用於在氧化物膜中摻入氮的方法和裝置的製作方法

2023-07-12 07:25:41 1

專利名稱：用於在氧化物膜中摻入氮的方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及半導體器件處理，更具體地涉及在氧化物膜中摻入氮的方 法和裝置。
背景技術：
對電子設備的性能和密集度的更高要求導致金屬氧化物半導體 (MOS)器件的橫向尺寸越來越小。隨著器件橫向尺寸減小，MOS器件 的柵極電介質厚度(例如，二氧化矽厚度)也必須降低，從而保持足夠的 電荷存儲容量以使MOS器件正常工作。目前對器件橫向尺寸的要求使得柵極電介質降至低於40埃的範圍， 而驅動電壓並不成比例地降低。將具有相同或相似驅動電壓的較薄柵極電 介質層組合使用，導致各代MOS器件的電場增大。因此，由這些增大的 電場引起的熱載流子損傷以及電介質擊穿強度已經成為進一步縮小MOS 器件的關鍵。此外，MOS器件尺寸減小導致製造技術的大量應用，例如使 用高能粒子並產生可使生長二氧化矽(Si02)柵極電介質的常規爐損傷的 電離輻射的電子束光刻和反應性離子蝕刻。可以使用"氮化氧化物"或"氧氮化物"來代替"純"二氧化矽作為 柵極電介質。氧氮化物通常在Si/Si02界面上結合少量的氮(例如，1-5原 子％)。界面上的氮改進了氧氮化物對熱載流子和輻射的抗損傷性，並增 強了氧氮化物的擴散阻擋性。氧化物層塊體中的氮提高了氧化物層的介電 常數。一種可用於將氮引入二氧化矽的技術是等離子體氮化。在等離子體氮化中，使用RF等離子體反應器將氮摻入氧化物膜。例如，可以使用RF等 離子體將分子氮解離成原子(和/或離子)氮，然後可將原子和/或離子氮 摻入氧化物膜。通常使用不施加偏置功率的等離子體。即，氮等離子體主 要通過脈衝或連續源(線圈)功率產生。在常規等離子體氮化之後，經類似處理的襯底可具有不同的氧化物厚 度和/或摻氮水平。這些不同的氧化物厚度和/或摻氮水平可造成影響器件 產量和成本的不期望的器件間差異。因此，仍需要將氮摻入氧化物膜的改 進方法和裝置。發明概述本發明的第一方面提供了第一方法。第一方法包括步驟(1)用高 強度等離子體將處理室預處理；(2)將襯底裝入所述處理室；和(3)在 所述處理室內對所述襯底進行等離子體氮化。預處理所述處理室使用的等 離子體功率比所述襯底的等離子體氮化過程中使用的等離子體功率高至少150%。本發明的第二方面提供了第二方法。第二方法包括步驟(1)用第一高強度氮等離子體將處理室預處理；(2)將第一襯底裝入所述處理 室；和(3)對所述第一襯底進行等離子體氮化。預處理所述處理室使用的第一高強度氮等離子體的等離子體功率比所述第一襯底的等離子體氮化過程中使用的等離子體功率高至少150%。第二方法還包括步驟(4)用 第二高強度氮等離子體將所述處理室預處理；(5)將第二襯底裝入所述 處理室；和(6)對所述第二襯底進行等離子體氮化。預處理所述處理室 使用的第二高強度氮等離子體的等離子體功率比所述第二襯底的等離子體 氮化過程中使用的等離子體功率高至少150%。本發明的第三方面提供了第三方法。第三方法包括步驟(1)用高強度等離子將處理室預處理，以使氮被吸收或吸附在所述處理室的至少一個處理部件和室壁上；(2)將襯底裝入所述處理室；和(3)在所述處理 室內對所述襯底進行等離子體氮化。本發明的第四方面提供了第一裝置。第一裝置包括(1)處理室；和(2)連接至所述處理室的控制器。所述控制器被設置用於控制所述處 理室，從而(a)用高強度等離子體將處理室預處理；(b)將襯底裝入所 述處理室；和(C)在所述處理室內對所述襯底進行等離子體氮化。預處 理所述處理室使用的等離子體功率比所述襯底的等離子體氮化過程中使用的等離子體功率高至少150%。本發明的第五方面提供了第二裝置。第二裝置包括(1)處理室； 和(2)連接至所述處理室的控制器。所述控制器被設置用於控制所述處 理室，從而(a)用第一高強度氮等離子體將處理室預處理；(b)將第一 襯底裝入所述處理室；和(c)對所述第一襯底進行等離子體氮化。