一種抑制摻雜原子在柵介質中擴散的方法
2023-10-17 12:41:39 1
一種抑制摻雜原子在柵介質中擴散的方法
【專利摘要】本發明為一種抑制摻雜原子在柵介質中擴散的方法，涉及用於半導體MOS器件的製造工藝領域，尤其涉及一種有效抑制摻雜原子在柵介質中擴散的方法，包括以下步驟：在基底上製備SiO2柵氧化層；對SiO2柵氧化層進行氮的注入，以形成SiON柵氧化層；在1000～1200℃並伴隨純惰性氣體的氛圍對SiON柵氧化層進行氮化處理，以修復晶格損傷並形成穩定Si-N鍵；在400～800℃的氛圍下對SiON柵氧化層進行氧化處理，以修復SiO2/Si界面。與傳統的高溫氮化處理工藝相比，採用本發明製備的SiON柵氧化層不僅具有穩定的氮含量，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中的擴散。
【專利說明】一種抑制摻雜原子在柵介質中擴散的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及用於半導體MOS器件的製造工藝領域，尤其涉及一種抑制摻雜原子在柵介質中擴散的方法。
【背景技術】
[0002]超大規模集成電路(VLSI)和特大規模集成電路(ULSI)的快速發展，對器件加工技術提出更多的特殊要求，其中MOS器件特徵尺寸進入納米時代對柵氧化層的要求就是一個明顯的挑戰。柵氧化層的製備工藝是半導體製造工藝中的關鍵技術，直接影響和決定了器件的電學特性和可靠性。
[0003]MOSFET器件的關鍵性能指標是驅動電流，驅動電流的大小取決於柵極電容。柵極電容與柵極表面積成正比，與柵介質厚度成反比。因此，通過增加柵極表面積和降低柵介質厚度均可提高柵極電容，而降低柵介質Si02的厚度就變成推進MOSFET器件性能提高的首要手段。
[0004]但當半導體技術進入45納米時代以來，傳統單純降低Si02厚度的方法遇到了前所未有的挑戰。因為這時候柵介質Si02的厚度已經很薄(〈20A)，柵極漏電流中的隧道穿透機制已經起到主導作用。隨著Si02厚度的進一步降低，柵極漏電流也會以指數形式增長。柵介質厚度每降低2A，柵極漏電流就會增加10倍。另一方面，柵極、Si02柵介質和矽襯底之間存在雜質的濃度梯度，隨著柵介質厚度的不斷降低，柵極裡摻入的硼等雜質會從柵極中擴散到矽襯底中或者固定在柵介質中，這會影響器件的閾值電壓，從而影響器件的性能。誠然，增加柵介質厚度可以有效抑制柵極漏電流和柵極中雜質的擴散，但是電晶體驅動電流、翻轉延遲時間等關鍵性能也會大打折扣。這種驅動電流和柵極漏電對柵介質厚度要求上的矛盾，對於傳統的Si02柵介質而言是無法迴避的。
[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;Α=柵極表面積；t=柵介質厚度
[0006]從柵極電容的公式中我們可以看出，柵極電容不僅取決於柵極表面積和柵介質厚度，還取決於柵介質的介電常數，故減少柵介質厚度不是提高柵極電容的唯一方法。即使柵介質厚度保持不變，提高柵介質的介電係數K也可達到降低EOT及增加柵極電容的效果。因此，如何提高柵介質的介電係數K成為了當務之急。
[0007]在現階段，提高柵介質的介電係數的方法大致有兩大類:
[0008]一類是採用全新的高介電係數的材料作為柵介質，如氮氧化鉿矽(HfSiON)等。但採用全新材料涉及到柵極材料的選擇，晶格常數的匹配及曝光蝕刻等一系列工藝集成問題，技術開發周期相對較長，不能立即滿足45納米技術的迫切需求。同時全新材料在技術上與以前工藝有較大差異，技術更新的成本過高。
[0009]另一大類則仍保持Si02作為柵介質，通過Si02氧化膜裡摻入氮使之成為緻密的SiON來提高柵介質的介電係數。因為傳統柵介質Si02的K值是3.9，而純的313財的K值可達到7，通過摻雜氮的多少可以實現對SiON柵介質介電係數剪裁的目的。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中的擴散。同時，該方法仍然採用Si02作為柵介質的主體，因此與前期技術有良好的連續性和兼容性。
[0010]目前業界通常有三種主要的方法可實現Si02中的氮摻雜以形成SiON。
[0011]第一種方法是在Si02的生長過程中通入NO等含氮氣體，從而在生長過程中直接摻入氮。但這種方法摻雜的氮均勻性很難控制，不能適應半導體生產的要求。
