專利名稱：制造氮化柵極電介質(zhì)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制造半導(dǎo)體器件，并且更特別地涉及制造具有氮化柵極 電介質(zhì)的半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
隨著半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)繼續(xù)變得越來(lái)越小，柵極電介質(zhì)也變得越來(lái)越 薄。在圖1的半對(duì)數(shù)圖中說(shuō)明了關(guān)于這點(diǎn)的困難，其中圖l顯示當(dāng)有效柵極厚度Tox (作為從柵極到溝道的電測(cè)量值的有效柵極氧化物厚度) 降低時(shí)，通過(guò)柵極電介質(zhì)的漏電流密度Jg顯著地增加。在較低的柵極 厚度下，2埃的輕微變化引起漏電流密度增加10倍。降^#極電介質(zhì)厚 度的主要?jiǎng)訖C(jī)在于提高晶體管的電流驅(qū)動(dòng)Ion。電流驅(qū)動(dòng)和柵極厚度一 般地具有以下的對(duì)應(yīng)性厚度降低10%，電流驅(qū)動(dòng)增加10%。這樣， 對(duì)于厚度降低2埃是大約10%的情況，驅(qū)動(dòng)電流只有10%的增加，但 漏電流密度有10倍的增加。因此，當(dāng)柵極電介質(zhì)厚度已進(jìn)入20-30埃 的范圍時(shí)，已變得越來(lái)越難以找到一種方法，以通過(guò)柵極電介質(zhì)厚度的 降低來(lái)實(shí)現(xiàn)電流驅(qū)動(dòng)的增加，同時(shí)將漏電流維持在合理水平上。因此，需要找到一種方法，以實(shí)現(xiàn)電流驅(qū)動(dòng)的增加，同時(shí)將柵極漏 電流維持在合理水平上。


作為例子通過(guò)

本發(fā)明，但是本發(fā)明不被附圖所限制，其中 相似參考符號(hào)指示類似元素，并且其中圖1是有效柵M度對(duì)柵極漏電流密度的曲線；圖2是在根據(jù)發(fā)明第一實(shí)施方案的過(guò)程的某個(gè)階段中的器件結(jié)構(gòu)的橫截面；
圖3是在圖2中所示之后的過(guò)程的某個(gè)階段中的圖2的器件結(jié)構(gòu)的 橫截面；圖4是在圖3中所示之后的過(guò)程的某個(gè)階段中的圖3的器件結(jié)構(gòu)的橫截面；圖5是在圖4中所示之后的過(guò)程的某個(gè)階段中的圖4的器件結(jié)構(gòu)的橫截面；圖6是在圖5中所示之后的處理的某個(gè)階段中的圖5的器件結(jié)構(gòu)的橫截面；圖7是在圖6中所示之后的過(guò)程的某個(gè)階段中的圖6的器件結(jié)構(gòu)的橫截面；圖8是顯示對(duì)應(yīng)一個(gè)氮化和退火以及對(duì)應(yīng)額外的氮化和退火的電流驅(qū)動(dòng)對(duì)柵極漏電流密度的曲線；圖9是根據(jù)發(fā)明的笫一實(shí)施方案的方法的流程圖；圖10是在根據(jù)發(fā)明的第二實(shí)施方案的過(guò)程的某個(gè)階段中的器件結(jié) 構(gòu)的橫截面；圖11是在圖10中所示之后的過(guò)程的某個(gè)階段中的圖10的器件結(jié) 構(gòu)的橫截面；圖12是在圖11中所示之后的過(guò)程的某個(gè)階段中的圖11的器件結(jié) 構(gòu)的橫截面；圖13是在圖12中所示之后的過(guò)程的某個(gè)階段中的圖12的器件結(jié) 構(gòu)的橫截面；技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，圖中的元素是為了簡(jiǎn)單和清楚而示例，因此 不一定按比例畫出。例如，可以相對(duì)于其他元素放大圖中的某些元素的 尺寸，以幫助改善本發(fā)明的實(shí)施方案的理解。