預處理所述處理室使用的第一高強度氮等離子體的等離子體功率比所述第一襯底的等離子體氮化過程中使用的等離子體功率高至少150%。所述控制器 還被設置用於控制所述處理室，從而(d)用第二高強度氮等離子體將所 述處理室預處理；(e)將第二襯底裝入所述處理室；和(f)對所述第二 襯底進行等離子體氮化。預處理所述處理室使用的第二高強度氮等離子體 的等離子體功率比所述第二襯底的等離子體氮化過程中使用的等離子體功 率高至少150%。本發明的第六方面提供了第三裝置。第三裝置包括(1)處理室； 和(2)連接至所述處理室的控制器。所述控制器被設置用於控制所述處 理室，從而(a)用高強度等離子將處理室預處理，以使氮被吸收或吸附 在所述處理室的至少一個處理部件和室壁上；(2)將襯底裝入所述處理 室；和(3)在所述處理室內對所述襯底進行等離子體氮化。本發明還提供了許多其它方面。通過下面的詳細描述、所附權利要求和附圖，可以更清楚地理解本發 明的其它特徵和方面。


圖1為根據本發明的300 mm DPN室中的慘氮量與晶片數(槽數 (slotnumber))的關係圖；圖2為根據本發明的300 mm DPN室(其中RF功率在高水平與低水平之間類似地切換)中的摻氮量與晶片數(槽數)的關係圖；圖3為根據本發明的用或不用各種高強度等離子體步驟處理的襯底的厚度(初始氧化物厚度約為10埃)與N量關係圖；圖4為根據本發明提供的等離子體氮化系統的示意圖；圖5為根據本發明的對襯底進行氮化的示例性方法的流程圖；圖6為等離子體氮化室的常規氮化處理工序的時間線；圖7為根據本發明提供的等離子體氮化室的第一示例性氮化處理工序 的時間線；圖8為根據本發明提供的等離子體氮化室的第二示例性氮化處理工序的時間線。
具體實施方式
本發明提供了用於提高可摻入形成在襯底上的氧化物膜中的氮的密度 的改進方法和裝置。根據本發明，例如可以使用等離子體反應器來將氮摻 入柵極氧化物或其它材料層。本發明還提供了用於形成氮化氧化物層的方法和裝置，如此形成的氮 化氧化物層比使用常規處理形成的層更薄。例如，通過使用本發明，可在 較低的等離子體功率下將更多的氮引入氧化物。因此，等離子體產生能量 較低的氮原子/離子，並且較少的氮原子/離子到達矽/二氧化矽界面。可以 得到較薄的氮化氧化物膜。在某些實施方式中，在襯底的氮化過程中，可 以通過活性氮清除殘餘的氧，得到較低水平的氧或水分。此外，本發明提供了用於改善處理可重複性的方法和裝置。更具體 地，本發明可以減少或消除可能在採用不同處理條件(例如，功率)的氮 化步驟之間產生的有害的過程間記憶效應。本發明的方法包括在處理室內處理襯底之前用"高強度等離子體"將 空處理室預處理。在處理室內處理每個襯底之前使用這種高強度等離子體可被稱為每個襯底之間的等離子體("PES")或每個晶片之間的等離子 體("PEW")。為了簡便起見，本文使用術語"高強度等離子體步驟"來描述在"空"處理室內使用高強度等離子體的步驟，從而將該處理室預處理，該 處理室用於對襯底進行後續氮化步驟。高強度等離子體是指，與後續的氮 化步驟相比，以更高的功率(例如，更高的射頻(RF)功率)、更低的氣 壓(例如，通過引入例如氬或氦的第二氣體)和/或更長的時間產生的等離 子體。高強度等離子體步驟中使用的"空"處理室包括不含襯底的處理室或 者含有非製造或"空白"襯底或類似物體的處理室。本文使用術語"襯底 氮化步驟"來描述對襯底進行的等離子體氮化處理或類似處理。如上所述，用高強度等離子體將處理室預處理的作用是(1)後續 進行的襯底氮化步驟(例如等離子體氮化)可以更具可重複性(例如，晶 片間的可重複性)；(2)對於給定的膜厚度，在後續的襯底氮化步驟中 摻入膜中的氮量(Nd。se)可以增加；和/或(3)可以在後續的襯底氮化步 驟中形成具有更期望的(例如，更好的)柵極氧化物特性的更薄的膜。