一種抑制摻雜原子在柵介質(zhì)中擴(kuò)散的方法
【專利摘要】本發(fā)明為一種抑制摻雜原子在柵介質(zhì)中擴(kuò)散的方法，涉及用于半導(dǎo)體MOS器件的制造工藝領(lǐng)域，尤其涉及一種有效抑制摻雜原子在柵介質(zhì)中擴(kuò)散的方法，包括以下步驟：在基底上制備SiO2柵氧化層；對SiO2柵氧化層進(jìn)行氮的注入，以形成SiON柵氧化層；在1000～1200℃并伴隨純惰性氣體的氛圍對SiON柵氧化層進(jìn)行氮化處理，以修復(fù)晶格損傷并形成穩(wěn)定Si-N鍵；在400～800℃的氛圍下對SiON柵氧化層進(jìn)行氧化處理，以修復(fù)SiO2/Si界面。與傳統(tǒng)的高溫氮化處理工藝相比，采用本發(fā)明制備的SiON柵氧化層不僅具有穩(wěn)定的氮含量，而且能有效提高柵氧化物氮含量30%左右，從而能有效的抑制硼等摻雜原子在柵介質(zhì)中的擴(kuò)散。
【專利說明】一種抑制摻雜原子在柵介質(zhì)中擴(kuò)散的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于半導(dǎo)體MOS器件的制造工藝領(lǐng)域，尤其涉及一種抑制摻雜原子在柵介質(zhì)中擴(kuò)散的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]超大規(guī)模集成電路(VLSI)和特大規(guī)模集成電路(ULSI)的快速發(fā)展，對器件加工技術(shù)提出更多的特殊要求，其中MOS器件特征尺寸進(jìn)入納米時代對柵氧化層的要求就是一個明顯的挑戰(zhàn)。柵氧化層的制備工藝是半導(dǎo)體制造工藝中的關(guān)鍵技術(shù)，直接影響和決定了器件的電學(xué)特性和可靠性。
[0003]MOSFET器件的關(guān)鍵性能指標(biāo)是驅(qū)動電流，驅(qū)動電流的大小取決于柵極電容。柵極電容與柵極表面積成正比，與柵介質(zhì)厚度成反比。因此，通過增加?xùn)艠O表面積和降低柵介質(zhì)厚度均可提高柵極電容，而降低柵介質(zhì)Si02的厚度就變成推進(jìn)MOSFET器件性能提高的首要手段。
[0004]但當(dāng)半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)入45納米時代以來，傳統(tǒng)單純降低Si02厚度的方法遇到了前所未有的挑戰(zhàn)。因為這時候柵介質(zhì)Si02的厚度已經(jīng)很薄(〈20A)，柵極漏電流中的隧道穿透機制已經(jīng)起到主導(dǎo)作用。隨著Si02厚度的進(jìn)一步降低，柵極漏電流也會以指數(shù)形式增長。柵介質(zhì)厚度每降低2A，柵極漏電流就會增加10倍。另一方面，柵極、Si02柵介質(zhì)和硅襯底之間存在雜質(zhì)的濃度梯度，隨著柵介質(zhì)厚度的不斷降低，柵極里摻入的硼等雜質(zhì)會從柵極中擴(kuò)散到硅襯底中或者固定在柵介質(zhì)中，這會影響器件的閾值電壓，從而影響器件的性能。誠然，增加?xùn)沤橘|(zhì)厚度可以有效抑制柵極漏電流和柵極中雜質(zhì)的擴(kuò)散，但是晶體管驅(qū)動電流、翻轉(zhuǎn)延遲時間等關(guān)鍵性能也會大打折扣。這種驅(qū)動電流和柵極漏電對柵介質(zhì)厚度要求上的矛盾，對于傳統(tǒng)的Si02柵介質(zhì)而言是無法回避的。
[0005]C=e(lKA/t，其中，C=柵極電容；e0=在空氣中的電容率；K=材料的介電常數(shù);Α=柵極表面積；t=柵介質(zhì)厚度
[0006]從柵極電容的公式中我們可以看出，柵極電容不僅取決于柵極表面積和柵介質(zhì)厚度，還取決于柵介質(zhì)的介電常數(shù)，故減少柵介質(zhì)厚度不是提高柵極電容的唯一方法。即使柵介質(zhì)厚度保持不變，提高柵介質(zhì)的介電系數(shù)K也可達(dá)到降低EOT及增加?xùn)艠O電容的效果。因此，如何提高柵介質(zhì)的介電系數(shù)K成為了當(dāng)務(wù)之急。
[0007]在現(xiàn)階段，提高柵介質(zhì)的介電系數(shù)的方法大致有兩大類:
[0008]一類是采用全新的高介電系數(shù)的材料作為柵介質(zhì)，如氮氧化鉿硅(HfSiON)等。但采用全新材料涉及到柵極材料的選擇，晶格常數(shù)的匹配及曝光蝕刻等一系列工藝集成問題，技術(shù)開發(fā)周期相對較長，不能立即滿足45納米技術(shù)的迫切需求。同時全新材料在技術(shù)上與以前工藝有較大差異，技術(shù)更新的成本過高。
[0009]另一大類則仍保持Si02作為柵介質(zhì)，通過Si02氧化膜里摻入氮使之成為致密的SiON來提高柵介質(zhì)的介電系數(shù)。因為傳統(tǒng)柵介質(zhì)Si02的K值是3.9，而純的313財?shù)腒值可達(dá)到7，通過摻雜氮的多少可以實現(xiàn)對SiON柵介質(zhì)介電系數(shù)剪裁的目的。氮原子的摻入還能有效的抑制硼等柵極摻雜原子在柵介質(zhì)中的擴(kuò)散。同時，該方法仍然采用Si02作為柵介質(zhì)的主體，因此與前期技術(shù)有良好的連續(xù)性和兼容性。
[0010]目前業(yè)界通常有三種主要的方法可實現(xiàn)Si02中的氮摻雜以形成SiON。
[0011]第一種方法是在Si02的生長過程中通入NO等含氮氣體，從而在生長過程中直接摻入氮。但這種方法摻雜的氮均勻性很難控制，不能適應(yīng)半導(dǎo)體生產(chǎn)的要求。
[0012]第二種方法是在Si02介質(zhì)生長完成后，采用在N0/N20等含氮氣體環(huán)境中進(jìn)一步退火的辦法摻雜氮。這種方法摻入的氮原子容易聚積在Si02和溝道的界面處，從而對溝道中載流子的遷移速度產(chǎn)生負(fù)面影響。
[0013]第三種方法是在Si02生長結(jié)束后，通過等離子體實現(xiàn)氮摻雜。該方法摻入的氮原子濃度高，深度上主要分布在柵介質(zhì)的上表面而遠(yuǎn)離Si02/溝道界面，是目前半導(dǎo)體業(yè)界廣泛接受的提高柵介質(zhì)介電系數(shù)的方法。其具體工藝由三步組成:
[0014]I)采用ISSG(In_Situ Steam Generation)原位水蒸汽氧化方法生長Si02介質(zhì)層；
[0015]2)米用 DPN(Decoupled Plasma Nitridation)氮氣等離子體向 Si02 介質(zhì)中慘雜氮；
[0016]3)采用PNA (Post Nitridation Anneal)高溫退火工藝穩(wěn)定N摻雜及修復(fù)介質(zhì)中的等離子體損傷。
[0017]在上述制備工藝中，由于柵介質(zhì)中摻入的氮原子濃度高且主要分布在柵介質(zhì)的上表面，因此對后續(xù)PNA(Post Nitridation Anneal)高溫退火工藝的溫度、氣體氛圍和時間間隔必須嚴(yán)格控制，以防止本征氧化層和有機吸附而對氮摻雜造成的影響；此外，PNA(PostNitridation Anneal)的高溫退火工藝既容易造成表面氮原子的揮發(fā),又能使氮原子獲得能量而繼續(xù)擴(kuò)散，造成部分氮原子聚積在Si02/Si界面處，從而對溝道中載流子的遷移速度產(chǎn)生負(fù)面影響。
[0018]中國專利(CN102437143A)公開了 一種低介電常數(shù)材料，包括低介電常數(shù)材料和添加劑的介電材料。添加劑包括具有S1-X-Si橋的化合物，其中X為I和8之間的碳原子數(shù)。添加劑可包括末端S1-CH3基團(tuán)。包括添加劑的介電材料可用作半導(dǎo)體器件的層間介電(ILD)層?？墒褂肅VD或溶膠-凝膠工藝形成包括添加劑的介電材料。所述添加劑的一個示例為雙(三乙氧基硅基)乙烷。
[0019]中國專利(CN102544739A)公開了一種具有高介電常數(shù)的超材料，包括至少一個超材料片層，每個超材料片層包括基材和附著在基材上的多個人造微結(jié)構(gòu)，所述人造微結(jié)構(gòu)包括相互平行的第一金屬線和第二金屬線，還包括至少一個一端與所述第一金屬線相連、另一端為自由端且朝向第二金屬線的第一金屬線分支；以及至少一個一端與所述第二金屬線相連、另一端為自由端且朝向第一金屬線的第二金屬線分支，所述第一金屬線分支和所述第二金屬線分支依次交錯分布。具有這種人造微結(jié)構(gòu)的超材料的介電常數(shù)得到了大幅的提聞。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0020]鑒于上述問題，本發(fā)明能使高溫氮化處理工藝不僅具有穩(wěn)定的氮含量，而且能有效的抑制硼等摻雜原子在柵介質(zhì)中的擴(kuò)散。[0021]本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為:
