含氮柵極氧化層的製作方法

2023-06-06 03:29:51

含氮柵極氧化層的製作方法
【專利摘要】本發明提供一種含氮柵極氧化層的製作方法，包括：提供半導體襯底；對所述半導體襯底進行熱氧化工藝和實時高溫氮化熱處理，在所述半導體襯底上形成目標厚度的柵極氧化層，所述高溫氮化熱處理和/或所述熱氧化工藝使用稀釋氣體進行；通過等離子體氮化工藝對所述柵極氧化層進行氮注入，形成含氮柵極氧化層；採用高溫退火工藝，以穩定含氮柵極氧化層中的氮分布和修復含氮柵極氧化層中的等離子體損傷。本發明減少了Si-H鍵和S-O-H鍵以及Si-SiO2界面附近發生的斷裂鍵，減少了柵極氧化層中的應力，有效地改善了pMOSFET半導體器件的NBTI性能。
【專利說明】含氮柵極氧化層的製作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及半導體【技術領域】，尤其涉及一種含氮柵極氧化層的製作方法。
【背景技術】
[0002]隨著半導體器件尺寸以及柵極氧化層的厚度的不斷縮小，氮化柵氧工藝被普遍採用。氮化柵氧工藝目的是通過柵極氧化層中通常用摻氮來減少pMOSFET中的硼擴散，以改善抗熱載流子能力、增加介電常數。但是，利用氮化柵氧工藝形成的柵極氧化層大大增強了器件的負偏壓溫度不穩定性(NBTI:Negative Bias Temperature Instability)效應。NBTI效應會影響到半導體器件的使用，並隨著半導體器件技術節點的降低，NBTI逐漸成為半導體器件可靠性的瓶頸，因此如何降低NBTI效應是目前的研究重點之一。
[0003]NBTI效應主要發生在高溫和負偏壓偏置應力下的pMOSFET中，它導致了半導體器件的飽和漏極電流Idsat的絕對值和跨導Gm的減小，關態電流1ff和閾值電壓Vth的增力口。造成NBTI其主要原因是在NBTI應力的作用下，半導體器件的襯底與柵極氧化層(即Si/Si02)的界面處的界面態Dit以及氧化層固定正電荷Qf增加造成的。
[0004]關於界面態的產生目前主要有兩種合理的機制來解釋:
[0005]第一種機制是基於氫鍵模型的機制。這種機制認為S1-SiO2界面附近的含氫鍵結構體由於捕獲入射載流子的動能而發生氫原子的脫離，使原有的S1-H和S1-O-H鍵斷裂，造成懸掛鍵的產生，並由此導致了界面態；
[0006]第二種是基於斷鍵模型的機制。這種機制認為S1-SiO2界面附近的S1-Si鍵和由於結構不規則而存在內應力的S1-O鍵受到外來載流子的衝擊而斷裂，從而導致界面態產生。
[0007]現有技術中，柵極氧化層通常利用原位水汽生長(ISSG)工藝製備。ISSG工藝的原理是:在放置了半導體襯底(比如矽襯底)的反應腔體內通入初始反應氣體(所述反應氣體中還摻入少量H2的O2)，通過輻射式快速升溫技術使半導體襯底的溫度升溫至8000C -1100°C。它反應所需的氧化氣體是由H2和O2直接在半導體襯底的表面發生反應而生成的。在高溫氛圍下，半導體襯底表面表面會發生類似於爆轟的化學反應，部分主要反應式如下:
[0008]H2+02 — 20H
[0009]Η2+0Η — Η20+Η
[0010]02+H —OH+O*
[0011]H2+0* —OH+H
[0012]根據以上反應式，反應中產生大量具有氧化性的氣相活性自由基，這些自由基包括活性氧原子(O*)原子氧、水分子(H2O)以及OH基團等，隨後，這些自由基參與了半導體襯底的氧化過程。由於O*具有極強的氧化作用，使最終得到的柵極氧化層的缺陷減少，半導體襯底與柵極氧化層(即S1-SiO2的界面)充分氧化，從而有效提高了柵極氧化層的電學特性。由於ISSG工藝具有以上電學優點，目前它已被廣泛應用於先進半導體器件柵極氧化層的製作中。
[0013]目前被半導體業界廣泛接受的柵氧化層的製備工藝請參考圖1-圖2所示，所述方法包括:
[0014]I)提供半導體襯底10,採用ISSG(In_Situ Steam Generation)原位水蒸汽氧化方法生長柵極氧化層20，所述半導體襯底10的材質為矽，所述柵極氧化層20的材質為SiO2 ；