對於產生根據本發明的適合預處理處理室的高強度等離子體，可以採用許多不同的配方。例如，在300 mm的襯底處理室中，其中使用Ns等離 子體將氧化物薄膜氮化以形成用於柵極氧化物應用的氧氮化物膜，預處理 等離子體的有效配方可包括約2000 W的RF功率，約20毫託(mT)的 等離子體氣壓，約20秒的預處理時間，以及約200標準立方釐米每分鐘(sccm)的N2流率。但應注意，功率、壓力、時間和N2流率可以變化。 例如，範圍從約800 W至2500 W的RF功率、範圍從約10 mT至100 mT 的壓力、範圍從約5秒至60秒的時間和/或氣體混合物(例如，He、 Ar、 N等)的各種組合可以得到具有不同強度的等離子體的有效配方。可以使 用其它範圍，並且這些範圍可以例如根據處理室和/或襯底尺寸(例如200 mm的襯底)變化。已發現，在處理室預處理過程中使用不同水平的高強度等離子體，可 以在後續襯底氮化步驟中產生不同濃度的氮和/或不同分布的氮，並在後續 襯底氮化步驟之間產生不同的記憶效應。例如，通過在每個襯底氮化步驟 之間用比襯底氮化中所用最高功率高約150%至200%的RF功率所產生的 等離子體進行預處理，可以有效地消除襯底氮化步驟之間的記憶效應。在另一個實施例中，後續襯底氮化步驟中的摻氮量通常隨著預處理配方高強 度的增加而增大。在某些實施方式中，通過用高強度等離子體進行預處理，可使氮被吸 收到處理室的處理部件和內壁中或吸附在其上，其中處理部件例如是蓋、 襯裡、靜電卡盤(例如可由陽極化鋁、石英等製成)。在較低功率下進行 後續氮化步驟時，氮可被解吸或釋放到等離子體中，得到更富含氮的等離 子體，這可導致更高的摻氮量並形成較薄的氧化物膜(例如，可以使用較 低能量的等離子體)。換言之，處理室可以具有與在不同強度下可吸收/吸 附的氮量相關的特徵平衡，並且在更高的強度下，處理室可以吸收/吸附更 多的氮，這些氮隨後在較低水平的等離子體強度下解吸或釋放。此外/或 者，高強度等離子體預處理步驟可使處理室表面和/或處理部件對氮飽和， 以使該表面和/或處理部件在較低功率的等離子體氮化過程中無法吸收或吸 附更多的氮。在某些實施方式中，從處理部件和室表面釋放的氮可以有效地置換在 裝載御載時進入處理室的02或1120和/或降低其相對分壓。在這些實施方 式中，02或水分的缺失和/或更高的N2相對分壓可導致摻入薄膜中的氧較 少(例如，從而形成更薄的氧化物層)。在某些實施方式中，第一襯底氮化步驟可以改變與第二襯底氮化步驟 時存在的氮量相關的處理室特性。例如，如果相對於第二襯底氮化步驟， 第一襯底氮化步驟釆用更高功率的等離子體，則第二襯底氮化步驟會經歷 由於在第二襯底氮化步驟中存在更多的氮所導致的記憶效應。因此，氧化 物膜中的摻氮量可以提高，並且第二襯底氮化步驟所形成的氧化物膜厚度 可以增大(相對於沒有記憶效應的情況)或保持不變。或者，如果相對於 第一襯底氮化步驟，第二襯底氮化步驟採用更高功率的等離子體，則第二 襯底氮化步驟會經歷記憶效應，其中在第二襯底氮化步驟中存在較少的 氮。因此，氧化物膜中的摻氮量可以降低，並且第二襯底氮化步驟所形成 的氧化物膜厚度可以減小(相對於沒有記憶效應的情況)或保持不變。因 此，在某些實施方式中，通過用比第一和第二襯底氮化步驟中較高的功率 明顯更高的功率(例如200%)的等離子體將處理室預處理，本發明可以利用上述記憶效應。在某些實施方式中，可以調整高強度等離子體預處理步驟，使得與預 處理步驟和任何一個襯底氮化步驟的功率水平之間的相對差異相比，第一 與第二襯底氮化步驟的功率水平之間的相對差異可以忽略。總體結果是兩 個氮化步驟從預處理步驟得到的記憶效應遠大於任何過程間記憶效應(例 如，第二氮化步驟從第一氮化步驟得到的記憶效應)，以使第二氮化步驟 可以在檢測不到任何來自第一氮化步驟的記憶效應的條件下進行。因此， 本發明的方法可用於改善使用不同RF功率水平的氮化步驟工序的可重複 性。