專利名稱：一種氮化氧化膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明技術(shù)屬于微電子超深亞微米CMOS器件及超大規(guī)模集成技術(shù)領(lǐng)域，具體地說涉及一種超薄氮化氧化膜的制備方法，也適用于一個(gè)芯片上需要同時(shí)生長多種厚度的氮化氧化膜的制備。
本發(fā)明的主要步驟為1.LOCOS(局部氧化)隔離或STI(淺槽)隔離；2.清洗；3.注前氧化；4.注入14N+能量15-30Kev，劑量(1-5)×1014cm-2；5.漂凈注前氧化膜；6.清洗先用上述各步驟中的傳統(tǒng)方法清洗，再用HF/IPA(異丙醇)/H2O室溫下浸泡，去離子水沖洗，甩干立即進(jìn)爐；7.柵氧化大流量N2保護(hù)下550℃進(jìn)舟，慢推，大流量N2保護(hù)；升溫至700-900℃，N2恒溫；同一溫度下，N2/O2＝5∶1氣氛氧化，氧化時(shí)間1-120分鐘；N2氣氛，700-900℃退火，15-60分鐘；N2保護(hù)下降溫至550℃，再在大流量N2保護(hù)下慢拉出舟；8.化學(xué)汽相沉積(LPCVD)多晶硅溫度620℃，壓力0.2乇，SiH4200sccm，Ar800sccm。


圖1給出了氮(14N+)注入硅再氧化生成的強(qiáng)化氮化氧化膜氧化速率降低的百分比隨氮注入劑量的變化。
圖2(a)給出了氮注入硅再氧化法(以下簡(jiǎn)稱為強(qiáng)化氮化法)生成的20強(qiáng)化氮化膜的高分辨率透射電子顯微鏡照片(HRTEM)。
圖2(b)給出了氮注入硅再氧化法(以下簡(jiǎn)稱為強(qiáng)化氮化法)生成的15強(qiáng)化氮化膜的高分辨率透射電子顯微鏡照片(HRTEM)。
圖3為不同類型氮化氧化柵介質(zhì)抗B穿透能力的比較。
圖4為新清洗法與常規(guī)清洗法對(duì)硅表面粗糙度的影響比較a) 3#-1#-HF/H2Odip表面微粗糙度(RMS)0.117nm；(b)3#-1#-HF/IPA/H2Odip表面微粗糙度(RMS)0.053nm。
圖5為強(qiáng)化氮化法生長的柵介質(zhì)膜表面及其與Si的界面的原子力顯微鏡照片(a)氮化氧化柵表面，表面微粗糙度(RMS)0.052nm；(b)剝?nèi)サ趸瘱?，表面粗微糙?RMS)0.057nm。
圖6為溝道長度42nm的CMOS器件的ID-VD輸出特性(a)NMOS；(b)PMOS。
圖7為溝道長度42nm的器件的亞閾值特性(a)NMOS；(b)PMOS。
2.預(yù)氧化厚150，850℃，干O2，170分+N2，退火30分鐘。
3.化學(xué)汽相沉積(LPCVD)Si3N4厚1300，780℃。
4.清洗3#液10分鐘，1#液5分，H2O/HF(1/20)，漂15秒鐘。
5.Si3N4退火800℃，N2，退火30分鐘。
6.光刻有源區(qū)9912膠，1.2μm。
7.反應(yīng)離子刻蝕Si3N4有源區(qū)留SiO280，功率150W，壓力400mtor，CHF/SF6/He＝7sccm/30sccm/100sccm。
8.去膠清洗同步驟1硅片清洗。
9.場(chǎng)氧化1000℃，90分(H2+O2)，4700。
10.濕法腐蝕Si3N4H3PO4，160℃，1小時(shí)。
11.除去預(yù)氧化層H2O∶HF＝10∶1，漂凈有源區(qū)SiO2。
12.清洗同步驟4。
13.注前氧化厚200，900℃，干O2，150分+N2退火30分。
14.注入14N+能量20Kev，劑量3×1014cm2。
15.漂凈注前氧化膜用H2O/HF＝10∶1溶液按250漂。