[0012]第二種方法是在Si02介質生長完成後，採用在N0/N20等含氮氣體環境中進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，從而對溝道中載流子的遷移速度產生負面影響。
[0013]第三種方法是在Si02生長結束後，通過等離子體實現氮摻雜。該方法摻入的氮原子濃度高，深度上主要分布在柵介質的上表面而遠離Si02/溝道界面，是目前半導體業界廣泛接受的提高柵介質介電係數的方法。其具體工藝由三步組成:
[0014]I)採用ISSG(In_Situ Steam Generation)原位水蒸汽氧化方法生長Si02介質層；
[0015]2)米用 DPN(Decoupled Plasma Nitridation)氮氣等離子體向 Si02 介質中慘雜氮；
[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，由於柵介質中摻入的氮原子濃度高且主要分布在柵介質的上表面，因此對後續PNA(Post Nitridation Anneal)高溫退火工藝的溫度、氣體氛圍和時間間隔必須嚴格控制，以防止本徵氧化層和有機吸附而對氮摻雜造成的影響；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,又能使氮原子獲得能量而繼續擴散，造成部分氮原子聚積在Si02/Si界面處，從而對溝道中載流子的遷移速度產生負面影響。
[0018]中國專利(CN102437143A)公開了 一種低介電常數材料，包括低介電常數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。添加劑可包括末端S1-CH3基團。包括添加劑的介電材料可用作半導體器件的層間介電(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。所述添加劑的一個示例為雙(三乙氧基矽基)乙烷。
[0019]中國專利(CN102544739A)公開了一種具有高介電常數的超材料，包括至少一個超材料片層，每個超材料片層包括基材和附著在基材上的多個人造微結構，所述人造微結構包括相互平行的第一金屬線和第二金屬線，還包括至少一個一端與所述第一金屬線相連、另一端為自由端且朝向第二金屬線的第一金屬線分支；以及至少一個一端與所述第二金屬線相連、另一端為自由端且朝向第一金屬線的第二金屬線分支，所述第一金屬線分支和所述第二金屬線分支依次交錯分布。具有這種人造微結構的超材料的介電常數得到了大幅的提聞。
【發明內容】
[0020]鑑於上述問題，本發明能使高溫氮化處理工藝不僅具有穩定的氮含量，而且能有效的抑制硼等摻雜原子在柵介質中的擴散。[0021]本發明解決技術問題所採用的技術方案為:
[0022]一種有效抑制摻雜原子在柵介質中擴散的方法，包括以下步驟:
[0023]步驟1、在基底上製備Si02柵氧化層，並形成SiON柵氧化層；
[0024]步驟2、在1000?1200°C下並伴隨純惰性氣體的氛圍下對所述
[0025]SiON柵氧化層進行氮化處理，以修復晶格損傷並形成穩定S1-N鍵；
[0026]步驟3、在400?800°C下對經過氮化處理後的所述SiON柵氧化層進行氧化處理，以修復Si02/Si界面。
[0027]優選的，在步驟I中，通過快速熱退火工藝和/或垂直爐管工藝製備所述Si02柵
氧化層。
[0028]優選的，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]優選的，採用N20和H2為反應氣體進行所述原位水蒸氣氧化法；或
[0030]採用02和H2為反應氣體進行所述原位水蒸氣氧化法。
[0031 ] 優選的，在步驟I中，通過去耦等離子體氮化工藝和/或遠程等離子體氮化工藝形成所述SiON。
[0032]優選的，在步驟I中，以N0、N20或NH3為原料，採用垂直擴散設備形成所述SiON。
[0033]優選的，在步驟2中，所述氮化處理的溫度範圍為1000-1200°C，反應時間範圍為
5 ?120sec。
[0034]優選的,所述純惰性氣體氛圍包含氮氣或氬氣中的任意一種。
[0035]優選的，在步驟3中，所述氧化處理的溫度範圍為400-800°C，反應時間範圍為5?120sec。
[0036]本發明的技術方案與傳統的高溫氮化處理工藝相比，採用本發明製備的SiON柵氧化層不僅具有穩定的氮含量，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中的擴散。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0037]參考所附附圖，以更加充分的描述本發明的實施例。然而，所附附圖僅用於說明和闡述，並不構成對本發明範圍的限制。