具體實(shí)施方式
在一個(gè)方面中，用氮化步驟和退火來(lái)處理柵極電介質(zhì)。在此之后， 執(zhí)行額外的氮化步驟和退火。第二氮化和退火導(dǎo)致最終形成的晶體管的 柵極漏電流密度和電流驅(qū)動(dòng)之間關(guān)系的改善。參考附圖和下面描述可以
更好地理解這點(diǎn)。圖2中所示的是包括半導(dǎo)體襯底12和在襯底12上的柵極電介質(zhì)14 的器件結(jié)構(gòu)10。襯底12優(yōu)選地是珪，但可以是另外的半導(dǎo)體材料例如 珪鍺。半導(dǎo)體襯底12顯示為體珪襯底，但也可以是SOI襯底。該例子 中的柵極電介質(zhì)14是在高溫下生長(zhǎng)的二氧化硅，并且厚度大約為12 埃。這里的厚度是物理厚度，除非另外說(shuō)明。圖3中所示的是在等離子體氮化步驟16之后的器件結(jié)構(gòu)10，步驟 16促使柵極電介質(zhì)14改變成摻雜氮的柵極電介質(zhì)18。優(yōu)選地，通過(guò)等 離子體來(lái)實(shí)現(xiàn)摻雜柵極電介質(zhì)14以變成柵極電介質(zhì)18，但是可以使用 其他方法例如高爐或注入。通過(guò)高爐和注入摻雜氮的缺點(diǎn)在于在柵極電 介質(zhì)18和襯底12之間的界面處可能有比通過(guò)等離子體更多的氮。這種 等離子體氮化的例子用于獲得3 10個(gè)原子百分比的氮濃度。圖4中所示的是在氧氣氣氛中執(zhí)行退火之后的器件結(jié)構(gòu)10。這具有 生長(zhǎng)無(wú)氮的大約1埃的氧化物層19的效果。優(yōu)選地在大約1000攝氏度 下執(zhí)行退火。示例的it^是在大約10托(Torr)下以大約250 SCCM的 、M施加氧氣作為分子氧。作為選擇，可以執(zhí)行進(jìn)一步的氧化物生長(zhǎng)步 驟，以制造更厚的氧化物層19。作為另一種可選方案，可以在惰性氣氛 例如N2或氬氣中執(zhí)行退火步驟，后面是氧化物生長(zhǎng)步驟。在使用惰性 氣氛的情況下，不形成氧化物層19。在氧氣氣氛中退火與氧化物生M 些類似，因?yàn)樗鼈兌继幱谙鄬?duì)高的溫度下，并且氧化物的形成是通it^ 柵極電介質(zhì)層18和村底12之間的界面處的氧化物生長(zhǎng)。如果兩者都執(zhí) 行，那么差異主要在于氧化物生長(zhǎng)處于比退火相對(duì)低的溫度下并且執(zhí)行 更長(zhǎng)時(shí)間。與通過(guò)氮化和退火的圖4的器件結(jié)構(gòu)10類似的器件結(jié)構(gòu)的認(rèn)為是因;通過(guò)退火柵極氮化電介A，從界面中置換一部分氮，而在襯 底和等離子體氮化物電介質(zhì)層之間的界面處形成氧化物層，從而形成原 子上更平滑的界面。圖4的器件結(jié)構(gòu)10的形成不同于先前^t術(shù)在于為了隨后的氮化和 退火做準(zhǔn)備而制造圖4的器件結(jié)構(gòu)10。
圖5中所示的是在執(zhí)行等離子體氮化步驟20之后的器件結(jié)構(gòu)10。 這具有將氮的百分比增加額外的1~3個(gè)原子百分比的效果。例如，如果 在圖3的器件結(jié)構(gòu)10中氮濃度是3個(gè)原子百分比，那么在圖5的器件 結(jié)構(gòu)10中的濃度是大約4~6個(gè)百分比。該過(guò)程可以與在圖3中所示的 氮化步驟中使用的過(guò)程相同。圖6中所示的是在氧氣氣氛中退火之后的器件結(jié)構(gòu)10，該退火形成 基本上無(wú)氮的氧化物層23。優(yōu)選地，在大約1100攝氏度下執(zhí)行退火。 示例的過(guò)程是在大約10托下以大約250 SCCM的流速施加氧氣作為分 子氧。