16.清洗3#液清洗10分鐘，1#液5分鐘，HF/異丙醇(IPA)，室溫下浸漬5分鐘，去離子水沖15遍，甩干兩遍，立即進(jìn)爐。
17.柵氧化膜厚15，大流量N2保護(hù)下550℃進(jìn)舟，慢推10分鐘，防止自然氧化膜生成；大流量N2保護(hù)下升溫50分鐘至800℃，N2(5L/分)恒溫10分鐘，使生長溫度穩(wěn)定，并改善表面狀態(tài)；800℃下氧化，N2/O2＝5∶1(N2＝5L/分，O2＝1L/分)，2.5分鐘，以減速慢氧化速率，使膜生長更為致密、可控、重復(fù)性好；N2退火，800℃，30分鐘，改善界面態(tài)和氮的分布；N2保護(hù)下降溫50分鐘至550℃，以降低應(yīng)力；大流量N2保護(hù)下出舟，慢拉10分鐘，以防止自然氧化膜生成。
18.化學(xué)汽相沉積(LPCVD)多晶硅2000，溫度620℃，壓力0.2乇，SiH4200sccm，Ar800sccm。
由圖1可見，氮注入樣品明顯地降低了氧化速率，且隨14N+注入劑量增加，氧化延遲效應(yīng)越明顯。減慢的氧化速率有利于膜的均勻性、致密性和重復(fù)性提高。
圖2清楚地顯示了新方法形成的氮氧化硅/硅界面非常平整、光滑，這對(duì)器件電學(xué)性能改善是十分有利的。研究表明NMOS電容中20的強(qiáng)化氮化氧化柵介質(zhì)比21純氧化柵介質(zhì)有低的多的隧穿電流，15的強(qiáng)化氧化柵在1.2V和1.5V下的隧穿電流分別為5.65×10-2A/cm2和2.2×10-1A/cm2。同時(shí)表明PMOS電容中同樣20的強(qiáng)化氮化氧化柵介質(zhì)的隧穿電流比21的純氧化硅的要好，特別在低場(chǎng)下。這是由于純氧化樣品的穿透引起了大的低場(chǎng)漏電。在1.2V和1.5V下，15強(qiáng)化氮化氧化柵介質(zhì)的隧穿漏電流分別為1.67×10-3A/cm2和2.57×10-2A/cm2。
由圖3可見，2.0nm氮化氧化柵介質(zhì)PMOS電容的平帶電壓(VFB)隨快速熱退火(RTA)溫度變化很緩慢，而同樣厚度的純SiO2柵介質(zhì)PMOS電容的平帶電壓(VFB)隨快速熱退火溫度漂移很厲害，且隨快速熱退火溫度的變化很激烈，N2O退火樣品次之，15強(qiáng)化氮化氧化樣品比21N2O退火樣品還要好。這充分表明本項(xiàng)技術(shù)有極好的防B穿透能力，這是由于N注入硅再氧化，除膜質(zhì)好以外，其N濃度峰值離SiO2/Si界面較N2O退火樣品要更接近表面，故有更強(qiáng)的對(duì)B的勢(shì)壘阻擋作用。
同時(shí)實(shí)驗(yàn)表明，氧化前的清洗對(duì)改善硅表面的質(zhì)量至關(guān)重要，原子力顯微鏡(AFM)分析表明，用HF/IPA/H2O漂洗比HF/H2O漂洗有好得多的表面微粗糙度，如圖4所示。由圖可見，用HF/H2O溶液清洗的硅表面為微粗糙度(RMS)為0.117nm，而用HF/IPA/H2O清洗的硅表面為粗糙度(RMS)為0.053nm，表面質(zhì)量得到了成倍的改善。
為更進(jìn)一步弄清楚氮注入硅再氧化方法的優(yōu)越的原因，除對(duì)樣品進(jìn)行高分辨率透射顯微鏡(HRTEM)和二次離子質(zhì)譜(SIMS)分析外，本發(fā)明對(duì)樣品表面進(jìn)行原子力顯微鏡(AFM)分析，分析其表面的微粗糙度，如圖5所示。表明氮化氧化柵介質(zhì)表面及它與Si之間的界面都有極小的微粗糙度(RMS)，表面及界面極光滑。