[0038]圖1本發明方法實施例的工藝步驟示意圖；
[0039]圖2本發明方法實施例的步驟I的基底結構示意圖；
[0040]圖3本發明方法實施例的步驟I的SiO2柵氧化層結構示意圖；
[0041]圖4本發明方法實施例的步驟I的SiON柵氧化層結構示意圖；
[0042]圖5本發明方法實施例的步驟2的結構示意圖；
[0043]圖6本發明方法實施例的步驟3的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0044]下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步說明，顯然，所描述的實例僅僅是本發明一部分實例，而不是全部的實例。基於本發明匯總的實例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有實例，都屬於本發明保護的範圍。[0045]需要說明的是，在不衝突的情況下，本發明中的實例及實例中的特徵可以相互自
由組合。
[0046]本發明是一種抑制摻雜原子在柵介質中擴散的方法，包括以下步驟:
[0047]步驟S1、提供基底；
[0048]步驟S2、在所述基底上製備Si02柵氧化層；
[0049]步驟S3、對所述Si02柵氧化層進行氮的注入，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、在高於1000°C並伴隨純惰性氣體的氛圍下對所述SiON柵氧化層進行氮化處理，以修復晶格損傷並形成穩定S1-N鍵；
[0051]步驟S5、在低於800°C的氛圍下對經過氮化處理後的所述SiON柵氧化層進行氧化處理，以修復Si02/Si界面。
[0052]以下將結合附圖對本發明的一個實例做具體闡釋。
[0053]如圖1所示的本發明的實例是一種有效抑制摻雜原子在柵介質中擴散的方法，包括以下步驟:
[0054]步驟S1、如圖2所示，提供基底1，並進行清洗；
[0055]步驟S2、如圖3所示，在所述基底I上製備Si02柵氧化層2 ;具體為對基底I執行熱氧化操作和熱處理操作，以製備一層具有穩定和均勻的目標厚度的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,簡稱:RTP)工藝和/或垂直爐管(Furnace)工藝；所述快速熱退火工藝進一步可以包括原位水蒸汽氧化法(In-Situ Steam Generation,簡稱:ISSG)和 / 或快速熱退火氧化法(Rapid ThermalOxidation,簡稱:RT0)；
[0056]步驟S3、如圖4所示，對所述Si02柵氧化層2進行氮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 ;具體為通過等離子體氮化技術對所述Si02柵氧化層2進行氮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包括:L去率禹等離子體氮化(Decoupled Plasma Nitridation,簡稱:DPN) ；2.遠程等離子體氮化(Remote Plasma Nitridation,簡稱:RPN) ；3.快速熱氮化(RTN) ；4.垂直擴散設備的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，在高於1000°C並伴隨純惰性氣體的氛圍下對SiON柵氧化層4進行氮5化處理，以修復晶格損傷並形成穩定S1-N鍵，從而具有形成穩定的氮含量和介電常數的柵氧化層6 ;所述氮化處理的溫度範圍優選為1000°C -1200°C (如1000°C，1030°C，1060°C，1100°C，1200°C等)，反應時間範圍為 5sec_120sec (如 5sec,40sec,80sec, 120sec等)；純惰性氣體氛圍中的純惰性氣體為N2 (氮氣)或Ar (氬氣)等惰性氣體；