圖7中所示的是當(dāng)晶體管使用柵極電介質(zhì)22作為晶體管的柵極電 介質(zhì)時(shí)的器件結(jié)構(gòu)10。晶體管包括在柵極電介質(zhì)22上面的柵電極24、 在柵極24周圍的側(cè)壁隔離器26、在襯底12中且在一側(cè)與柵極24相鄰 的源^l/漏極28，以;SjL襯底12中且在另一側(cè)與柵極24相鄰的源^l/漏 極30。圖8中所示的是電流驅(qū)動(dòng)(Ion)對(duì)柵極漏電流密度(Jg)的曲線 32和曲線34的圖示。曲線32對(duì)應(yīng)于單個(gè)氮化和退火以及無(wú)氮化和退火 的情況。曲線34對(duì)應(yīng)于圖2-7中所示的額外氮化和退火的情況。從無(wú) 氮化和退火的曲線到單個(gè)氮化和退火基本上無(wú)變化，只是沿著曲線32 在降低漏電和降低電流驅(qū)動(dòng)的方向上移動(dòng)位置。第二氮化和退火促成從 曲線32到曲線34的位移。這被認(rèn)為是因?yàn)榈倪h(yuǎn)離襯底12的進(jìn)一 步定域，以;Mt氧化物層23和襯底12之間的界面25處的基本上無(wú)氮 界面.曲線34上的位置36具有與曲線32上的位置38相同的電流驅(qū)動(dòng) 但是具有比位置38更低的漏電流密度。類似地，曲線34上的位置39 具有比位置40更低的漏電流密度，同時(shí)維持相同的電流驅(qū)動(dòng)。通過(guò)在與第 一氮化和退火相同的條件下進(jìn)行第二氮化和退火已發(fā)現(xiàn) 圖8中所描繪的這種改善。例如，在10毫托下以250 SCCM氮?dú)饬魉?在350瓦特、20%占空系數(shù)、10千赫下執(zhí)行15秒的兩個(gè)氮化，以;5L^ 1000攝氏度、0.5托下以250 SCCM氧氣流速執(zhí)行15秒的兩個(gè)退火導(dǎo) 致柵極漏電流密度大約70%的改善，同時(shí)保持驅(qū)動(dòng)電流基本上相同。
圖9中所示的是顯示形成圖7的器件結(jié)構(gòu)10的處理步驟的流程圖 并提供圖8中所描繪的好處。步驟42形成柵極電介質(zhì)層。然后步驟44 執(zhí)行等離子體氮化。步驟46是優(yōu)選地在氧氣氣氛中執(zhí)行的退火。步驟 48是形成更多柵極電介質(zhì)的任選步驟。如果在氧氣氣氛中發(fā)生退火步 驟，那么通常不需JN Mt步驟48。步驟50是優(yōu)選地以與步驟44相同的 方式執(zhí)行的另一個(gè)氮化步驟。步驟52是優(yōu)選地以與步驟46相同的方式 執(zhí)行的另一個(gè)退火步驟。在該流程中，在兩個(gè)氮化/退火步驟之后，在 步驟54中形成晶體管。在形成晶體管之前，氮化/退火步驟可以超過(guò)兩 個(gè)。圖10-13顯示關(guān)于圖2-7的可選實(shí)施方案。圖10中所示的是包括半導(dǎo),底62和柵極電介質(zhì)的器件結(jié)構(gòu)60， 其中該柵極電介質(zhì)包括在襯底62上的界面氧化物層64以及可以是例如 金屬氧化物、金屬硅酸鹽、金屬鋁酸鹽、金屬氮氧化硅或金屬鑭酸鹽的 高K電介質(zhì)層。襯底12優(yōu)選地是硅，但可以是另外的半導(dǎo)體材料例如 硅鍺。半導(dǎo)體襯底62顯示為體硅襯底，但也可以是SOI襯底。該例子 中的高K電介質(zhì)層66是通過(guò)原子層沉積(ALD)沉積的氧化鉿。界面 氧化物層64是當(dāng)形成柵極電介質(zhì)尤其是在硅上形成棚-極電介質(zhì)時(shí)作為 實(shí)際問(wèn)題總是存在的氧化物層。圖11中所示的是在等離子體氮化步驟68之后的器件結(jié)構(gòu)60,步驟 68促使高K電介質(zhì)層66改變成摻雜氮的Jr屬氧化物層70，以及促使 界面氧化物層64改變成具有痕量氮存在的界面氧化物層72。