[0015]2)採用DPN(Decoupled Plasma Nitridation)氮氣等離子體向所述柵極氧化層20中摻雜氮，形成含氮柵氧化層20 ；
[0016]3)採用PNA (Post Nitridation Anneal)高溫退火工藝穩定N摻雜及修復介質中的等離子體損傷。
[0017]在上述製備工藝中，由於氮離子的注入在柵極氧化層20中形成了大量的氫離子陷阱中心，增加了固定正電荷，導致NBTI效應的增強。並且在ISSG工藝過程中產生大量的S1-H鍵和S-O-H鍵以及S1-SiO2界面附近發生的斷裂鍵。現有技術採用的PNA高溫退火工藝以穩定N離子的分布及修復柵極氧化層20中的等離子體損傷，但是高溫退火工藝無法及時有效的修復ISSG及其氮化工藝過程中產生的S1-H鍵和S-O-H鍵以及S1-SiO2界面附近發生的斷裂鍵，也無法有效地改善pMOSFET半導體器件的NBTI性能。
[0018]因此，需要一種含氮柵極氧化層的製作方法，能夠減少S1-H鍵和S-O-H鍵以及S1-SiO2界面附近發生的斷裂鍵，減少或消除柵極氧化層中的應力，有效地改善pMOSFET半導體器件的NBTI性能。

【發明內容】

[0019]本發明解決的問題是提供了一種含氮柵極氧化層的製作方法，減少了 S1-H鍵和S-O-H鍵以及S1-SiO2界面附近發生的斷裂鍵，減少了柵極氧化層中的應力，有效地改善了pMOSFET半導體器件的NBTI性能。
[0020]為解決上述問題，本發明提供一種含氮柵極氧化層的製作方法，包括:
[0021]提供半導體襯底；
[0022]對所述半導體襯底進行熱氧化工藝和實時高溫氮化熱處理，在所述半導體襯底上形成目標厚度的柵極氧化層，所述高溫氮化熱處理和/或所述熱氧化工藝使用稀釋氣體進行，所述稀釋氣體用於氫氣含量的減少在半導體襯底和柵極氧化層的S1-H鍵和S-O-H鍵以及界面發生斷裂鍵的數量；
[0023]通過等離子體氮化工藝對所述柵極氧化層進行氮注入，形成含氮柵極氧化層；
[0024]採用高溫退火工藝，以穩定含氮柵極氧化層中的氮分布和修復含氮柵極氧化層中的等離子體損傷。
[0025]可選地，所述半導體襯底的材質為矽，所述柵極氧化層的材質為SiO2，所述熱氧化工藝過程中利用稀釋氣體以稀釋S1-SiO2界面產生S1-H鍵和S-O-H鍵的數量。
[0026]可選地,所述稀釋氣體包括N2或Ar,所述稀釋氣體的流量範圍為5slm_50slm。
[0027]可選地，所述實時高溫氮化熱處理工藝的溫度範圍為1000-1100攝氏度，時間範圍為5-120秒，所述稀釋氣體用於加快柵極氧化層內的應力釋放，減少柵極與襯底界面之間發生斷裂鍵的可能性。[0028]可選地，所述熱氧化工藝包括:快速熱處理工藝和/或垂直爐管工藝。
[0029]可選地，所述快速熱處理工藝包括:原位水蒸汽氧化工藝和快速熱氧化工藝。
[0030]可選地，所述等離子體氮化工藝包括:去耦等離子體氮化工藝、遠程等離子體氮化工藝和/或垂直擴散設備氮化處理工藝。
[0031]可選地，所述垂直擴散設備氮化處理工藝利用NO、N20、NH3中的一種或者其中的混合進行。
[0032]可選地，所述高溫退火工藝的溫度範圍為1000-1100攝氏度，反應時間範圍為5-120 秒。
[0033]可選地，所述高溫退火的氣體包括N2、02或者兩者的混合。
[0034]與現有技術相比，本發明具有以下優點:
[0035]本發明同時對半導體襯底進行熱氧化工藝和實時高溫氮化熱處理，在所述半導體襯底上形成目標厚度的柵極氧化層，所述高溫氮化熱處理和/或所述熱氧化工藝使用稀釋氣體進行，所述稀釋氣體用於氫氣含量的減少在半導體襯底和柵極氧化層的界面自由鍵的數量，所述高溫氮化熱處理能夠加快柵極氧化層內的應力釋放，減少半導體襯底與柵極氧化層的界面附件發生斷裂鍵的可能。與傳統成膜後改善柵極氧化層界面態的方法不同，本發明通過對半導體襯底同時執行熱氧化操作和實時高溫氮化熱處理操作來及時有效的改善柵極氧化層的界面態，並通過改善器件Si/Si02界面處的界面態來提高pMOSFET器件的NBTI性能。實驗結果表明，採用本發明所提供的方法能有效地減少柵極氧化層的界面態總電荷至少一個數量級，pMOSFET半導體器件的NBTI壽命t0.1%和t50%可分別提高28.6%和40.7%。本發明可應用在45nm及其以下技術節點CMOS工藝的含氮柵極氧化層的製備和pMOSFET半導體器件NBTI性能的改善。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0036]圖1-圖2是現有技術的柵極氧化層的製作方法；
