的形成方法，包括步驟Si,提供襯底，對所述襯底離子注入形成N型阱或P型阱，并對所述襯底進(jìn)行預(yù)清洗；步驟S2，通過熱氧化工藝，在所述襯底上形成柵極氧化層，所述熱氧化工藝的反應(yīng)氣體至少包含有氧化亞氮；步驟S3，對位于所述襯底上的柵極氧化層進(jìn)行氮化；步驟S4,對所述柵極氧化層進(jìn)行退火；步驟S5，在所述柵極氧化層上形成多晶硅層；步驟S6，圖案化刻蝕位于襯底上的多晶硅層和柵極氧化層，以形成柵極。為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更為明顯易懂，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
做詳細(xì)的說明。在以下描述中闡述了具體細(xì)節(jié)以便于充分理解本發(fā)明。但是本發(fā)明能夠以多種不同于在此描述的其它方式來實施，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不違背本發(fā)明內(nèi)涵的情況下做類似推廣。因此本發(fā)明不受下面公開的具體實施的限制。圖3至圖8為本發(fā)明一個實施例的柵極氧化層的形成方法結(jié)構(gòu)示意圖。如圖3所示，首先提供襯底200，所述襯底200為N型襯底或P型襯底，本實施例中，所述襯底為N型襯底。對所述襯底200進(jìn)行離子注入工藝，在所述襯底200內(nèi)形成N型阱或P型阱(未圖示)，通過淺溝道隔離制程(STI)形成溝道(未圖示)并填充隔離介質(zhì) 210隔離出有源區(qū)。接著，采用稀釋的氫氟酸(HF)溶液對襯底200進(jìn)行預(yù)清洗，除掉襯底200表面的污染物和氧化層。如圖4所示，通過熱氧化工藝，在所述襯底200上形成柵極氧化層220，所述熱氧化環(huán)境300至少包含有氧化亞氮。所述氧化亞氮的流量為Islm 20slm。所述熱氧化工藝可以為蒸汽原位生成(situ stream-generated, ISSG)或者是快速熱氧化工藝(RTO)，所述柵極氧化層220的厚度為8 40埃。本實施例中，所述熱氧化工藝為快速熱氧化工藝(RTO)。在RTO腔室內(nèi)，利用照射器快速加熱并干燥襯底200表面，以在氧氣環(huán)境下形成柵極氧化層220。所述熱氧化環(huán)境至少包含有氧化亞氮。所述熱氧化環(huán)境的溫度范圍為700 1100°C，腔室壓力為5 780托，反應(yīng)時間約為5 60秒。本實施例中，所述熱氧化工藝的反應(yīng)氣體為氧化亞氮，所述氧化亞氮的流量為IOslm，所述熱氧化工藝的溫度為800°C，腔室壓力為50托，反應(yīng)時間為30秒。作為其他實施例，所述熱氧化工藝的反應(yīng)氣體還可以為氧化亞氮和氧氣的混合氣體，或者是氧化亞氮、氧氣和惰性氣體的混合氣體。通過反應(yīng)氣體中的氧化亞氮對襯底200進(jìn)行氧化，在所述襯底200上形成氧化硅作為柵極氧化層220，且所述柵極氧化層220上形成有微量或痕量的氮元素，所述氮元素可以阻止后續(xù)注入的摻雜離子擴散到柵極氧化層220內(nèi)，對柵極氧化層220造成損傷，使得所述柵極氧化層220具有良好的薄膜特性，減小柵極氧化層220的漏電現(xiàn)象，降低柵極氧化層 220的漏電流值。作為其他實施例，所述襯底200的快速熱氧化反應(yīng)也可以利用濕法制程進(jìn)行，如蒸汽原位生成(situ stream-generated, ISSG)，并伴隨有例如總流速為1 20slm的含氧化亞氮的反應(yīng)氣體，所述反應(yīng)氣體可以為氧化亞氮、或者氧化亞氮和氧氣的混合氣體，或者是氧化亞氮和惰性氣體的混合氣體。本實施例中，所述熱氧化環(huán)境的溫度范圍為700 1100°C，腔室壓力為5 780托，反應(yīng)時間約為5 60秒。如圖5所示，在氮化環(huán)境310中，對位于襯底200上的柵極氧化層220進(jìn)行氮化， 在所述柵極氧化層220內(nèi)形成氮氧化硅。所述氮化為等離子體氮化或者熱處理氮化。與具有相同厚度但沒有氮氧化硅的柵極氧化層220比較，具有氮氧化硅的柵極氧化層220具有較大的電學(xué)絕緣能力。此外，氮氧化硅也具有阻止摻雜離子擴散到柵極氧化層220的能力。所述氮化工藝可以通過去耦合等離子體氮化(decoupled plasma nitridation， DPN)工藝完成，利用DPN工藝所形成的氮氧化硅可作為摻雜離子的阻障，因此在離子注入后的熱處理步驟中，氮氧化硅將阻擋摻雜離子擴散至柵極氧化層220中。所述氮氧化硅可保持柵極氧化層220的電學(xué)絕緣特性以及防止電學(xué)效能降低的問題。尤其地，當(dāng)工藝技術(shù)推進(jìn)到60納米以下技術(shù)門檻后，DPN工藝已成為制作半導(dǎo)體元件不可或缺的工藝技術(shù)。所述氮化工藝還可以為熱處理氮化，以對所述柵極氧化層進(jìn)行氮化，所述熱處理