[0022]一種有效抑制摻雜原子在柵介質(zhì)中擴(kuò)散的方法，包括以下步驟:
[0023]步驟1、在基底上制備Si02柵氧化層，并形成SiON柵氧化層；
[0024]步驟2、在1000?1200°C下并伴隨純惰性氣體的氛圍下對所述
[0025]SiON柵氧化層進(jìn)行氮化處理，以修復(fù)晶格損傷并形成穩(wěn)定S1-N鍵；
[0026]步驟3、在400?800°C下對經(jīng)過氮化處理后的所述SiON柵氧化層進(jìn)行氧化處理，以修復(fù)Si02/Si界面。
[0027]優(yōu)選的，在步驟I中，通過快速熱退火工藝和/或垂直爐管工藝制備所述Si02柵
氧化層。
[0028]優(yōu)選的，所述快速熱退火工藝具體包括原位水蒸氣氧化法和/或快速熱退火氧化法。
[0029]優(yōu)選的，采用N20和H2為反應(yīng)氣體進(jìn)行所述原位水蒸氣氧化法；或
[0030]采用02和H2為反應(yīng)氣體進(jìn)行所述原位水蒸氣氧化法。
[0031 ] 優(yōu)選的，在步驟I中，通過去耦等離子體氮化工藝和/或遠(yuǎn)程等離子體氮化工藝形成所述SiON。
[0032]優(yōu)選的，在步驟I中，以N0、N20或NH3為原料，采用垂直擴(kuò)散設(shè)備形成所述SiON。
[0033]優(yōu)選的，在步驟2中，所述氮化處理的溫度范圍為1000-1200°C，反應(yīng)時間范圍為
5 ?120sec。
[0034]優(yōu)選的,所述純惰性氣體氛圍包含氮氣或氬氣中的任意一種。
[0035]優(yōu)選的，在步驟3中，所述氧化處理的溫度范圍為400-800°C，反應(yīng)時間范圍為5?120sec。
[0036]本發(fā)明的技術(shù)方案與傳統(tǒng)的高溫氮化處理工藝相比，采用本發(fā)明制備的SiON柵氧化層不僅具有穩(wěn)定的氮含量，而且能有效提高柵氧化物氮含量30%左右，從而能夠有效的抑制硼等摻雜原子在柵介質(zhì)中的擴(kuò)散。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0037]參考所附附圖，以更加充分的描述本發(fā)明的實施例。然而，所附附圖僅用于說明和闡述，并不構(gòu)成對本發(fā)明范圍的限制。
[0038]圖1本發(fā)明方法實施例的工藝步驟示意圖；
[0039]圖2本發(fā)明方法實施例的步驟I的基底結(jié)構(gòu)示意圖；
[0040]圖3本發(fā)明方法實施例的步驟I的SiO2柵氧化層結(jié)構(gòu)示意圖；
[0041]圖4本發(fā)明方法實施例的步驟I的SiON柵氧化層結(jié)構(gòu)示意圖；
[0042]圖5本發(fā)明方法實施例的步驟2的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0043]圖6本發(fā)明方法實施例的步驟3的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0044]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，顯然，所描述的實例僅僅是本發(fā)明一部分實例，而不是全部的實例。基于本發(fā)明匯總的實例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有實例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。[0045]需要說明的是，在不沖突的情況下，本發(fā)明中的實例及實例中的特征可以相互自
由組合。
[0046]本發(fā)明是一種抑制摻雜原子在柵介質(zhì)中擴(kuò)散的方法，包括以下步驟:
[0047]步驟S1、提供基底；
[0048]步驟S2、在所述基底上制備Si02柵氧化層；
[0049]步驟S3、對所述Si02柵氧化層進(jìn)行氮的注入，使Si02中的部分氧原子由氮原子取代，以形成SiON柵氧化層；