優(yōu)選地， 通過(guò)等離子體來(lái)實(shí)現(xiàn)摻雜高K電介質(zhì)66以變成高K電介質(zhì)層70，但 可以使用其他方法例如高爐和注入，只是具有先前所描述的缺點(diǎn)。這種 等離子體氮化的例子用于獲得3 10個(gè)原子百分比的氮濃度。然后是在 氧氣氣氛中退火。優(yōu)選地，大約在1000-1200攝氏度下執(zhí)行退火。示例 的過(guò)程是在大約10托下以大約250 SCCM的流速施加氧氣作為分子 氧。作為選擇，可以執(zhí)行進(jìn)一步的高K電介質(zhì)沉積步驟以制造更厚的 高K層70。與通過(guò)氮化和退火的圖11的器件結(jié)構(gòu)60類似的器件結(jié)構(gòu) 的形成是眾所周知的，并且已知具有降低柵極漏電流的優(yōu)點(diǎn)但是以降低
電流驅(qū)動(dòng)為代價(jià)。這被認(rèn)為是因?yàn)橥ㄟ^(guò)退火柵極氮化電介質(zhì)，從界面中 置換一部分氮，而在襯底和等離子體氮化電介質(zhì)層之間的界面處形成氧 化物層，從而形成原子上更平滑的界面。圖11的器件結(jié)構(gòu)60的形成不同于先前技術(shù)在于為了隨后的氮化和 退火做準(zhǔn)備而制造圖11的器件結(jié)構(gòu)60。圖12中所示的是在執(zhí)行等離子體氮化步驟20和氧氣氣氛中的退火 之后的器件結(jié)構(gòu)60。該過(guò)程可以與在圖11中所示的氮化和退火步驟中 使用的過(guò)程相同。這具有改變高K電介質(zhì)層70和界面層72以分別形 成高K電介質(zhì)層76和界面氧化物層78的效果。層76和78構(gòu)成柵極 電介質(zhì)80。圖13中所示的是當(dāng)晶體管使用柵極電介質(zhì)80作為晶體管的柵極電 介質(zhì)時(shí)的器件結(jié)構(gòu)60。晶體管包括在柵極電介質(zhì)80上面的柵電極82、 在柵極82周圍的側(cè)壁隔離器84、在襯底62中且在一側(cè)與柵極82相鄰 的源^L/漏極86，以;S^襯底62中且在另一側(cè)與柵極82相鄰的源^L/漏 極88。這描述兩次氮化/退火過(guò)程。所描述的氮化/退火步猓的次數(shù)可以超 過(guò)兩次。在金屬氧化物例子中，多次氮化/退火步驟好于單次氮化退火 的優(yōu)點(diǎn)是氮分布的調(diào)節(jié)以及高K電介質(zhì)質(zhì)量的改善。在前面說(shuō)明書中，已關(guān)于具體實(shí)施方案描述了發(fā)明。但是，本領(lǐng)域 技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到可以進(jìn)行各種修改和改變而不背離下面的權(quán)利要求 中所陳述的本發(fā)明的范圍。描述了某些材料，但是這些可以改變。作為 進(jìn)一步的可選方案，描述了氧化鉿作為示例的金屬氧化物，但是可以使 用其他高K電介質(zhì)例如氧化鋯或其他金屬氧化物，例如氧氮鑭鋁也可 以受益于該過(guò)程。因此，說(shuō)明書和附圖應(yīng)當(dāng)認(rèn)為是說(shuō)明性的而不是限制 性的，并且所有這種修改打算包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。已在上面關(guān)于具體實(shí)施方案描述了好處、其他優(yōu)點(diǎn)以及問(wèn)題的解決 方案。但是，不應(yīng)當(dāng)將發(fā)生的或變得更顯著的好處、優(yōu)點(diǎn)、問(wèn)題的解決 方案以及可以促成任意好處、優(yōu)點(diǎn)或解決方案的任意元素解釋為任意或 全部權(quán)利要求的關(guān)鍵的、必須的、或基本的特征或元素。如這里所使用