氮化的氣體為一氧化氮或者氨氣。如圖6所示，在退火環(huán)境320中，對襯底200進(jìn)行退火，退火的目的是消除膜層內(nèi)部，包括柵極氧化層220的缺陷和內(nèi)應(yīng)力，減小電阻率。其原理是薄膜內(nèi)的原子會在熱作用下進(jìn)行重新分布而使得缺陷消失。本實施例中，所述退火溫度為900 1100°C。作為較佳實施例，氮化工藝與退火工藝在原位(in situ)機臺的連續(xù)兩個反應(yīng)室中進(jìn)行。這樣可以節(jié)省將半導(dǎo)體器件從只能進(jìn)行氮化工藝的設(shè)備傳送到只能進(jìn)行退火藝的設(shè)備的傳送間隔時間。因此原位機臺退火可提高產(chǎn)量，并滿足在氮化工藝后與下一個工藝 (如多晶硅沉積)間的等待時間的限制。如圖7所示，在所述氮化后的柵極氧化層220上形成多晶硅層M0，所述多晶硅 240形成方法可以為化學(xué)氣相沉積法。如圖8所示，對所述柵極氧化層220及多晶硅層240圖案化，并依次刻蝕所述所述柵極氧化層220及多晶硅層M0，形成柵極。具體地，在所述多晶硅層240上形成圖案化的光刻膠層(未圖示)，以所述光刻膠層為掩膜，依次刻蝕所述所述柵極氧化層220及多晶硅層MO，形成柵極。本發(fā)明通過熱氧化工藝，在至少包含有氧化亞氮的氣體中氧化生成柵極氧化層 220，使得所述柵極氧化層220中具有微量或痕量的氮元素，所述氮元素可以阻止后續(xù)摻雜的離子，如源漏區(qū)的摻雜離子擴散到柵極氧化層220內(nèi)，對柵極氧化層220造成損傷，使得所述柵極氧化層220具有良好的薄膜特性，改善柵極氧化層220的漏電現(xiàn)象，提高半導(dǎo)體器件的電學(xué)性能。為了進(jìn)一步說明本發(fā)明技術(shù)方案的效果，發(fā)明人將本發(fā)明形成的半導(dǎo)體器件與現(xiàn)有技術(shù)形成的半導(dǎo)體器件的相關(guān)性能進(jìn)行比較，具體如下表所示
權(quán)利要求
1.一種柵極氧化層的形成方法，其特征在于，包括提供襯底，采用熱氧化工藝在所述襯底上形成柵極氧化層，其中，所述熱氧化工藝的反應(yīng)氣體至少包含有氧化亞氮。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述柵極氧化層的形成方法，其特征在于，所述氧化亞氮的流量范圍為 Islm 20slm。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述柵極氧化層的形成方法，其特征在于，所述熱氧化工藝的反應(yīng)氣體為氧化亞氮。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述柵極氧化層的形成方法，其特征在于，所述熱氧化工藝的反應(yīng)氣體為氧化亞氮和氧氣。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述柵極氧化層的形成方法，其特征在于，所述熱氧化工藝的反應(yīng)氣體為氧化亞氮、氧氣和惰性氣體。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述柵極氧化層的形成方法，其特征在于，所述柵極氧化層的厚度范圍為8埃 40埃。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述柵極氧化層的形成方法，其特征在于，所述熱氧化工藝為快速熱氧化。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述柵極氧化層的形成方法，其特征在于，所述熱氧化工藝的溫度范圍為700 1100°C，腔室壓力5 780托，反應(yīng)時間約為5 60秒。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述柵極氧化層的形成方法，其特征在于，還包括對部分所述柵極氧化層進(jìn)行氮化。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述柵極氧化層的形成方法，其特征在于，所述氮化為等離子體氮化或者熱處理氮化。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述柵極氧化層的形成方法，其特征在于，所述熱處理氮化的氣體為一氧化氮或者氨氣。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述柵極氧化層的形成方法，其特征在于，對所述柵極氧化層進(jìn)行氮化后，還包括對所述柵極氧化層進(jìn)行退火。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述柵極氧化層的形成方法，其特征在于，所述退火溫度為900 1100°C。
全文摘要
本發(fā)明提供一種柵極氧化層的形成方法，包括提供襯底，通過熱氧化工藝，在所述襯底上形成柵極氧化層，其中，所述熱氧化工藝的反應(yīng)氣體至少包含有氧化亞氮。本發(fā)明通過熱氧化工藝，在至少包含有氧化亞氮的氣體中通過氧化工藝生成柵極氧化層，使得所述柵極氧化層中具有微量或痕量的氮元素，所述氮元素可以阻止后續(xù)注入的摻雜離子擴散到柵極氧化層內(nèi)，避免擴散至柵極氧化層內(nèi)的摻雜離子對柵極氧化層造成損傷，使得所述柵極氧化層具有良好的薄膜特性，改善柵極氧化層的漏電現(xiàn)象，提高半導(dǎo)體器件的電學(xué)性能。
文檔編號H01L21/28GK102543704SQ20101062056
公開日2012年7月4日 申請日期2010年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月31日
發(fā)明者何永根 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司