[0050]步驟S4、在高于1000°C并伴隨純惰性氣體的氛圍下對所述SiON柵氧化層進(jìn)行氮化處理，以修復(fù)晶格損傷并形成穩(wěn)定S1-N鍵；
[0051]步驟S5、在低于800°C的氛圍下對經(jīng)過氮化處理后的所述SiON柵氧化層進(jìn)行氧化處理，以修復(fù)Si02/Si界面。
[0052]以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明的一個實例做具體闡釋。
[0053]如圖1所示的本發(fā)明的實例是一種有效抑制摻雜原子在柵介質(zhì)中擴(kuò)散的方法，包括以下步驟:
[0054]步驟S1、如圖2所示，提供基底1，并進(jìn)行清洗；
[0055]步驟S2、如圖3所示，在所述基底I上制備Si02柵氧化層2 ;具體為對基底I執(zhí)行熱氧化操作和熱處理操作，以制備一層具有穩(wěn)定和均勻的目標(biāo)厚度的Si02柵氧化層2 ；其中，所述熱氧化和熱處理操作包括快速熱退火(Rapid Thermal Process,簡稱:RTP)工藝和/或垂直爐管(Furnace)工藝；所述快速熱退火工藝進(jìn)一步可以包括原位水蒸汽氧化法(In-Situ Steam Generation,簡稱:ISSG)和 / 或快速熱退火氧化法(Rapid ThermalOxidation,簡稱:RT0)；
[0056]步驟S3、如圖4所示，對所述Si02柵氧化層2進(jìn)行氮3的注入，使Si02中的部分氧原子由氮原子取代，以形成SiON柵氧化層4 ;具體為通過等離子體氮化技術(shù)對所述Si02柵氧化層2進(jìn)行氮3的注入，使Si02中的部分氧原子由氮原子取代形成S1-N鍵，從而將所述Si02柵氧化層2調(diào)整為具有一定氮濃度的SiON柵氧化層4，所述等離子體氮化技術(shù)包括:L去率禹等離子體氮化(Decoupled Plasma Nitridation,簡稱:DPN) ；2.遠(yuǎn)程等離子體氮化(Remote Plasma Nitridation,簡稱:RPN) ；3.快速熱氮化(RTN) ；4.垂直擴(kuò)散設(shè)備的NO，N20和NH3的氮化處理工藝，也就是垂直爐管(Furnace)工藝；
[0057]步驟S4、如圖5所示，在高于1000°C并伴隨純惰性氣體的氛圍下對SiON柵氧化層4進(jìn)行氮5化處理，以修復(fù)晶格損傷并形成穩(wěn)定S1-N鍵，從而具有形成穩(wěn)定的氮含量和介電常數(shù)的柵氧化層6 ;所述氮化處理的溫度范圍優(yōu)選為1000°C -1200°C (如1000°C，1030°C，1060°C，1100°C，1200°C等)，反應(yīng)時間范圍為 5sec_120sec (如 5sec,40sec,80sec, 120sec等)；純惰性氣體氛圍中的純惰性氣體為N2 (氮氣)或Ar (氬氣)等惰性氣體；
[0058]步驟S5、如圖6所示，在低于800°C的氛圍下對經(jīng)過氮5化處理后的所述柵氧化層6進(jìn)行氧7化處理，以修復(fù)Si02/Si界面，形成新的柵氧化層8 ;其中，所述氧化處理的溫度范圍優(yōu)選為400°C -800°C (如400°C，500°C，600°C，700°C，800°C等)，反應(yīng)時間范圍為5sec-120sec (如5sec, 40sec, 80sec, 120sec等)；所述氧化處理中的氧化氣體為O2或者H2與O2的混合氣體。
[0059]本發(fā)明主要對目前SiON柵氧化層制備過程中單一高溫退火工藝的溫度、氣體氛圍進(jìn)行了優(yōu)化。
[0060]由于柵極、Si02柵介質(zhì)和娃襯底之間存在雜質(zhì)的濃度梯度，隨著柵介質(zhì)厚度的不斷降低，柵極里摻入的硼等雜質(zhì)在后續(xù)的高溫工藝中會從柵極中擴(kuò)散到硅襯底中或者固定在柵介質(zhì)中，導(dǎo)致器件的閾值電壓漂移，溝道載流子遷移率下降，亞閾斜率增大等，從而使器件性能下降；此外，硼擴(kuò)散還會使應(yīng)力作用下柵介質(zhì)內(nèi)電子俘獲陷阱和界面態(tài)產(chǎn)生的速率增加，柵介質(zhì)抗擊穿性能下降，可靠性退化。因此在工藝中有效的抑制硼向Si02柵介質(zhì)和硅襯底的擴(kuò)散，對提高柵介質(zhì)可靠性和改善器件性能是非常重要和必要的。
