一種抑制摻雜原子在柵介質(zhì)中擴(kuò)散的方法
【專(zhuān)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(duì)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(duì)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(duì)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(zhuān)利說(shuō)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(duì)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(duì)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。
[0003]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(guò)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(shí)代以來(lái)，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?yàn)檫@時(shí)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(jī)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(huì)以指數(shù)形式增長(zhǎng)。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、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(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。誠(chéng)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(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(duì)柵介質(zhì)厚度要求上的矛盾，對(duì)于傳統(tǒng)的Si02柵介質(zhì)而言是無(wú)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(lèi):
[0008]一類(lèi)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(wèn)題，技術(shù)開(kāi)發(fā)周期相對(duì)較長(zhǎng)，不能立即滿(mǎn)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(guò)高。
[0009]另一大類(lèi)則仍保持Si02作為柵介質(zhì)，通過(guò)Si02氧化膜里摻入氮使之成為致密的SiON來(lái)提高柵介質(zhì)的介電系數(shù)。因?yàn)閭鹘y(tǒng)柵介質(zhì)Si02的K值是3.9，而純的313財(cái)?shù)腒值可達(dá)到7，通過(guò)摻雜氮的多少可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)，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(shí)現(xiàn)Si02中的氮摻雜以形成SiON。
[0011]第一種方法是在Si02的生長(zhǎng)過(guò)程中通入NO等含氮?dú)怏w，從而在生長(zhǎng)過(guò)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(zhǎng)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(duì)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(zhǎng)結(jié)束后，通過(guò)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(zhǎng)Si02介質(zhì)層；
[0015]2)米用 DPN(Decoupled Plasma Nitridation)氮?dú)獾入x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(duì)后續(xù)PNA(Post Nitridation Anneal)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(duì)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(duì)溝道中載流子的遷移速度產(chǎn)生負(fù)面影響。
[0018]中國(guó)專(zhuān)利(CN102437143A)公開(kāi)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。可使用CVD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(gè)示例為雙(三乙氧基硅基)乙烷。
[0019]中國(guó)專(zhuān)利(CN102544739A)公開(kāi)了一種具有高介電常數(shù)的超材料，包括至少一個(gè)超材料片層，每個(gè)超材料片層包括基材和附著在基材上的多個(gè)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(xiàn)和第二金屬線(xiàn)，還包括至少一個(gè)一端與所述第一金屬線(xiàn)相連、另一端為自由端且朝向第二金屬線(xiàn)的第一金屬線(xiàn)分支；以及至少一個(gè)一端與所述第二金屬線(xiàn)相連、另一端為自由端且朝向第一金屬線(xiàn)的第二金屬線(xiàn)分支，所述第一金屬線(xiàn)分支和所述第二金屬線(xiàn)分支依次交錯(cuò)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(wèn)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(wèn)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(duì)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(duì)經(jīng)過(guò)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(guò)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(guò)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(shí)間范圍為
5 ?120sec。
[0034]優(yōu)選的,所述純惰性氣體氛圍包含氮?dú)饣驓鍤庵械娜我庖环N。
[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(shí)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(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0037]參考所附附圖，以更加充分的描述本發(fā)明的實(shí)施例。然而，所附附圖僅用于說(shuō)明和闡述，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明范圍的限制。
[0038]圖1本發(fā)明方法實(shí)施例的工藝步驟示意圖；
[0039]圖2本發(fā)明方法實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)施例的步驟2的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0043]圖6本發(fā)明方法實(shí)施例的步驟3的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0044]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，顯然，所描述的實(shí)例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)例，而不是全部的實(shí)例?；诒景l(fā)明匯總的實(shí)例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有實(shí)例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。[0045]需要說(shuō)明的是，在不沖突的情況下，本發(fā)明中的實(shí)例及實(shí)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(duì)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(duì)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(duì)經(jīng)過(guò)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(duì)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)例做具體闡釋。
[0053]如圖1所示的本發(fā)明的實(shí)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(duì)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(jiǎn)稱(chēng):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(jiǎn)稱(chēng):ISSG)和 / 或快速熱退火氧化法(Rapid ThermalOxidation,簡(jiǎn)稱(chēng):RT0)；
[0056]步驟S3、如圖4所示，對(duì)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(guò)等離子體氮化技術(shù)對(duì)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(jiǎn)稱(chēng):DPN) ；2.遠(yuǎn)程等離子體氮化(Remote Plasma Nitridation,簡(jiǎn)稱(chēng):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(duì)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(shí)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?dú)?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(duì)經(jīng)過(guò)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(shí)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(duì)目前SiON柵氧化層制備過(guò)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(huì)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(huì)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(duì)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(duì)目前SiON柵氧化層制備過(guò)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(guò)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(duì)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(guò)增加?xùn)沤橘|(zhì)中的氮原子的含量來(lái)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(guò)高溫氮化處理和低溫氧化工藝來(lái)提高柵氧化物的氮含量，并通過(guò)增加?xùn)沤橘|(zhì)中的氮原子的含量來(lái)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(shí)施例，并非因此限制本發(fā)明的實(shí)施方式及保護(hù)范圍，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，應(yīng)當(dāng)能夠意識(shí)到凡運(yùn)用本發(fā)明說(shuō)明書(shū)及圖示內(nèi)容所做出的等同替換和顯而易見(jiàn)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(duì)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(duì)經(jīng)過(guò)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(guò)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(guò)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(shí)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?dú)饣驓鍤庵械娜我庖环N。
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(shí)間范圍為5?120sec。
【文檔編號(hào)】H01L21/28GK103887161SQ201410106564
【公開(kāi)日】2014年6月25日 申請(qǐng)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(qǐng)人:上海華力微電子有限公司