專利名稱：一種半導(dǎo)體器件含氮柵氧化硅層結(jié)構(gòu)及其制造工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬集成電路制造工藝技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種半導(dǎo)體器件含氮柵氧化硅層結(jié)構(gòu)及其制造工藝。
背景技術(shù)：
柵氧化硅層的制備工藝是集成電路制造工藝中的關(guān)鍵工藝技術(shù)，直接影響和決定了器件的電學(xué)特性和可靠性，特別是在深亞微米集成電路制造工藝中，由于柵氧化硅層變得越來(lái)越薄，接近甚至工作在其物理極限值，因此將面對(duì)許多挑戰(zhàn)，其中主要有以下兩方面(1)薄柵氧化硅的電擊穿可靠性和漏電流、直接隧道電流問(wèn)題；(2)來(lái)自P+多晶的硼穿透(Bpenetration)問(wèn)題。經(jīng)研究，在常規(guī)柵氧化硅中摻入少量的氮元素可以改善柵氧化硅的特性，幫助解決上述問(wèn)題。因?yàn)樯倭康牡涌梢蕴钛a(bǔ)氧化硅中的缺陷，從而有效阻擋來(lái)自P+多晶的硼(B)擴(kuò)散，解決硼穿透問(wèn)題，同時(shí)分布在氧化硅與襯底硅間界面的少量的氮原子還可改善此截面特性，因而增強(qiáng)柵氧化硅的可靠性和降低漏電流。但是，氮元素的引入也會(huì)帶來(lái)不利的副作用，例如過(guò)多的氮元素反而會(huì)降低柵氧化硅的可靠性，而且分布在柵氧層與襯底硅間界面的氮元素會(huì)嚴(yán)重降低下面溝道中栽流子的遷移率。為此，我們需要謹(jǐn)慎設(shè)計(jì)此氮元素在薄柵氧化硅中的分布，充分利用其優(yōu)點(diǎn)而降低其不利的副作用。
理想的氮原子在薄柵氧化硅中的分布應(yīng)是其濃度峰值分布在靠近氧化硅表面一側(cè)(即靠近多晶硅與柵氧層的界面)，用以阻擋來(lái)自上面P+多晶的硼擴(kuò)散(經(jīng)研究，1-3％原子含量的氮足以阻擋來(lái)自P+多晶的硼穿透)，同時(shí)在靠近硅表面處(即柵氧層與襯底硅的界面)也有一定的氮原子分布，用以光滑此界面，改善其特性，增強(qiáng)柵氧化硅的可靠性，不過(guò)，此處的氮原子含量要控制在一定范圍之內(nèi)，以減少對(duì)下面溝道中栽流子遷移率的影響。因此氮元素在薄柵氧化硅中的總原子含量需要控制在1％到3％的范圍。
對(duì)于在柵氧化硅中摻入少量氮元素，通常的制備工藝是讓柵氧化硅在含有NO(或N2O)的氣氛中生長(zhǎng)，或者把生長(zhǎng)完后的柵氧化硅在NO(或N2O或N3)氣體中退火，讓這些氣體中的N元素?cái)U(kuò)散進(jìn)柵氧化硅層。但是，這些制備工藝的缺點(diǎn)是不能有效控制氮元素在薄柵氧化硅層中的分布，其濃度峰值總是分布在靠近柵氧層與襯底硅的界面，因此，盡管解決了硼穿透問(wèn)題，但由此卻降低了溝道栽流子的遷移率，從而嚴(yán)重影響器件的電學(xué)特性。
本發(fā)明就是利用快速退火爐(RTO)能夠很精確地控制元素?cái)U(kuò)散的特性，用多步氧化、退火(擴(kuò)散)的方法，一層一層地生長(zhǎng)所需要的氧化硅，精確地控制薄柵氧化硅層的厚度，與此同時(shí)，也精確控制氮元素在薄柵氧化硅層中的分布，使其符合較理想的濃度分布曲線。由此而制備的薄柵氧化硅就能充分滿足上面所描述的理想功能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠精確控制半導(dǎo)體器件薄柵氧化硅的厚度和氮元素分布的含氮柵氧化硅的制備工藝。由此方法制備的薄柵氧化硅既可有效解決硼(B)穿透問(wèn)題，又可增強(qiáng)薄柵氧層的可靠性和減低其漏電流，同時(shí)對(duì)溝道栽流子的遷移率不產(chǎn)生明顯影響，因而是一種可應(yīng)用于深亞微米集成電路的理想的薄柵氧化硅層。