[0037]圖3是本發明一個實施例的含氮柵極氧化層的製作方法剖面結構示意圖；
[0038]圖4-圖5是本發明一個實施例的含氮柵極氧化層的製作方法剖面結構示意圖。
【具體實施方式】
[0039]請參考圖1及圖2，現有技術的卻顯示由於氮離子的注入在柵極氧化層20中形成了大量的氫離子陷阱中心，增加了固定正電荷，導致NBTI效應的增強。並且在ISSG工藝過程中產生大量的S1-H鍵和S-O-H鍵以及S1-SiO2界面附近發生的斷裂鍵。現有技術採用的PNA高溫退火工藝以穩定N離子的分布及修復柵極氧化層20中的等離子體損傷，但是高溫退火工藝無法及時有效的修復ISSG及其氮化工藝過程中產生的S1-H鍵和S-O-H鍵以及S1-SiO2界面附近發生的斷裂鍵，也無法有效地改善pMOSFET半導體器件的NBTI性能。
[0040]為解決上述問題，本發明提供一種含氮柵極氧化層的製作方法，請參考3所示的本發明一個實施例的含氮柵極氧化層的製作方法剖面結構示意圖。所述方法包括:
[0041]步驟SI，提供半導體襯底；
[0042]步驟S2，對所述半導體襯底進行熱氧化工藝和實時高溫氮化熱處理，在所述半導體襯底上形成目標厚度的柵極氧化層，所述高溫氮化熱處理和/或所述熱氧化工藝使用稀釋氣體進行；
[0043] 步驟S3，通過等離子體氮化工藝對所述柵極氧化層進行氮注入，形成含氮柵極氧化層；
[0044]步驟S4，採用高溫退火工藝，以穩定含氮柵極氧化層中的氮分布和修復含氮柵極氧化層中的等離子體損傷。
[0045]下面結合具體的實施例對本發明的技術方案進行詳細的說明。為了更好的說明本發明的技術方案，請參考圖4-圖5是本發明一個實施例的含氮柵極氧化層的製作方法剖面結構示意圖。
[0046]請參考圖4，提供半導體襯底100。作為半導體襯底100的材質為矽。為了保證後續對所述半導體襯底100進行清洗。
[0047]然後，對所述半導體襯底100進行熱氧化工藝和實時高溫氮化熱處理，在所述半導體襯底100上形成目標厚度的柵極氧化層200。所述柵極氧化層200的材質為Si02。通過對半導體襯底100同時執行熱氧化操作和實時高溫氮化熱處理操作來及時有效的改善柵極氧化層的界面態，並通過改善器件Si/Si02界面處的界面態來提高pMOSFET器件的NBTI性能。
[0048]作為一個實施例，所述高溫氮化熱處理使用稀釋氣體進行，所述稀釋氣體用於氫氣含量的減少在半導體襯底和柵極氧化層的界面自由鍵(比如S1-H鍵和S-O-H鍵)的數量。所述稀釋氣體包括N2或八!.,所述稀釋氣體的流量範圍為5slm-50slm。所述實時高溫氮化熱處理工藝的溫度範圍為1000-1100攝氏度，時間範圍為5-120秒。所述高溫氮化處理工藝用於加快柵極氧化層內的應力釋放，減少柵極與襯底界面之間發生斷裂鍵的可能性。作為本發明的又一實施例，所述熱氧化工藝使用稀釋氣體進行，所述稀釋氣體用於氫氣含量的減少在半導體襯底100和柵極氧化層200的界面自由鍵(比如S1-H鍵和S-O-H鍵)的數量。所述稀釋氣體包括N2或Ar,所述稀釋氣體的流量範圍為5slm-50slm。
[0049]本發明所述的熱氧化工藝包括:快速熱處理工藝和/或垂直爐管工藝。其中，所述快速熱處理工藝可以為原位水蒸汽氧化工藝(ISSG)和快速熱氧化工藝(RTO)。
[0050]接著，請參考圖5，通過等離子體氮化工藝對所述柵極氧化層200 (結合圖4)進行氮注入，形成含氮柵極氧化層201。
[0051]本發明所述的等離子體氮化工藝包括:去耦等離子體氮化工藝、遠程等離子體氮化工藝和/或垂直擴散設備氮化處理工藝。其中，所述垂直擴散設備氮化處理工藝利用NO、N2O或NH3或者其中的兩種或3種的組合進行。