為了說明上述記憶效應，在一種示例性實施方式中，使用可從Santa Clara， CA的Applied Materials, Inc.獲得的去耦等離子體氮化(DPN)室 來檢驗襯底氮化步驟之間的記憶效應。更具體地，隨著RF功率在高電平 與低電平之間切換，在DPN室內將晶片氮化。氮化之後，測定摻氮量。圖1為該實施方式的300 mm DPN室中的摻氮量與晶片數(槽數 (slot number))的關係圖。晶片在如下條件下處理500 W的高功率電 平連續波，20mTorr的室壓力，32秒的時間，200 sccm的N2流率，無晶 片卡盤；以及200W的低功率電平連續波，20mTorr的室壓力，32秒的時 間，200 sccm的N2流率，無晶片卡盤。如參考標號100所示，在穩態(較 低)值下，直到氮化從高功率切換到低功率後處理數個襯底之後，摻氮量 才趨於穩定。同樣，如參考標號102所示，在穩態(較高)值下，直到氮 化從低功率切換到高功率後處理數個襯底之後，摻氮量才趨於穩定。這種 結果被認為是上述記憶效應所致。圖2為RF功率類似地在高水平與低水平之間切換的300 mm DPN室 中的摻氮量與晶片數(槽數(slot number))的關係圖。具體地，晶片在 如下條件下處理500 W的高功率電平連續波，20mTorr的室壓力，32秒 的時間，200 sccm的N2流率，無晶片卡盤；以及200 W的低功率電平連 續波，20mTorr的室壓力，32秒的時間，200 sccm的N2流率，無晶片卡 盤。在各個襯底之間實施高強度等離子體或"每個晶片的等離子體" (PEW)。採用五種不同的PEW處理條件，由曲線200a-200b、 202a-202b 、 204a-204b、 206a-206b和208a-208b:(1) 無PEW，如曲線200a-200b所示；(2) 40 W連續波的低功率N2 PEW，室壓力為20mTorr，時間為32 秒，N2流率為200sccm，如曲線202a-200b所示；(3) 2000 W連續波的高功率氦PEW，室壓力為20 mTorr，時間為 32秒，N2流率為200 sccm，如曲線204a陽204b所示；(4) 1000 W連續波的高功率N2 PEW，室壓力為20 mTorr，時間為 32秒，N2流率為200sccm，如曲線206-206b所示；以及(5) 2000 W連續波的高功率N2 PEW，室壓力為20 mTorr，時間為 32秒，N2流率為200sccm，如曲線208-208b所示。如曲線200a-200b、 202a-202b、 204a-204b所示，無PEW、使用低功率N2 PEW和使用高功率氦PEW並未減輕由在高功率與低功率之間切換的氮化 等離子體處理室引起的記憶效應。然而，如曲線206a-206b和208a-208b 所示，使用高功率N2PEW (例如，上述實例中的約1000 W或更高)明顯 消除了這種記憶效應。如上所述，對於給定的初始氧化物厚度，在襯底氮化之前使用高強度 等離子體可以生成較薄的氮化氧化物。圖3示出了用或不用各種PEW處 理步驟處理的襯底的厚度與摻氮量的關係(初始氧化物厚度約為10 埃)。如圖3所示，對於給定的初始氧化物厚度，使用低脈衝或中等連續 波RF功率的PEW得到厚度較薄的氮化氧化物，如曲線300、 302、 304、 306、 308和310所示，這些曲線分別表示(1) 曲線300示出了氮化後的厚度與摻氮量的關係，氮化條件使 用DPN室(可從Santa Clara， CA的Applied Materials, Inc.獲得)，低 RF脈衝功率為50 Weff、 75 Weff和100 Weff，基底氧化物厚度為10埃(快速熱氧化)，5%佔空因數的脈衝和增強脈衝射頻產生，室壓力為20 mT， N2等離子體進行30秒，無卡盤，預設夾持，氮化後退火，分壓電容 (Divcap)設置為15%;(2) 曲線302示出了氮化後的厚度與摻氮量的關係，氮化條件使 用DPN室(可從Santa Clara， CA的Applied Materials， Inc.