本發(fā)明提出的含氮柵氧化硅層的制備工藝，是利用快速退火爐(RTO)精確地控制元素?cái)U(kuò)散的特性，用多步氧化、退火(擴(kuò)散)的方法，一層一層地生長(zhǎng)所需要的氧化硅，精確地控制薄柵氧化硅層的厚度，與此同時(shí)，也精確地控制氮元素在薄柵氧化硅層中的分布，使其符合較理想的濃度分布曲線。
本發(fā)明提出的制造工藝使用快速退火爐(RTO)，常壓或減壓下進(jìn)行，具體步驟如下在NO(或N2O)氣體中，800-1100℃溫度下，在清潔的硅片表面生長(zhǎng)一薄層氮氧化硅(SiON)，其厚度為5到20；關(guān)閉NO(或N2O)氣體，換用純氧(O2)氣體，在此純氧氣體中讓硅片進(jìn)一步氧化，即在剛生長(zhǎng)的SiON膜下生長(zhǎng)一薄層氧化硅(SiO)層，其厚度為3到15；關(guān)閉O2氣，再換用NO氣體，并在此NO氣體中退火，使NO氣體中的部分N擴(kuò)散到氧化硅和硅之間的界面，形成薄薄的SiON界面層，厚度為3到10；為了進(jìn)一步提高此柵氧化硅的質(zhì)量，再次關(guān)閉NO氣，換用O2(或N2)氣體，使上述生長(zhǎng)好的柵氧化硅進(jìn)一步在O2(或N2)氣體中退火10～50秒鐘，把分布在氧化硅與硅界面的N元素推離硅表面3到10(或鈍化氧化硅-硅界面)。
上述退火爐(RTO)爐子的氧化溫度為800-1100℃，最后生長(zhǎng)完成的含氮氧化硅總厚度約為10到50，氮元素在此氧化硅中的分布為濃度峰值在離氧化硅表面3到10處，同時(shí)在離硅表面3到10處也有一個(gè)較小的濃度峰分布，柵氧中總的氮原子含量為0.5％到3％。
由此方法制備的柵氧化硅層可以被直接應(yīng)用于0.25微米以下的CMOS工藝技術(shù)，既可有效解決硼(B)穿透問(wèn)題，又可增強(qiáng)薄柵氧層的可靠性和減低其漏電流，同時(shí)對(duì)溝道栽流子的遷移率不產(chǎn)生明顯影響。


圖1是此柵氧化硅層的制備方法工藝流程示意圖，其中t軸表示時(shí)間，T軸表示溫度。
圖2是氮元素在柵氧化硅中的濃度分布曲線示意圖，其中X軸表示深度，Y軸表示氮原子濃度。
圖中標(biāo)號(hào)1表示晶片進(jìn)爐，2表示爐子快速升溫，3表示在NO(或N2O)氣體中氧化，4表示在純O2氣體中再氧化，5表示在NO氣體中退火，6表示進(jìn)一步在純O2氣體中熱處理，7表示爐子降溫，8表示晶片出爐，9表示柵氧化硅表面，10表示柵氧與硅界面，11表示柵氧化硅，12表示襯底。
具體實(shí)施例方式
下面通過(guò)實(shí)施例進(jìn)一步描述本發(fā)明。
實(shí)施例1用快速退火爐(RTO)，常壓或減壓下1、在NO氣體中，1000℃溫度下，在清潔的硅片表面生長(zhǎng)一薄層氮氧化硅(SiON)，其厚度為8。
2、關(guān)閉NO氣體，換用純氧(O2)氣體，在此純氧氣體中讓硅片進(jìn)一步氧化，即在剛生長(zhǎng)的SiON膜下生長(zhǎng)一薄層氧化硅(SiO)層，其厚度約15；3、關(guān)閉O2氣，再換用NO氣體，并在此NO氣體中退火，使NO氣體中的少量N擴(kuò)散到氧化硅和硅之間的界面，形成薄薄的SiON界面層，厚度約3；4、為了進(jìn)一步提高此柵氧化硅的質(zhì)量，關(guān)閉NO氣，換用O2氣體，使上面生長(zhǎng)好的柵氧化硅進(jìn)一步在O2氣體中退火30秒鐘，把分布在氧化硅與硅界面的N元素推離硅表面約5。
實(shí)施例21、用快速退火爐(RTO)，常壓或減壓，在NO氣體中，800℃溫度下，在硅片上生長(zhǎng)一層SiON，厚度為5。