[0052]接著，請繼續參考圖5，採用高溫退火工藝，以穩定含氮柵極氧化層201中的氮分布和修復含氮柵極氧化層201中的等離子體損傷。
[0053]作為一個實施例，所述高溫退火工藝的溫度範圍為1000-1100攝氏度，反應時間範圍為5-120秒。所述高溫退火的氣體包括N2、O2或者兩者的混合。
[0054]綜上，本發明同時對半導體襯底進行熱氧化工藝和實時高溫氮化熱處理，在所述半導體襯底上形成目標厚度的柵極氧化層，所述高溫氮化熱處理和/或所述熱氧化工藝使用稀釋氣體進行，所述稀釋氣體用於氫氣含量的減少在半導體襯底和柵極氧化層的界面自由鍵的數量，所述高溫氮化熱處理能夠加快柵極氧化層內的應力釋放，減少半導體襯底與柵極氧化層的界面附件發生斷裂鍵的可能。與傳統成膜後改善柵極氧化層界面態的方法不同，本發明通過對半導體襯底同時執行熱氧化操作和實時高溫氮化熱處理操作來及時有效的改善柵極氧化層的界面態，並通過改善器件Si/Si02界面處的界面態來提高pMOSFET器件的NBTI性能。實驗結果表明，採用本發明所提供的方法能有效地減少柵極氧化層的界面態總電荷至少一個數量級，pMOSFET半導體器件的NBTI壽命t0.1%和t50%可分別提高28.6%和40.7%。本發明可應用在45nm及其以下技術節點CMOS工藝的含氮柵極氧化層的製備和pMOSFET半導體器件NBTI性能的改善。
[0055]因此，上述較佳實施例僅為說明本發明的技術構思及特點，其目的在於讓熟悉此項技術的人士能夠了解本發明的內容並據以實施，並不能以此限制本發明的保護範圍。凡根據本發明精神實質所作的等效變化或修飾，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種含氮柵極氧化層的製作方法，其特徵在於，包括: 提供半導體襯底； 對所述半導體襯底進行熱氧化工藝和實時高溫氮化熱處理，在所述半導體襯底上形成目標厚度的柵極氧化層，所述高溫氮化熱處理和/或所述熱氧化工藝使用稀釋氣體進行； 通過等離子體氮化工藝對所述柵極氧化層進行氮注入，形成含氮柵極氧化層； 採用高溫退火工藝，以穩定含氮柵極氧化層中的氮分布和修復含氮柵極氧化層中的等離子體損傷。
2.如權利要求1所述的含氮柵極氧化層的製作方法，其特徵在於，所述半導體襯底的材質為矽，所述柵極氧化層的材質為SiO2，所述熱氧化工藝過程中利用稀釋氣體以稀釋S1-SiO2界面產生S1-H鍵和S-O-H鍵的數量。
3.如權利要求1所述的含氮柵極氧化層的製作方法，其特徵在於，所述稀釋氣體包括N2或Ar,所述稀釋氣體的流量範圍為5slm-50slm。
4.如權利要求1所述的含氮柵極氧化層的製作方法，其特徵在於，所述實時高溫氮化熱處理工藝的溫度範圍為1000-1100攝氏度，時間範圍為5-120秒，所述稀釋氣體用於加快柵極氧化層內的應力釋放，減少柵極與襯底界面之間發生斷裂鍵的可能性。
5.如權利要求1所述的含氮柵極氧化層的製作方法，其特徵在於，所述熱氧化工藝包括:快速熱處理工藝和/或垂直爐管工藝。
6.如權利要求5所述的含氮柵極氧化層的製作方法，其特徵在於，所述快速熱處理工藝包括:原位水蒸汽氧化工藝和快速熱氧化工藝。
7.如權利要求6所述的含氮柵極氧化層的製作方法，其特徵在於，所述等離子體氮化工藝包括:去耦等離子體氮化工藝、遠程等離子體氮化工藝和/或垂直擴散設備氮化處理工藝。
8.如權利要求7所述的含氮柵極氧化層的製作方法，其特徵在於，所述垂直擴散設備氮化處理工藝利用NO、N2O, NH3中的一種或者其中的混合進行。
9.如權利要求6所述的含氮柵極氧化層的製作方法，其特徵在於，所述高溫退火工藝的溫度範圍為1000-1100攝氏度，反應時間範圍為5-120秒。
10.如權利要求9所述的含氮柵極氧化層的製作方法，其特徵在於，所述高溫退火的氣體包括N2、O2或者兩者的混合。
【文檔編號】H01L21/283GK103972071SQ201410163457
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年4月22日 優先權日:2014年4月22日
【發明者】張紅偉 申請人:上海華力微電子有限公司