柵介質(zhì)氧化層的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種柵介質(zhì)氧化層的制備方法，所述柵介質(zhì)氧化層的制備方法至少包括下列步驟：對基底執(zhí)行熱氧化操作和熱處理操作，以形成具有穩(wěn)定和均勻的目標(biāo)厚度的二氧化硅柵氧化層；通過等離子體氮化技術(shù)對所述二氧化硅柵氧化層進(jìn)行氮的注入，使二氧化硅中的部分氧原子由氮原子取代形成硅-氮鍵，從而將所述二氧化硅柵氧化層調(diào)整為具有一定氮濃度的硅氧氮化合物柵氧化層；通過低熱預(yù)算的尖峰退火技術(shù)對所述硅氧氮化合物柵氧化層進(jìn)行快速熱退火處理，以修復(fù)晶格損傷并形成穩(wěn)定硅-氮鍵。采用本發(fā)明的柵介質(zhì)氧化層的制備方法能夠解決現(xiàn)有技術(shù)的PNA高溫退火工藝中的不足之處，且具有低熱預(yù)算的特性。
【專利說明】柵介質(zhì)氧化層的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體制程，特別是涉及一種柵介質(zhì)氧化層的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著半導(dǎo)體器件制造工藝水平的不斷提升，目前的主流硅片制造尺寸已經(jīng)達(dá)到300mm,主流技術(shù)節(jié)點(diǎn)也進(jìn)入45納米制程,并且向著更先進(jìn)的28/20納米制程邁進(jìn)。
[0003]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(shí)代對柵氧化層的要求就是一個(gè)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。
[0004]MOSFET器件的關(guān)鍵性能指標(biāo)是驅(qū)動(dòng)電流，驅(qū)動(dòng)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)厚度就變成推進(jìn)MOSFET器件性能提高的首要手段。
[0005]但當(dāng)半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)入45納米時(shí)代以來，傳統(tǒng)單純降低柵介質(zhì)厚度的方法遇到了前所未有的挑戰(zhàn)。因?yàn)闁沤橘|(zhì)厚度已經(jīng)很薄(〈20A)，柵極漏電流中的隧道穿透機(jī)制已經(jīng)起到主導(dǎo)作用。隨著柵介質(zhì)厚度的進(jìn)一步降低，柵極漏電流也會(huì)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(huì)增加10倍。另一方面，柵極、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(huì)從柵極中擴(kuò)散到硅襯底中或者固定在柵介質(zhì)中，這會(huì)影響器件的閾值電壓，從而影響器件的性能。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(dòng)電流、翻轉(zhuǎn)延遲時(shí)間等關(guān)鍵性能也會(huì)大打折扣。這種驅(qū)動(dòng)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)的柵介質(zhì)而言是無法回避的。
[0006]已知的柵極電容公式如下:
[0007]C = e0KA/t
[0008]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
[0009]從前述公式中可知，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。
[0010]根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，提高柵介質(zhì)的介電系數(shù)的方法大致有兩大類:
[0011]第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(HfS1N)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(shí)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。
[0012]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S1N來提高柵介質(zhì)的介電系數(shù)。因?yàn)閭鹘y(tǒng)柵介質(zhì)Si02的介電系數(shù)K值是3.9，而純的Si3N4的介電系數(shù)K值可達(dá)到7，通過摻雜氮的多少可以實(shí)現(xiàn)對S1N柵介質(zhì)介電系數(shù)K值的調(diào)整。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(shí)，該方法仍然采用Si02作為柵介質(zhì)的主體，因此有良好的連續(xù)性和兼容性。
[0013]目前業(yè)界通常有以下三種主要的方法可實(shí)現(xiàn)Si02中的氮摻雜以形成S1N:
[0014]第一種方法是在Si02生長過程中通入NO等含氮?dú)怏w，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。
[0015]第二種方法是在Si02生長完成后，采用在N0/N20等含氮?dú)怏w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。