獲得)，中等RF功率為100 W、 200 W和300 W，基底氧化物厚度為10埃(快速熱氧 化)，連續波，增強脈衝射頻產生，室壓力為20mT， N2等離子體進行30 秒，無卡盤，氮化後退火，分壓電容設置為15%;(3) 曲線304示出了氮化後的厚度與摻氮量的關係，氮化條件使 用DPNplus室(可從Santa Clara， CA的Applied Materials, Inc.獲得)， 低RF脈衝功率為50 Weff、 75 Weff和100 Weff，基底氧化物厚度為10埃(快速熱氧化)，5%佔空因數的脈衝和增強脈衝射頻產生，室壓力為20 mT， N2等離子體進行30秒，無卡盤，氮化後退火，分壓電容設置為 30%;(4) 曲線306示出了氮化後的厚度與摻氮量的關係，氮化條件使 用DPNplus室(可從Santa Clara， CA的Applied Materials, Inc.獲得)， 中等RF功率為100 W、 200 W和300 W，基底氧化物厚度為10埃(快速 熱氧化)，連續波，增強脈衝射頻產生，室壓力為20mT， N2等離子體進 行30秒，無卡盤，氮化後退火，分壓電容設置為50%;(5) 在曲線308中，氮化步驟與上述(3)相同，之前進行N2 PEW (2000 W連續波，室壓力為20 mTorr，時間為32秒，N2流率為200sccm);禾口(6) 在曲線310中，氮化步驟與上述(4)相同，之前進行N2 PEW (2000 W連續波，室壓力為20 mTorr，時間為32秒，N2流率為200sccm) o如圖3所示，對於給定的膜厚度，在氮化前使用PEW可生成較薄的 氮化氧化物。圖4為本發明提供的等離子體氮化系統400的示意圖。等離子體氮化 系統400包括連接至控制器404的等離子體氮化室402 (例如，通過導 線、電纜、無線等方式連接)。等離子體氮化室402可包括任何合適的等離子體氮化室，例如可從 Santa Clara， CA的Applied Materials, Inc.獲得的300 mm DPN Centura⑧系 統。室402可包括室外殼406，用於包圍處理部件，處理部件包括布置在 託架410上的第一電極408，託架410在處理過程中支撐襯底412。室外殼402包括各種進口和出口 (未示出)，用於流動處理氣體和/或冷卻劑。該室可被稱為去耦等離子體氮化(DPN)室，儘管所用等離子體無需"去耦"。控制器404可以包括一個或多個微處理器、微控制器、專用硬體及其 組合等。在本發明的至少一種實施方式中，控制器404適於(例如，編 程)在將襯底裝入等離子體氮化室402並氮化之前在等離子體氮化室401 內進行高強度等離子體處理。這種高強度等離子體步驟可以在處理每個襯 底之前進行(例如，等離子體處理每個襯底)，或在該室內處理一定數量 (例如，1、 2、 3、 4等)的襯底後進行。控制器404還可用於控制其它處 理，例如等離子體氮化室402內的氮化。圖5為本發明的用於氮化襯底的示例性方法500的流程圖。參見圖 5，方法500始於步驟501。在步驟502，在等離子體氮化室402內進行高 強度等離子體步驟。例如，在300 mm的襯底處理室中，其中使用N2等離 子體來氮化氧化物薄膜以形成用於柵極氧化物應用的氧氮化物膜，預處理 等離子體的有效配方可以包括約2000 W的RF功率，約20毫託(mT) 的等離子體氣壓，約20秒的預處理時間，以及約200標準立方釐米每分 鍾(sccm)的N2流率。但應注意，功率、壓力、時間和N2流率可以變 化。例如，範圍從約800 W至2500 W的RF功率、範圍從約10mT至100 mT的壓力、範圍從約5秒至60秒的時間和/或氣體混合物(例如，He、 Ar、 N等)的各種組合可以得到具有不同強度的等離子體的有效配方。可 以使用其它範圍，並且這些範圍可以例如根據處理室和/或襯底尺寸(例如 200 mm的襯底)變化。