柵極氧化層的形成方法
2023-06-01 23:31:01 1
專利名稱：柵極氧化層的形成方法
技術領域：
本發明涉及半導體製造領域，尤其涉及一種柵極氧化層的形成方法。
背景技術：
集成電路尤其是超大規模集成電路中的主要器件是金屬氧化物半導體(Metal Oxide Semiconductor，簡稱M0S)。集成電路自發明以來，其在性能和功能上的進步是突飛猛進的，並且MOS器件的幾何尺寸一直在不斷縮小，目前其特徵尺寸已經進入納米尺度。在MOS器件按比例縮小的過程中，漏極電壓並不隨之減小，這就導致源極、漏極間的溝道區電場的增大，在強電場作用下，電子在兩次碰撞之間會加速到比熱運動速度高出許多倍的速度，因此動能很大，這些電子被稱為熱電子，所述熱電子會向柵介質層注入，從而引起熱電子效應(hot electroneffect) 0該效應屬於器件的小尺寸效應，所述效應會引起柵電極電流和半導體襯底電流，影響器件和電路的可靠性。上述熱電子效應是影響MOS器件壽命(TTF)的一個關鍵因素熱電子效應越弱，器件壽命越長；反之，熱電子效應越明顯，器件壽命越短。為了提高MOS器件壽命，需要抑制熱電子效應。對於NMOS器件，熱電子效應尤為突出。因為NMOS的主要載流子是電子，而PMOS 的主要載流子是空穴，與空穴比較，電子更容易躍過半導體襯底與柵介質層之間的界面勢壘，從而使得電子更容易注入柵介質層，造成對柵介質層的傷害。公開號為CN1393935A的中國專利申請中提供了一種具有口袋(pocket)摻雜結構的NMOS器件，一定程度上抑制了熱電子效應。所述結構如圖1所示，包括提供半導體襯底 001，在所述半導體襯底001上注入硼離子，形成P型阱002和溝道區(圖中未標示)；在所述半導體襯底001表面上依次形成柵極氧化層003和柵電極004，所述柵電極004兩側的半導體襯底為源區和漏區；在所述源區和漏區內注入銦離子，以形成口袋區域005 ；繼續在所述源區和漏區內注入磷離子，形成輕摻雜區006 ；在柵介質層003和柵電極004的兩側形成側壁007 ；最後，對所述源區和漏區進行深摻雜，以形成源極008和漏極009。現有技術的改進主要是集中於源漏結的改進，如上述採用輕摻雜源漏(LDD)等。 上述改進將有效降低溝道區漏端電場，減少被激發的載流子，從而改善熱電子效應。但是這些改進並不涉及減少載流子在氧化層中捕獲機率，即如何有效改善柵極氧化層中的界面態，主要減少所述柵極氧化層內的界面陷阱，以抑制熱電子效應。
發明內容
本發明解決的問題是提供一種柵極氧化層的形成方法，以改善現有技術形成的半導體器件的熱電子效應。為解決上述問題，本發明提供一種柵極氧化層的形成方法，包括提供襯底，採用熱氧化工藝在所述襯底上形成柵極氧化物層，其中，所述熱氧化工藝為至少包含有氘氣的混合氣體。可選的，所述氘氣的流量範圍為Islm lOslm。
可選的，所述熱氧化環境中包含有氘氣和氧氣。可選的，所述熱氧化環境中包含有氘氣和氧化亞氮。可選的，所述熱氧化環境的溫度範圍為650 1100°C，腔室壓力0. 5 780Torr， 反應時間約為3 90秒。可選的，還包括對所述柵極氧化物層進行氮化。可選的，對所述柵極氧化物層進行氮化後，還包括對所述柵極氧化物層進行退火。可選的，所述退火氛圍中至少包含有氘氣。可選的，所述氘氣的流量範圍為Islm lOslm。可選的，所述退火溫度為900 1100°C。與現有技術相比，上述方案具有以下優點本發明通過在熱氧化環境中引入氘氣， 用於飽和位於界面態內的矽懸掛鍵，以形成的矽-氘鍵，或者取代矽氫鍵的氫，以形成矽氘鍵。在半導體工藝中，所述矽-氘鍵不易因外部的應力造成所述矽-氘鍵的斷裂，減少矽懸掛鍵，進一步減少位於柵極氧化層內的界面缺陷，抑制熱電子效應；進一步地，在熱氧化工藝後的退火環境中引入氘氣，用於飽和位於界面態內的矽懸掛鍵，以形成的矽-氘鍵，或者取代矽氫鍵的氫，以形成矽氘鍵。在半導體工藝中，所述矽-氘鍵不易因外部的應力造成所述矽-氘鍵的斷裂，減少矽懸掛鍵，進一步減少位於柵極氧化層內的界面缺陷，抑制熱電子效應。