[0058]步驟S5、如圖6所示，在低於800°C的氛圍下對經過氮5化處理後的所述柵氧化層6進行氧7化處理，以修復Si02/Si界面，形成新的柵氧化層8 ;其中，所述氧化處理的溫度範圍優選為400°C -800°C (如400°C，500°C，600°C，700°C，800°C等)，反應時間範圍為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]本發明主要對目前SiON柵氧化層製備過程中單一高溫退火工藝的溫度、氣體氛圍進行了優化。
[0060]由於柵極、Si02柵介質和娃襯底之間存在雜質的濃度梯度，隨著柵介質厚度的不斷降低，柵極裡摻入的硼等雜質在後續的高溫工藝中會從柵極中擴散到矽襯底中或者固定在柵介質中，導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，硼擴散還會使應力作用下柵介質內電子俘獲陷阱和界面態產生的速率增加，柵介質抗擊穿性能下降，可靠性退化。因此在工藝中有效的抑制硼向Si02柵介質和矽襯底的擴散，對提高柵介質可靠性和改善器件性能是非常重要和必要的。
[0061]本發明主要是對目前SiON柵氧化層製備過程中單一高溫退火工藝的溫度、氣體氛圍進行了優化。首先通過高溫和純惰性氣體氮化處理工藝，以修復晶格損傷並形成穩定S1-N鍵，從而形成穩定的氮含量；然後在低溫(400°C -800°C)的氛圍下對SiON柵氧化層進行氧化處理，以修復Si02/Si界面。
[0062]本發明主要通過增加柵介質中的氮原子的含量來抑制硼等柵極摻雜原子在柵介質中的擴散。與傳統的高溫氮化處理工藝相比，採用本發明製備的SiON柵氧化層不僅具有穩定的氮含量，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中的擴散。
[0063]本發明的核心是通過高溫氮化處理和低溫氧化工藝來提高柵氧化物的氮含量，並通過增加柵介質中的氮原子的含量來抑制硼等柵極摻雜原子在柵介質中的擴散。
[0064]以上所述僅為本發明較佳的實施例，並非因此限制本發明的實施方式及保護範圍，對於本領域技術人員而言，應當能夠意識到凡運用本發明說明書及圖示內容所做出的等同替換和顯而易見的變化所得到的方案，均應當包含在本發明的保護範圍內。
【權利要求】
1.一種抑制摻雜原子在柵介質中擴散的方法，其特徵在於，包括以下步驟: 步驟I，在基底上製備SiO2柵氧化層，並形成SiON柵氧化層； 步驟2，在1000?1200°C下並伴隨純惰性氣體的氛圍下對所述SiON柵氧化層進行氮化處理，以修復晶格損傷並形成穩定S1-N鍵； 步驟3，在400?800°C下對經過氮化處理後的所述SiON柵氧化層進行氧化處理，以修復Si02/Si界面。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，在步驟I中，通過快速熱退火工藝和/或垂直爐管工藝製備所述SiO2柵氧化層。
3.如權利要求2所述的方法，其特徵在於，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.如權利要求3所述的方法，其特徵在於，採用N2O和H2為反應氣體進行所述原位水蒸氣氧化法；或 採用O2和H2為反應氣體進行所述原位水蒸氣氧化法。
5.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，在步驟I中，通過去耦等離子體氮化工藝和/或遠程等離子體氮化工藝形成所述SiON。
6.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，在步驟I中，以NO、N2O或NH3為原料，採用垂直擴散設備形成所述SiON。
7.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，在步驟2中，所述氮化處理的溫度範圍為1000?1200°C，反應時間範圍為5?120sec。
8.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述純惰性氣體氛圍包含氮氣或氬氣中的任意一種。
9.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，在步驟3中，所述氧化處理的溫度範圍為400?800°C，反應時間範圍為5?120sec。
【文檔編號】H01L21/28GK103887161SQ201410106564
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年3月20日 優先權日:2014年3月20日
【發明者】張紅偉 申請人:上海華力微電子有限公司