本發(fā)明制備的氮化氧化膜在納米器件中應(yīng)用的結(jié)果采用20強(qiáng)化氮化氧化柵介質(zhì)溝道長度為42nm的高性能CMOS器件，在1.5V電源電壓下，NMOS和PMOS的驅(qū)動(dòng)電流Ion分別為745μA/μm和-530μA/μm，相應(yīng)的NMOS和PMOS的關(guān)態(tài)電流Ioff分別為3.5nA/μm和-15nA/μm。NMOS和PMOS的亞閾值斜率分別為的分別為72mV/Dec和82mV/Dec。如圖6和7所示。以上結(jié)果表明本方法形成的強(qiáng)化氮化氧化膜具有優(yōu)良的特性，使器件的關(guān)態(tài)漏電流很小。
權(quán)利要求
1.一種氮化氧化膜的制備方法，主要步驟為·局部氧化隔離或淺槽隔離；·清洗；·注前氧化；·注入14N+能量15-30 Kev，劑量(1-5)×1014cm-2；·漂凈注前氧化膜；·清洗先用上述各步驟中的傳統(tǒng)方法清洗，再用氫氟酯/異丙醇/水＝(0.2-0.7)％/(0.01-0.04)％/1溶液室溫下浸泡1-10分鐘，去離子水沖洗，甩干立即進(jìn)爐；·柵氧化大流量氮?dú)獗Ｗo(hù)下400-600℃進(jìn)舟，慢推，大流量氮?dú)獗Ｗo(hù)；升溫至700-900℃，氮?dú)夂銣兀煌粶囟认?，氮?dú)?氧氣＝3-7∶1氣氛氧化，氧化時(shí)間1-120分鐘；氮?dú)鈿夥眨?00-900℃退火，15-60分鐘；氮?dú)獗Ｗo(hù)下降溫至550℃，再在大流量氮?dú)獗Ｗo(hù)下慢拉出舟；·化學(xué)汽相沉積多晶硅1600-2200，溫度620℃，壓力0.2乇，SiH4200sccm，Ar800sccm。
2.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，注前氧化膜為200；
3.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述注入14N+的能量為20-22Kev，劑量3×1014cm-2。
4.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述氫氟酯/異丙醇/水＝0.5％/0.02％/1％。
5.如權(quán)利要求1或4所述的制備方法，其特征在于，所述氫氟酯/異丙醇/水溶液室溫下浸泡5分鐘。
6.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述柵氧化步驟為大流量氮?dú)獗Ｗo(hù)下550℃推舟10分鐘；氮?dú)獗Ｗo(hù)下升溫50分至800-830℃，氮?dú)夂銣?0分鐘；同一溫度下，氮?dú)?氧氣＝5∶1氣氛氧化，氧化時(shí)間2.5-4.5分鐘；氮?dú)鈿夥眨?00-830℃退火30分鐘；氮?dú)獗Ｗo(hù)下降溫50分鐘至550℃，在大流量氮?dú)獗Ｗo(hù)下慢拉10分鐘出舟；氮化氧化膜厚度為14-20。
7.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述化學(xué)汽相沉積多晶硅為2000。
全文摘要
一種氮化氧化膜的制備方法，將氮離子注入到硅襯底中再氧化。步驟為在完成隔離的硅片上清洗后生長注前氧化膜，然后對(duì)有源區(qū)進(jìn)行
文檔編號(hào)H01L21/02GK1404113SQ0214723
公開日2003年3月19日 申請(qǐng)日期2002年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月18日
發(fā)明者徐秋霞, 侯瑞兵, 高文方, 韓鄭生 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院微電子中心