圖1為現有技術半導體器件結構示意圖。圖2為本發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為本發明一個實施例的柵極氧化層形成方法結構示意圖。
具體實施例方式當器件尺寸縮小時，柵極氧化層的厚度同時相應地變薄。然而，當厚度縮減到達某一程度時，柵極氧化層因太薄而無法提供柵極導電材料與位於其下方的半導體襯底足夠的電學絕緣。更重要是，較薄的柵極氧化層易於讓注入的摻雜離子擴散到柵極氧化層內。進一步地，通過半導體工藝環境，所述柵極氧化層與矽襯底界面中含有大量的矽懸鍵，在所述柵極氧化層內形成界面缺陷，使得矽懸掛鍵易於俘獲電子，造成熱電子效應；所述矽懸掛鍵還可能與如熱氧化工藝中的氫鍵合，所述矽氫鍵較弱，在外界應力環境下容易斷鍵，仍會在所述柵極氧化層內形成矽懸掛鍵。針對上述發現，發明人從減少柵極氧化物層內的界面缺陷，以抑制熱電子效應的角度，提供一種柵極氧化層的形成方法，包括提供襯底，採用熱氧化工藝在所述襯底上形成柵極氧化物層，其中，所述熱氧化工藝的反應氣體為至少包含有氘氣的混合氣體。下面以柵極的形成方法為實施例，對本發明柵極氧化層的形成方法進行說明。如圖2所示，為本發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，並對所述襯底進行預清洗；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氣體中包含有氘氣和氧氣的混合氣體，或者是氘氣和氧化亞氮的混合氣體；步驟S3，對位於所述襯底上的柵極氧化層進行氮化；步驟S4,對所述柵極氧化層進行退火，所述退火氣體至少包含有氘氣體；步驟S5，在所述柵極氧化層上形成多晶矽層；步驟S6，圖案化刻蝕位於襯底上的多晶矽層和柵極氧化層，以形成柵極。為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更為明顯易懂，下面結合附圖對本發明的具體實施方式
做詳細的說明。在以下描述中闡述了具體細節以便於充分理解本發明。但是本發明能夠以多種不同於在此描述的其它方式來實施，本領域技術人員可以在不違背本發明內涵的情況下做類似推廣。因此本發明不受下面公開的具體實施的限制。圖3至圖8為本發明一個實施例的柵極氧化層的形成方法結構示意圖。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進行離子注入工藝，在所述襯底200內形成N型阱或P型阱(未圖示)，通過淺溝道隔離製程(STI)形成溝道(未圖示)並填充隔離介質 210隔離出有源區。接著，採用稀釋的氫氟酸(HF)溶液對襯底200進行預清洗，除掉襯底200表面的汙染物和氧化層。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，所述熱氧化環境300為至少包含有氘氣的混合氣體。所述氘氣的流量為Islm lOslm。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)，形成所述柵極氧化層220的溫度範圍為650 1100°C，所述柵極氧化層220的厚度為1 18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，利用照射器快速加熱並乾燥襯底200表面，以在氧氣環境下形成柵極氧化層220。