當室402為空時，或當其中存在空白襯底或類似 物體時，可以進處理行高強度等離子體處理步驟502。在步驟502之後，將襯底裝入等離子體氮化室402。在歩驟503中， 在等離子體氮化室402內對襯底進行氮化處理。例如，可以使用任何常規 的等離子體氮化處理(例如，從而形成氧氮化物或其它類似材料層)。在步驟505中，將襯底從氮化室402中取出；在步驟506中，方法 500結束。可以使用任何合適的氮化後步驟(例如，氮化後退火、其它沉 積或蝕刻步驟等)。圖6為等離子體氮化室(未示出)的常規氮化處理工序600的時間線。參見圖6，在等離子體氮化室內，在時間段T0-T1、 T2-T3和T4-T5分 別進行三個被稱為DPN的氮化處理。在氮化處理之間，例如在Tl-T2與 T3-T4之間，等離子體氮化室空閒。圖7為本發明提供的等離子體氮化室(未示出)的第一示例性氮化處 理工序700的時間線。圖7的工序700類似於圖6的工序600，但是在每 個氮化處理步驟之間包括高強度等離子體步驟(圖7中表示為PEW)。具 體地，在T0-T1之間，在等離子體氮化室內對第一襯底進行氮化處理。在 Tl-T2之間，等離子體氮化室空閒。在T2-T3之間，在等離子體氮化室內 進行高強度等離子體處理。在T3-T4之間，在等離子體氮化室內對第二襯 底進行氮化處理。在T4-T5之間，等離子體氮化室空閒。在T5-T6之間， 在等離子體氮化室內進行高強度等離子體處理。在T6-T7之間，在等離子 體氮化室內對第三襯底進行氮化處理。如上所述，在每個氮化處理之前使 用高強度等離子體，明顯減小了與等離子體氮化室相關的記憶效應，並且 可以生成較薄的氮化氧化物。圖8為本發明提供的等離子體氮化室(未示出)的第二示例性氮化處 理工序800的時間線。圖8的工序800類似於圖7的工序700，只是縮短 每次空閒時間以適應每個高強度等離子體步驟。以此方式，系統處理量不 被高強度等離子體步驟降低。根據本發明的某些實施方式，高強度等離子體(或PEW/PES)步驟可 在氮化步驟之間交替進行。應當注意，在其它實施方式中， 一個或多個高 強度等離子體步驟可以在襯底氮化步驟之後立即進行、在襯底氮化步驟之 前即刻進行或在其間的任意時間進行。同樣，多於一個高強度等離子體步 驟可在氮化步驟之間進行，或高強度等離子體步驟可以以較低頻率進行 (例如，在每隔2個、3個、4個等的襯底後進行)。從處理量的角度，希 望在室空閒期間進行高強度等離子體步驟(如圖8所示)。與使用不包括高強度等離子處理的等離子體氮化步驟形成的氧化物層 相比，在高強度等離子體處理(PEW)後進行氮化處理可以得到具有更高 摻氮量的厚度相同或厚度略大的氧化物層。應當注意，由於摻氮量較高，因此可以使用較低功率的等離子體來生成較薄的氧化物層，該氧化物層具 有與不進行高強度等離子體預處理的等離子體氮化處理相同的摻氮量。以上描述僅公開了本發明的示例性實施方式。對於本領域的普通技術 人員，上述裝置和方法的落入本發明範圍的改進是顯而易見的。例如，本 發明可用於改善以下氧化物和其它膜(高K膜，例如HfSiOx、 Hf02、氧 化鋯、氧化鉭、稀土金屬氧化物和矽酸鹽；以及其它金屬氧化物和矽酸鹽，例如Hf02、 HfSiO、 Zr02、 ZrSiO、 Ta2Os、 La303、 LaSiO、 Gd203、 GdSiO、 Y203、 YSiO、 A1203 、 AlSiO、 Pr203 、 PrSiO;及其組合例如 HfAlO、 LaAlO、 YA10等；疊層膜，例如氮化物/氧化物疊層等)的氮化 處理。例如，在等離子體氮化高K膜之前，或形成熱沉積或等離子體沉積 氮化物(包括等離子體沉積氧化物覆層)之前，可以使用高強度等離子體 預處理步驟。在某些實施方式中，可以使用單個處理室來進行氮化矽沉 積、氧化物沉積和氮化物/氧化物疊層的等離子體氮化(包括或不包括高強 度等離子體預處理步驟)。在等離子體氮化過程中，可使額外的氮流入等離子體處理室來提高氮 化一致性和/或降低膜厚度(例如，通過稀釋處理室內的氧/水分水平)。 