的，術(shù)語(yǔ)"包括"，"包含"或其任意其他變化形式打算用來(lái)覆蓋非排他的 包含，使得包括一列元素的過(guò)程、方法、產(chǎn)品或裝置不僅僅包括那些元 素，而是可以包括沒(méi)有明確列舉的或這種過(guò)程、方法、產(chǎn)品或裝置所固 有的其他元素。
權(quán)利要求
1. 一種形成柵極氮化電介質(zhì)的方法，包括 在襯底上面形成電介質(zhì)層；將電介質(zhì)層暴露于等離子體氮化，以形成等離子體氮化電介質(zhì)層； 通過(guò)退火柵極氮化電介質(zhì)，以從襯底和等離子體氮化電介質(zhì)層之間的界面中置換一部分氮，而在界面處形成氧化物層，從而形成原子上更平滑的界面；再次將電介質(zhì)層暴露于等離子體氮化，以添加更多的氮到等離子體 氮化電介質(zhì)層；以及退火柵極氮化電介質(zhì)，以通過(guò)進(jìn)一步平滑界面來(lái)處理襯底和等離子 體氮化電介質(zhì)層之間的界面。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，還包括將電介質(zhì)層形成為二氧化硅、金屬氧化物、金屬硅酸鹽、金屬鋁酸 鹽之一，或預(yù)先確定金屬的組合，或多種金屬和氧化物、硅酸鹽、鑭酸 鹽或鋁酸鹽之一的組合。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2的方法，還包括 將金屬氧化物形成為氧化鉿。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中形成氧化物層還包括 通過(guò)在基本上500~1200度的溫度下退火柵極氮化電介質(zhì)而在村底和等離子體氮化電介質(zhì)層之間的界面處形成氧化物層。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中形成氧化物層還包括 在退火柵極氮化電介質(zhì)之后在從室溫升高的溫度下形成額外的電介質(zhì)層，以在村底和等離子體氮化電介質(zhì)層之間的界面處形成氧化物層。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中形成氧化物層還包括 在基本上500-1200度的溫度下在惰性氣氛中退火柵極氮化電介質(zhì)；以及將柵極氮化電介質(zhì)放置在氧氣氣氛中，以在襯底和等離子體氮化電 介質(zhì)層之間的界面處形成氧化物層。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，還包括 通it^襯底上面生長(zhǎng)電介質(zhì)層而形成電介質(zhì)層。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，還包括 將以下步驟重復(fù)1~100的預(yù)先確定次數(shù)(1) 形成另一個(gè)氧^S物層；(2) 重復(fù)將電介質(zhì)層暴露于等離子體氮化，以添加更多的氮到等離子體氮化電介質(zhì)層；以及(3) 退火柵極氮化電介質(zhì)，以通過(guò)進(jìn)一步平滑界面而進(jìn)一步處 理在襯底和等離子體氮化電介質(zhì)層之間的界面。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中在達(dá)到預(yù)先確定次數(shù)之后，省略 最后一次的柵極氮化電介質(zhì)的退火。
10. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，還包括 將以下步驟重復(fù)1 100的預(yù)先確定次數(shù)(1) 形成另一個(gè)氧化物層；以及(2) 重復(fù)將電介質(zhì)層暴露于等離子體氮化，以添加更多的氮到 等離子體氮化電介質(zhì)層。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10的方法，還包括一旦完成預(yù)先確定次數(shù)，退火柵極氮化電介質(zhì)，以通過(guò)進(jìn)一步平滑 界面而進(jìn)一步處理在襯底和等離子體氮化電介質(zhì)層之間的界面。