所述熱氧化環境中除氧氣外，至少還包含有氘氣。 所述熱氧化環境中除氧氣、氘氣外，還可以包含有氧化亞氮。本實施例中，為包含有氧氣和氘氣的混合氣體，所述混合氣體具有ι ^lm的總流速。所述熱氧化環境的溫度範圍為650 1100°C，腔室壓力0. 5 780Torr，反應時間約為3 90秒。作為其他實施例，所述襯底200的快速熱氧化反應也可以利用溼法製程進行，如 蒸汽原位生成(situ stream-generated, ISSG)，並伴隨有例如總流速為1 klm的含氘氣的混合氣體，所述混合氣體中還包含有氫氣或氧化亞氮中的一種或組合。本實施例中，所述熱氧化環境的溫度範圍為650 1100°C，腔室壓力為0. 5 780Torr，反應時間約為3 90秒。本發明通過在柵極氧化層220的熱氧化生長過程中引入氘元素，飽和界面態內的矽懸掛鍵，形成結合較強的矽氘鍵能鍵，以減小位於界面態內的矽懸掛鍵，或者取代矽氫鍵的氫，以形成矽氘鍵。同時矽-氘鍵能大於所述矽-氫鍵能，在半導體工藝環境下，所述矽-氘鍵不易因外部的應力造成斷鍵，進一步減少位於界面態內的矽懸掛鍵，減少界面缺陷，進而抑制熱電子效應。如圖5所示，在氮化環境310中，對位於襯底200上的柵極氧化層220進行氮化，在所述柵極氧化層220表面形成氮氧化矽。與具有相同厚度但沒有氮氧化矽的柵極氧化層220比較，具有氮氧化矽的柵極氧化層220具有較大的電學絕緣能力。此外，氮氧化矽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 plasmanitridation, DPN)工藝完成，利用DPN工藝所形成的氮氧化矽可作為摻雜離子的阻障，因此在離子注入後的熱處理步驟中，氮氧化矽將阻擋摻雜離子擴散至柵極氧化層220中。所述氮氧化矽可保持柵極氧化層220的電學絕緣特性以及防止電學效能降低的問題。尤其地，當工藝技術推進到60納米以下技術門檻後，DPN工藝已成為製作半導體元件不可或缺的工藝技術。如圖6所示，在退火環境320中，對襯底200進行退火，退火的目的是消除膜層內部，包括柵極氧化層220的缺陷和內應力，減小電阻率。其原理是薄膜內的原子會在熱作用下進行重新分布而使得缺陷消失。繼續參考圖6，所述退火氛圍320中至少包含有氘氣，引入所述氘氣至退火環境中的原因如下通過在退火氛圍320中引入氘元素，飽和界面態內的矽懸掛鍵，形成結合較強的矽氘鍵，以減小位於界面態內的矽懸掛鍵，或者取代矽氫鍵的氫，以形成矽氘鍵。同時矽-氘鍵能大於所述矽-氫鍵能，在半導體工藝環境下，所述矽-氘鍵不易因外部的應力造成斷鍵，進一步減少位於界面態內的矽懸掛鍵，減少界面缺陷，進而抑制熱電子效應。本實施例中，所述退火為一步完成，所述退火氛圍320中除氘氣外，還可以包含有氮氣或惰性氣體，所述退火溫度為900 1100°C，退火時間為60 120S。較佳地，所述退火溫度為1000°C，退火時間為100S。本實施例中，所述退火工藝為一步退火完成，作為其他實施例，所述退火工藝還可以分為兩步進行首先在溫和的退火氛圍中進行退火，以加密氮化後的柵極氧化層220，所述退火氛圍至少包含有氘氣，所述退火溫度為900 1050°C ；接著升高退火溫度至1000 1100°C，進行第二次退火，所述退火氛圍中至少包含有氘氣。作為較佳實施例，氮化工藝與退火工藝在原位(in situ)機臺的連續兩個反應室中進行。這樣可以節省將半導體器件從只能進行氮化工藝的設備傳送到只能進行退火工藝的設備的傳送間隔時間。