額外/可選的氮源可以包括分子氮、原子氮(例如，來自遠程等離子體 源)、稀釋氮(例如，稀釋在氦、氬等中，如載氣中的約20%的氮)、 N0、 NH3、 N20等。這種額外/可選的氮源也可以在上述高強度等離子體 預處理期間使用。在預處理和氮化期間，可以使用電感耦合、電容耦合或 其它等離子體源。如上所述，高強度等離子體或PES/PEW配方可以足夠強，從而明顯 減輕和/或消除等離子體氮化室內記憶效應。例如，在某些實施方式中，根 據氧化物和其它因素，DPN處理中的約200%的RF功率可提供最高的 PEW摻氮量，從而消除處理區間中可能存在的記憶效應。目標摻氮量通過PEW增大，增加量取決於PEW配方的強度。在某些 實施方式中，無論在先條件如何，只有一些預處理產生良好的摻氮量基 線。摻氮量可偏離基線，需要使氮化處理重新居中。然而，使用PEW可 以在大處理區間上得到穩定的摻氮量。保持PEW與下一個待處理晶片之間的排隊時間相同，可以改善晶片間的一致性。可以使用額外或可選的室預處理方法。例如，可以使用在批量處理之 前模擬晶片循環的無晶片等離子體(例如，在不同處理的批量間切換 時)。此外，可以使用在批量處理前運行的無晶片等離子體，並選擇處理 條件以縮短恢復時間。例如，在不同處理的批量間切換時，可以實施這種"進行時等離子體(plasma on go)"處理。其它預處理技術包括具有其它 材料的塗層處理套件、加熱處理套件、升級和/或改進部件、改善閉環控制可以在任何時刻使用高強度等離子體。例如，在氮化處理之前即刻使 用、在氮化處理之後立即使用、在"進行時等離子體"處理時使用、在受 控空閒期(例如，約1分鐘)使用、在"空閒時等離子體"處理之前或之 後使用，短時間使用，等等。在至少一種實施方式中，可以選擇在處理區間內給出最高摻氮量的氮 化處理，並且RF功率和/或時間按需改變。示例性的PEW製程時間包括 45秒、60秒、120秒等。儘管上文已經公開本發明及其示例性實施方式，但應當理解，在本發 明的精神和範圍內還存在其它實施方式，而本發明的精神和範圍由權利要 求確定。
權利要求
1.一種方法，包括用高強度等離子體將處理室預處理；將襯底裝入所述處理室；和在所述處理室內對所述襯底進行等離子體氮化；其中，預處理所述處理室使用的等離子體功率比所述襯底的等離子體氮化過程中使用的等離子體功率高至少150％。
2. 如權利要求1的方法，其中，用高強度等離子體將所述處理室預處 理包括使用約800至2500 W的等離子體功率。
3. 如權利要求1的方法，其中，用高強度等離子體將所述處理室預處 理包括將所述處理室預處理約5至60秒。
4. 如權利要求1的方法，其中，用高強度等離子體將所述處理室預處 理包括使用約10至100毫託的室壓力。
5. 如權利要求1的方法，其中，用高強度等離子體將所述處理室預處理包括用氮等離子體將所述處理室預處理。
6. 如權利要求5的方法，其中，用氮等離子體將所述處理室預處理包括用包含氮和氦與氬中至少一種的氣體混合物將所述處理室預處理。
7. 如權利要求5的方法，其中，用氮等離子體將所述處理室預處理包括使氮被吸收或吸附在所述處理室的至少一個處理部件和室壁上。
8. 如權利要求7的方法，其中，用氮等離子體將所述處理室預處理包括使所述處理室的至少一個處理部件和室壁對氮飽和。
9. 如權利要求1的方法，其中，用高強度等離子體將所述處理室預處理包括降低所述處理室中的氧和水中至少一種的相對分壓。
10. 如權利要求1的方法，還包括使用所述高強度等離子體預處理 步驟來減小使用不同功率水平的氮化步驟工序之間的差異。
11. 如權利要求1的方法，其中，所述處理室的預處理是在對所述襯 底進行等離子體氮化之前即刻進行的。
12. 如權利要求1的方法，其中，所述處理室的預處理是在所述處理室的空閒期間進行的。
13. 如權利要求1的方法，其中，預處理所述處理室使用的等離子體 功率比所述襯底的等離子體氮化過程中使用的等離子體功率高至少200%。