12. 推^據(jù)權(quán)利要求10的方法，還包括在預(yù)先確定次數(shù)的一個(gè)或多個(gè)之間選擇性地退火柵極氮化電介質(zhì)， 以進(jìn)一步處理在襯底和等離子體氮化電介質(zhì)層之間的界面。
13. —種形成柵極氮化電介質(zhì)的方法，包括(a) 在襯底上面形成電介質(zhì)層并且在襯底和電介質(zhì)層之間的界面 處形成氧化物層；(b) 將電介質(zhì)層暴露于等離子體氮化，以形成等離子體氮化電介質(zhì)層；(c) 在預(yù)先確定溫度下退火柵極氮化電介質(zhì)；(d) 將步驟(a)、 (b)和(c)重復(fù)1-100的預(yù)先確定次數(shù)；以及 (e)退火柵極氮化電介質(zhì)，以在界面添加額外的氧化物層。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中退火柵極氮化物電介質(zhì)還包括步驟(c)的退火處于惰性氣氛中。
15. —種在半導(dǎo)體中形成柵極氮化電介質(zhì)的方法，包括(a) 在襯底上面形成柵極電介質(zhì)層；(b) 將柵極電介質(zhì)層暴露于氮?dú)鈿夥?，以在金屬氧化物電介質(zhì)層 中形成氮以及形成氮化物電介質(zhì)層；以及(c) 退火柵極電介質(zhì)層；以及 將步驟(b)和(c)重復(fù)預(yù)先確定次數(shù)； 在柵極氮化電介質(zhì)上面形成柵電極；以及形成與柵電極相鄰的第一和第二電流電極，以在半導(dǎo)體中提供晶體管。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15的方法，還包括將電介質(zhì)層形成為二氧化硅、金屬氧化物、金屬硅酸鹽、金屬鋁酸 鹽之一，或預(yù)先確定金屬的組合，或多種金屬和氧化物、硅酸鹽、鑭酸 鹽或鋁酸鹽之一的組合。
17. 根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中步稞(c)還包括 在惰性氣氛中退火柵極電介質(zhì)層；以及在柵極電介質(zhì)層上面形成額外的柵極電介質(zhì)材料，從而在柵極電介 質(zhì)層和村底之間形成具有較少氮含量的界面層。
18. 推*據(jù)權(quán)利要求15的方法，還包括一旦完成預(yù)先確定次數(shù)，退火柵極氮化電^h質(zhì)，以通過(guò)進(jìn)一步平滑 界面而進(jìn)一步處理在村底和柵極電介質(zhì)層之間的界面。
19. 根據(jù)權(quán)利要求15的方法，還包括通過(guò)用ALD、 MOCVD和PVD的一種進(jìn)行沉積形成氧化鉿而形成 柵極電介質(zhì)層。
20. 根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中步驟(c)還包括 在氧氣氣氛中退火柵極電介質(zhì)層。
全文摘要
用氮化步驟(16)和退火處理柵極電介質(zhì)(14)。此后，執(zhí)行另外的氮化步驟(20)和退火。第二氮化(20)和退火導(dǎo)致最終形成的晶體管(60)的柵極漏電流密度和電流驅(qū)動(dòng)之間關(guān)系的改善。
文檔編號(hào)H01L21/336GK101124665SQ200680001528
公開(kāi)日2008年2月13日 申請(qǐng)日期2006年2月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月25日
發(fā)明者保羅·A·格魯?shù)滤够? 奧路班密·O·艾蒂, 星·H·曾, 林尚羽, 駱典應(yīng) 申請(qǐng)人:飛思卡爾半導(dǎo)體公司