因此原位機臺退火可提高產量，並滿足在氮化工藝後與下一個工藝(如多晶矽沉積)間的等待時間的限制。如圖7所示，在氮化後的柵極氧化層220上形成多晶矽層M0，所述多晶矽240形成方法可以為化學氣相沉積法。如圖8所示，對所述柵極氧化層220及多晶矽層240圖案化，並依次刻蝕所述所述柵極氧化層220及多晶矽層M0，形成柵極。具體地，在所述多晶矽層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及多晶矽層MO，形成柵極。本發明通過在熱氧化環境中引入氘氣，用於飽和位於界面態內的矽懸掛鍵，以形成的矽-氘鍵，或者取代矽氫鍵的氫，以形成矽氘鍵。在半導體工藝中，所述矽-氘鍵不易因外部的應力造成所述矽-氘鍵的斷裂，減少矽懸掛鍵，進一步減少位於柵極氧化層內的界面缺陷，抑制熱電子效應；進一步地，在熱氧化工藝後的退火工藝中引入氘氣，用於飽和位於界面態內的矽
6懸掛鍵，以形成的矽-氘鍵，或者取代矽氫鍵的氫，以形成矽氘鍵。在半導體工藝中，所述矽-氘鍵不易因外部的應力造成所述矽-氘鍵的斷裂，減少矽懸掛鍵，進一步減少位於柵極氧化層內的界面缺陷，抑制熱電子效應。 雖然本發明已以較佳實施例披露如上，但本發明並非限定於此。任何本領域技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍內，均可作各種更動與修改，因此本發明的保護範圍應當以權利要求所限定的範圍為準。
權利要求
1.一種柵極氧化層的形成方法，其特徵在於，包括提供襯底，採用熱氧化工藝在所述襯底上形成柵極氧化物層，其中，所述熱氧化工藝的反應氣體為至少包含有氘氣的混合氣體。
2.根據權利要求1所述柵極氧化層的形成方法，其特徵在於，所述氘氣的流量範圍為 Islm IOslm0
3.根據權利要求2所述柵極氧化層的形成方法，其特徵在於，所述熱氧化環境中包含有氧氣和氘氣。
4.根據權利要求2所述柵極氧化層的形成方法，其特徵在於，所述熱氧化環境中包含有氧化亞氮和氘氣。
5.根據權利要求4所述柵極氧化層的形成方法，其特徵在於，所述熱氧化環境的溫度範圍為650 1100°C，腔室壓力0. 5 780Torr，反應時間約為3 90秒。
6.根據權利要求1所述柵極氧化層的形成方法，其特徵在於，還包括對所述柵極氧化物層進行氮化。
7.根據權利要求6所述柵極氧化層的形成方法，其特徵在於，對所述柵極氧化物層進行氮化後，還包括對所述柵極氧化物層進行退火。
8.根據權利要求7所述柵極氧化層的形成方法，其特徵在於，所述退火氛圍中至少包含有氘氣。
9.根據權利要求8所述柵極氧化層的形成方法，其特徵在於，所述氘氣的流量範圍為 Islm IOslm0
10.根據權利要求9所述柵極氧化層的形成方法，其特徵在於，所述退火溫度為900 1100°C。
全文摘要
本發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物層，其中，所述熱氧化工藝的反應氣體為至少包含有氘氣的混合氣體。本發明通過在柵極氧化層的熱氧化生長過程中引入氘元素，飽和界面態內的矽懸掛鍵，形成結合較強的矽氘鍵，以減小位於界面態內的矽懸掛鍵，或者取代矽氫鍵的氫，以形成結合較強的矽氘鍵。同時矽-氘鍵能大於所述矽-氫鍵能，在半導體工藝環境下，所述矽-氘鍵不易因外部的應力造成斷鍵，進一步減少位於界面態內的矽懸掛鍵，減少界面缺陷，進而抑制熱電子效應。
文檔編號H01L21/316GK102486999SQ20101056935
公開日2012年6月6日 申請日期2010年12月1日 優先權日2010年12月1日
發明者何永根 申請人:中芯國際集成電路製造(北京)有限公司