14. 如權利要求1的方法，還包括在所述處理室內處理每個襯底之前，用高強度等離子體將所述處理室預處理。
15. 如權利要求1的方法，其中，對所述襯底進行等離子體氮化包括氮化所述襯底的氧化物層。
16. 如權利要求15的方法，其中，所述氧化物層包括二氧化矽。
17. 如權利要求15的方法，其中，所述氧化物層包括高介電常數膜
18. —種方法，包括用第一高強度氮等離子體將處理室預處理； 將第一襯底裝入所述處理室；對所述第一襯底進行等離子體氮化，其中，預處理所述處理室使用的 第一高強度氮等離子體的等離子體功率比所述第一襯底的等離子體氮化過 程中使用的等離子體功率高至少150%;用第二高強度氮等離子體將所述處理室預處理；將第二襯底裝入所述處理室；和對所述第二襯底進行等離子體氮化，其中，預處理所述處理室使用的 第二高強度氮等離子體的等離子體功率比所述第二襯底的等離子體氮化過 程中使用的等離子體功率高至少150%。
19. 如權利要求18的方法，其中，用所述第一和第二高強度等離子體 將所述處理室預處理包括使用約800至2500 W的等離子體功率。
20. 如權利要求18的方法，其中，用所述第一和第二高強度等離子體 將所述處理室預處理包括將所述處理室預處理約5至60秒。
21. 如權利要求18的方法，其中，用所述第一和第二高強度等離子體 將所述處理室預處理包括使用約10至100毫託的室壓力。
22. —種方法，包括用高強度等離子將處理室預處理，以使氮被吸收或吸附在所述處理室的至少一個處理部件和室壁上； 將襯底裝入所述處理室；和在所述處理室內對所述襯底進行等離子體氮化。
23. 如權利要求22的方法，其中，用氮等離子體將所述處理室預處理包括使所述處理室的至少一個處理部件和室壁對氮飽和。
24. 如權利要求22的方法，還包括使用所述高強度等離子體預處理步驟來減小使用不同功率電平的氮化步驟工序之間的差異。
25. —種裝置，包括 處理室；和控制器，所述控制器連接至所述處理室，並被設置用於控制所述處理室，從而用高強度等離子體將處理室預處理； 將襯底裝入所述處理室；和 在所述處理室內對所述襯底進行等離子體氮化；其中，預處理所述處理室使用的等離子體功率比所述襯底的等離子體 氮化過程中使用的等離子體功率高至少150%。
26. —種裝置，包括 處理室；和控制器，所述控制器連接至所述處理室，並被設置用於控制所述處理 室，從而用第一高強度氮等離子體將處理室預處理； 將第一襯底裝入所述處理室；對所述第一襯底進行等離子體氮化，其中，預處理所述處理室使用的 第一高強度氮等離子體的等離子體功率比所述第一襯底的等離子體氮化過 程中使用的等離子體功率高至少150%;用第二高強度氮等離子體將所述處理室預處理；將第二襯底裝入所述處理室；和對所述第二襯底進行等離子體氮化，其中，預處理所述處理室使用的 第二高強度氮等離子體的等離子體功率比所述第二襯底的等離子體氮化過程中使用的等離子體功率高至少150%。 27.—種裝置，包括 處理室；和控制器，所述控制器連接至所述處理室，並被設置用於控制所述處理 室，從而用高強度等離子將處理室預處理，以使氮被吸收或吸附在所述處理室的至少一個處理部件和室壁上；將襯底裝入所述處理室；和在所述處理室內對所述襯底進行等離子體氮化。
全文摘要
本發明的第一方面提供了第一方法。第一方法包括步驟(1)用高強度等離子體將處理室預處理；(2)將襯底裝入所述處理室；和(3)在所述處理室內對所述襯底進行等離子體氮化。預處理所述處理室使用的等離子體功率比所述襯底的等離子體氮化過程中使用的等離子體功率高至少150％。本發明還提供許多其它方面。
文檔編號H01J37/32GK101238540SQ200680028471
公開日2008年8月6日 申請日期2006年6月2日 優先權日2005年6月2日
發明者佐藤達也, 帕特裡夏·M·劉, 法諾斯·克裡斯圖杜魯 申請人:應用材料公司