2、關(guān)閉NO氣體，換用O2氣體，讓硅片進(jìn)一步氧化，在SiON下生長(zhǎng)一層SiO層，厚度為3；3、關(guān)閉O2氣，再換用NO氣體，在NO氣體中退火，形成SiON界面層，厚度為7；4、關(guān)閉NO氣體，換用O2氣體，將生長(zhǎng)好的柵氧化硅進(jìn)一步在O2氣體中退火10秒鐘，把分布在氧化硅與硅界面的N元素推離硅表面約5左右。
實(shí)施例31、用快速退火爐(RTO)，常壓或減壓，在NO氣體中，1100℃溫度下，在硅片上生長(zhǎng)一層SiON，厚度為20。
2、關(guān)閉NO氣體，換用純氧氣體，氧氣中在生長(zhǎng)的SiON膜下生長(zhǎng)一層SiO層，厚度為10；
3、關(guān)閉O2氣，再換用NO氣體，在NO氣體中退火，使NO氣體中少量擴(kuò)散到氧化硅與硅之間的界面，形成SiON界面層，厚度為10；4、關(guān)閉NO氣體，換用O2或N2氣體，使柵氧化硅進(jìn)一步在O2或N2氣體中退火50秒，把分布在氧化硅與硅界面的N元素推離硅表面約3。
由上述實(shí)施例制備獲得的含氮柵氧化硅層均具有良好的性能，可有效解決柵穿透問(wèn)題，增強(qiáng)薄柵氧層的可靠性，減低其漏電流，同時(shí)對(duì)溝道載流子的遷移率不產(chǎn)生明顯影響。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件含氮柵氧化硅層結(jié)構(gòu)，其特征在于，生長(zhǎng)完成的含氮氧化硅總厚度為10到50，氮元素在此氧化硅中的分布為濃度峰值在離氧化硅表面3到10處，同時(shí)在離硅表面3到10處也有一個(gè)濃度峰分布，柵氧中總的氮原子含量為0.5％到3％。
2.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的含氮柵氧化硅層結(jié)構(gòu)的制造工藝，使用快速退火爐，在常壓或減壓下進(jìn)行，其特征在于具體步驟如下A、在NO或N2O氣體中，800-1100℃溫度下，在清潔的硅片表面生長(zhǎng)一薄層氮氧化硅，厚度為5到20。B、關(guān)閉NO或N2O氣體，換用純氧氣體，在此純氧氣體中讓硅片進(jìn)一步氧化，在剛生長(zhǎng)的SiON膜下生長(zhǎng)一薄層氧化硅層，厚度為3到15；C、關(guān)閉O2氣體，再換用NO氣體，并在此NO氣體中退火，使NO氣體中的部分N擴(kuò)散到氧化硅和硅之間的界面，形成SiON界面層，厚度為3到10；
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制造工藝，其特征在于在步驟(C)之后，關(guān)閉NO氣體，換用O2或N2氣體，使上述生長(zhǎng)好的柵氧化硅進(jìn)一步在O2或N2氣體中退火10～50秒鐘，把分布在氧化硅與硅界面的N元素推離硅表面3到10。
全文摘要
柵氧化硅層的制備工藝是集成電路制造工藝中的關(guān)鍵工藝技術(shù)。在常規(guī)柵氧化硅中摻入少量的氮元素可以改善柵氧化硅的特性。本發(fā)明利用快速退火爐(RTO)能夠很精確地控制元素?cái)U(kuò)散的特性，用多步氧化、退火(擴(kuò)散)的方法，一層一層地生長(zhǎng)所需要的氧化硅，控制薄柵氧化硅層的厚度和氮元素在柵氧層中的分布。由此方法制備的薄柵氧化硅既可有效解決硼(B)穿透問(wèn)題，增強(qiáng)薄柵氧層的可靠性、減低其漏電流，又不會(huì)對(duì)溝道載流子的遷移率產(chǎn)生明顯影響，因而是一種可應(yīng)用于深亞微米集成電路的理想的薄柵氧化硅層。
文檔編號(hào)H01L21/336GK1540724SQ20031010827
公開(kāi)日2004年10月27日 申請(qǐng)日期2003年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月30日
發(fā)明者陳壽面 申請(qǐng)人:上海集成電路研發(fā)中心有限公司, 上海華虹(集團(tuán))有限公司