[0016]第三種方法是在Si02生長結(jié)束后，通過等離子體實(shí)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)界廣泛使用的提高柵介質(zhì)介電系數(shù)的方法。
[0017]請參閱圖1，其中顯示了現(xiàn)有技術(shù)的制備S1N柵氧化層的工藝流程示意圖。如圖所示，現(xiàn)有技術(shù)的制備S1N柵氧化層的工藝流程包括下列步驟:
[0018]步驟S10,采用原位水蒸汽氧化法(In-Situ Steam Generat1n, ISSG)生長 Si02介質(zhì)層；
[0019]步驟S12,米用去f禹電衆(zhòng)氮化法(DecoupledPlasma Nitridat1n,DPN)向 Si02介質(zhì)中慘雜氣；
[0020]步驟S14,采用后氮化退火法(Post Nitridat1n Anneal, PNA)高溫退火工藝穩(wěn)定氮摻雜及修復(fù)介質(zhì)中的等離子體損傷。
[0021]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高溫退火工藝的溫度、氣體氛圍和時(shí)間間隔必須嚴(yán)格控制，以防止本征氧化層和有機(jī)吸附而對氮摻雜造成的影響，同時(shí)，PNA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，從而造成溝道中載流子的遷移速度下降，柵介質(zhì)氧化物中固定電荷增加等一系列負(fù)面的影響。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0022]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于提供一種柵介質(zhì)氧化層的制備方法，其能夠解決現(xiàn)有技術(shù)的PNA高溫退火工藝中的不足之處，且具有低熱預(yù)算的特性。
[0023]本發(fā)明提供了柵介質(zhì)氧化層的制備方法，所述柵介質(zhì)氧化層的制備方法至少包括下列步驟:步驟1，對基底執(zhí)行熱氧化操作和熱處理操作，以形成具有穩(wěn)定和均勻的目標(biāo)厚度的二氧化硅柵氧化層；步驟2，通過等離子體氮化技術(shù)對所述二氧化硅柵氧化層進(jìn)行氮的注入，使二氧化硅中的部分氧原子由氮原子取代形成硅-氮鍵，從而將所述二氧化硅柵氧化層調(diào)整為具有一定氮濃度的硅氧氮化合物柵氧化層；步驟3，通過低熱預(yù)算的尖峰退火技術(shù)對所述硅氧氮化合物柵氧化層進(jìn)行快速熱退火處理，以修復(fù)晶格損傷并形成穩(wěn)定娃-氮鍵。
[0024]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明利用毫秒級或微秒級熱退火技術(shù)對S1N柵氧化層表面進(jìn)行高溫(1400°c <T<1100°C )非晶化退火處理，以去除本征氧化層，防止有機(jī)物吸附和表面氮原子揮發(fā)，同時(shí)利用其快速(t> = 200 μ sec)無擴(kuò)散的特點(diǎn)來消除氮原子向Si02/Si界面擴(kuò)散和聚集的可能，避免了熱缺陷和雜質(zhì)再分布等不利因素，使得所制備的S1N柵氧化層不僅具有穩(wěn)定的氮含量，而且還能有效抑制硼等摻雜原子在柵介質(zhì)中的擴(kuò)散，降低了MOS器件閾值電壓漂移和不穩(wěn)定的風(fēng)險(xiǎn)，改善了柵介質(zhì)的可靠性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025]以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的說明，以使本發(fā)明的特性和優(yōu)點(diǎn)更為明顯。
[0026]圖1所示為現(xiàn)有技術(shù)的制備S1N柵氧化層的工藝流程示意圖；
[0027]圖2所示為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的柵介質(zhì)氧化層的工藝流程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028]以下將對本發(fā)明的實(shí)施例給出詳細(xì)的說明。盡管本發(fā)明將結(jié)合一些【具體實(shí)施方式】進(jìn)行闡述和說明，但需要注意的是本發(fā)明并不僅僅只局限于這些實(shí)施方式。相反，對本發(fā)明進(jìn)行的修改或者等同替換，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
[0029]另外，為了更好的說明本發(fā)明，在下文的【具體實(shí)施方式】中給出了眾多的具體細(xì)節(jié)。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，沒有這些具體細(xì)節(jié)，本發(fā)明同樣可以實(shí)施。在另外一些實(shí)例中，對于大家熟知的方法、流程、元件和電路未作詳細(xì)描述，以便于凸顯本發(fā)明的主旨。
[0030]圖2所示是本發(fā)明的柵介質(zhì)氧化層的制備方法的工藝流程示意圖。如圖所示，本發(fā)明的柵介質(zhì)氧化層的制備方法至少包括以下步驟:步驟S20，對基底執(zhí)行熱氧化操作和熱處理操作，以形成具有目標(biāo)厚度的Si02柵氧化層；步驟S22，通過等離子體氮化技術(shù)對所述Si02柵氧化層進(jìn)行氮的注入，使Si02中的部分O原子由N原子取代形成S1-N鍵，從而將所述Si02柵氧化層調(diào)整為具有一定氮濃度的S1N柵氧化層；步驟S24，通過低熱預(yù)算的尖峰退火技術(shù)對所述S1N柵氧化層進(jìn)行快速熱退火處理，以修復(fù)晶格損傷并形成穩(wěn)定S1-N 鍵。