[0061]本發(fā)明主要是對目前SiON柵氧化層制備過程中單一高溫退火工藝的溫度、氣體氛圍進(jìn)行了優(yōu)化。首先通過高溫和純惰性氣體氮化處理工藝，以修復(fù)晶格損傷并形成穩(wěn)定S1-N鍵，從而形成穩(wěn)定的氮含量；然后在低溫(400°C -800°C)的氛圍下對SiON柵氧化層進(jìn)行氧化處理，以修復(fù)Si02/Si界面。
[0062]本發(fā)明主要通過增加?xùn)沤橘|(zhì)中的氮原子的含量來抑制硼等柵極摻雜原子在柵介質(zhì)中的擴(kuò)散。與傳統(tǒng)的高溫氮化處理工藝相比，采用本發(fā)明制備的SiON柵氧化層不僅具有穩(wěn)定的氮含量，而且能有效提高柵氧化物氮含量30%左右，從而能有效的抑制硼等摻雜原子在柵介質(zhì)中的擴(kuò)散。
[0063]本發(fā)明的核心是通過高溫氮化處理和低溫氧化工藝來提高柵氧化物的氮含量，并通過增加?xùn)沤橘|(zhì)中的氮原子的含量來抑制硼等柵極摻雜原子在柵介質(zhì)中的擴(kuò)散。
[0064]以上所述僅為本發(fā)明較佳的實施例，并非因此限制本發(fā)明的實施方式及保護(hù)范圍，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，應(yīng)當(dāng)能夠意識到凡運用本發(fā)明說明書及圖示內(nèi)容所做出的等同替換和顯而易見的變化所得到的方案，均應(yīng)當(dāng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種抑制摻雜原子在柵介質(zhì)中擴(kuò)散的方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟I，在基底上制備SiO2柵氧化層，并形成SiON柵氧化層； 步驟2，在1000?1200°C下并伴隨純惰性氣體的氛圍下對所述SiON柵氧化層進(jìn)行氮化處理，以修復(fù)晶格損傷并形成穩(wěn)定S1-N鍵； 步驟3，在400?800°C下對經(jīng)過氮化處理后的所述SiON柵氧化層進(jìn)行氧化處理，以修復(fù)Si02/Si界面。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟I中，通過快速熱退火工藝和/或垂直爐管工藝制備所述SiO2柵氧化層。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述快速熱退火工藝具體包括原位水蒸氣氧化法和/或快速熱退火氧化法。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，采用N2O和H2為反應(yīng)氣體進(jìn)行所述原位水蒸氣氧化法；或 采用O2和H2為反應(yīng)氣體進(jìn)行所述原位水蒸氣氧化法。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟I中，通過去耦等離子體氮化工藝和/或遠(yuǎn)程等離子體氮化工藝形成所述SiON。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟I中，以NO、N2O或NH3為原料，采用垂直擴(kuò)散設(shè)備形成所述SiON。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟2中，所述氮化處理的溫度范圍為1000?1200°C，反應(yīng)時間范圍為5?120sec。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述純惰性氣體氛圍包含氮氣或氬氣中的任意一種。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟3中，所述氧化處理的溫度范圍為400?800°C，反應(yīng)時間范圍為5?120sec。
【文檔編號】H01L21/28GK103887161SQ201410106564
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年3月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月20日
【發(fā)明者】張紅偉 申請人:上海華力微電子有限公司