[0031]在一個(gè)實(shí)施例中，所述步驟1(即Si02柵氧化層的制備工藝)可以是快速熱處理(Rapid Thermal Process,RTP)工藝和/或垂直爐管(Furnace)工藝。其中，RTP工藝可以是原位水蒸汽氧化方法(In-Situ Steam Generat1n, ISSG)和/或快速熱氧化方法(RapidThermal Oxidat1n, RT0)。更詳細(xì)地，ISSG工藝可以是氧化二氮ISSG (即反應(yīng)氣體為N20和H2)和/或氧化ISSG (即反應(yīng)氣體為02和H2)。
[0032]在一個(gè)實(shí)施例中，所述步驟2 (即S1N柵氧化層的氮化工藝)可以是去耦等離子體氮化(Decoupled Plasma Nitridat1n, DPN),遠(yuǎn)程等離子體氮化(Remote PlasmaNitridat1n, RPN)和/或垂直擴(kuò)散設(shè)備的氮化(NO，N20或NH3等)。
[0033]在一個(gè)實(shí)施例中，所述步驟3中的低熱預(yù)算(thermal budget)的尖峰退火技術(shù)包括毫秒級熱退火技術(shù)和/或微秒級熱退火技術(shù)。更詳細(xì)地，所述的毫秒級熱退火技術(shù)和/或微秒級熱退火技術(shù)包括激光脈沖退火(Laser Spike Anneal, LSA,其波長10.6 μ m)、閃光燈退火(Flash Lamp Anneal, FLA,其波長0.5_0.8 μ m)以及二極管激光退火(D1deLaser Anneal, DLA,即波長0.8 μ m)工藝的其中之一。在一個(gè)例子中，所述的毫秒級熱退火技術(shù)和/或微秒級熱退火技術(shù)中，其工藝溫度為1400°c〈T〈1100°C，反應(yīng)時(shí)間為200 μ sec〈t〈0.lsec。
[0034]上文【具體實(shí)施方式】和附圖僅為本發(fā)明之常用實(shí)施例。顯然，在不脫離權(quán)利要求書所界定的本發(fā)明精神和發(fā)明范圍的前提下可以有各種增補(bǔ)、修改和替換。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，本發(fā)明在實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)具體的環(huán)境和工作要求在不背離發(fā)明準(zhǔn)則的前提下在形式、結(jié)構(gòu)、布局、比例、材料、元素、組件及其它方面有所變化。因此，在此披露之實(shí)施例僅用于說明而非限制，本發(fā)明之范圍由后附權(quán)利要求及其合法等同物界定，而不限于此前之描述。
【權(quán)利要求】
1.一種柵介質(zhì)氧化層的制備方法，其特征在于，所述柵介質(zhì)氧化層的制備方法至少包含下列步驟: 步驟I，對基底執(zhí)行熱氧化操作和熱處理操作，以形成具有穩(wěn)定和均勻的目標(biāo)厚度的二氧化硅柵氧化層； 步驟2，通過等離子體氮化技術(shù)對所述二氧化硅柵氧化層進(jìn)行氮的注入，使二氧化硅中的部分氧原子由氮原子取代形成硅-氮鍵，從而將所述二氧化硅柵氧化層調(diào)整為具有一定氮濃度的硅氧氮化合物柵氧化層； 步驟3，通過低熱預(yù)算的尖峰退火技術(shù)對所述硅氧氮化合物柵氧化層進(jìn)行快速熱退火處理，以修復(fù)晶格損傷并形成穩(wěn)定硅-氮鍵。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柵介質(zhì)氧化層的制備方法中，其特征在于，在所述步驟I可以是快速熱處理工藝和/或垂直爐管工藝。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的柵介質(zhì)氧化層的制備方法中，其特征在于，所述快速熱處理工藝可以是原位水蒸汽氧化方法和/或快速熱氧化方法。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的柵介質(zhì)氧化層的制備方法中，其特征在于，所述原位水蒸汽氧化方法可以是氧化二氮化合物原位水蒸汽氧化方法和/或氧化原位水蒸汽氧化方法。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柵介質(zhì)氧化層的制備方法中，其特征在于，所述步驟2可以是去耦等離子體氮化工藝、遠(yuǎn)程等離子體氮化工藝和/或垂直擴(kuò)散設(shè)備的氮化處理工藝。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柵介質(zhì)氧化層的制備方法中，其特征在于，所述步驟3中的低熱預(yù)算的尖峰退火技術(shù)可以是毫秒級熱退火技術(shù)和/或微秒級熱退火技術(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的柵介質(zhì)氧化層的制備方法中，其特征在于，所述毫秒級熱退火技術(shù)和/或微秒級熱退火技術(shù)可以是激光脈沖式退火技術(shù)、閃光燈退火技術(shù)、和二極管激光退火技術(shù)其中之一。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的柵介質(zhì)氧化層的制備方法中，其特征在于，所述毫秒級熱退火技術(shù)和/或微秒級熱退火技術(shù)中，其工藝溫度為1400°C〈T〈1100°C，反應(yīng)時(shí)間為.200 μ sec〈t〈0.lsec。
【文檔編號】H01L21/28GK104201098SQ201410491319
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月23日
【發(fā)明者】張紅偉 申請人:上海華力微電子有限公司