專利名稱：用于較低eot等離子體氮化的柵電介質的兩步后氮化退火的制作方法
相關申請本申請與下述申請相關并享有其權益2004年3月4日提交、美國專利申請序列號為10/794,707、名稱為“TWO-STEP POSTNITRIDATION ANNEALING FOR LOWER EOT PLASMA NITRIDEDGATE DIELECTRICS”的美國專利以及2003年3月7日提交的臨時專利申請，其序列號為60/453057，在此引入其全部作為參考。
背景1)領域一般地，本發(fā)明涉及半導體制造領域。更具體地說，本發(fā)明涉及形成氧氮化硅(SiON或SiOxNy)柵電介質和采用等離子體氮化法將其結合入柵疊層(gate stack)以及進行兩步后氮化退火處理的方法。
2)相關技術描述集成電路顧名思義是由數(shù)百萬有源和無源器件組成，所述器件例如為晶體管、電容器、和電阻器。晶體管100通常包括源極102、漏極104、和柵疊層106。柵疊層(
圖1)由襯底108(例如，通常由硅制成)組成，襯底頂上生長有電介質110(通常由二氧化硅(SiO2)制成)，電介質上罩有電極112(用導電材料例如多晶硅制成)。
為了提供更強的計算能力，趨勢就是縮小器件的幾何尺寸從而按比例縮小晶體管。摩爾定律的比例化要求，為了增加晶體管速度必須增加柵極驅動電流(gate drive current)。柵極驅動電流由等式(1)給出，可以通過增加柵電容(Cox)來增加柵極驅動電流，而柵電容(由等式(2)示出)的增加可以通過降低電介質厚度(d)、或使用介電常數(shù)(k)高于現(xiàn)有電介質SiO2(k＝3.9)的電介質來實現(xiàn)。
(1)ID～μ/Lg*Cox(VDD-VTH)2(2)Cox＝kA/d其中ID是驅動電流；μ是載流子遷移率，Lg是柵長，Cox是柵電容，VDD是開路電壓，VTH是閾值電壓，k是介電常數(shù)，d是電介質厚度，A是器件面積。
為了避免復雜的集成和材料處理等問題，器件制造商會通過減小電介質厚度來盡可能地比例化器件參數(shù)。然而，SiO2厚度降到20以下就會導致很差的柵可靠性，這是由于隧道效應電流的增加、滲透到襯底中的硼的增加和對于很薄氧化物的不良工藝控制造成的。雖然理論上選擇使用較高k的柵電介質是非常吸引人的，提供給SiO2的材料不能和與下面的Si襯底和多晶硅柵電極可相容的材料相匹配。另外，使用SiO2也消除了很多材料處理的污染問題，而如果使用稀土氧化物作為柵電介質就必須處理這些污染問題。
將SiO2延伸到0.1μm的技術節(jié)點和更小所遇到的挑戰(zhàn)包括(1)在晶體管中，例如在具有P+摻雜硼(B)柵電極的PMOS器件中，硼會滲透到柵氧化物和下面的硅襯底內；(2)減小柵氧化物厚度的同時增加柵泄漏電流；以及(3)薄電介質的可靠性、NMOS(負溝道金屬氧化物半導體)的熱載流子退化和PMOS(正溝道金屬氧化物半導體)的負偏置溫度不穩(wěn)定性(NBIT)。
氮化SiO2層形成氧氮化硅(SiOxNy或SiON)已經演化成一種很有希望的待選方法，以將SiO2電介質縮小到0.1μm的一代器件。在電介質薄膜內引入氮會阻止硼并能增加柵電介質的介電常數(shù)。介電常數(shù)的增加意味著與純SiO2比較可以使用較厚的電介質，因而減少了柵極泄漏。因為氮(N)摻雜可以有效地避免上述在超薄(例如，12埃())柵電介質中存在的挑戰(zhàn)，因此在電介質薄膜中具有高(約等于或大于5％)濃度的氮是很重要的，氮濃度分布曲線的峰值是在柵電介質的頂表面處，以使驅動電流和NBIT可靠性得到提高。
從0.2μm代到0.13μm代的器件，熱生長的氧氮化硅被用作柵電介質已經若干年。隨著器件技術已經從0.2μm發(fā)展到0.1μm，柵氧化物已經從＞25埃()減薄到＜12埃()。因此，為了阻止硼并減少柵泄漏，薄膜中的氮含量必須從＜3％增加到5-10％。如果一氧化氮(NO)和一氧化二氮(N2O)用來生長氧氮化物柵電介質，隨著氧氮化物的生長，N同時就進入電介質薄膜，因此氮可以均勻地分布在薄膜內。如果通過在高溫下對已有的SiO2層進行退火而利用NO和N2O來形成氧氮化硅，那么氮就是通過在硅襯底/氧化物界面處生長SiON而被引入的。因此，氮在該界面處被引入。后一種情形的氮含量(＜2％)要小于前一種情形的氮含量(4-5％)。
最近，用等離子體氮化技術來氮化(將氮加入其中)柵氧化物。這種技術會在多柵極/氧化物界面處產生高濃度氮，從而防止硼滲入氧化物電介質。同時，在等離子體氮化處理期間，氧化物電介質整體可能被輕微地摻入未締合的氮，從而減小了初始氧化物上的電氧化物厚度(EOT)。比起傳統(tǒng)的熱處理，在同一EOT，可以更好地減少柵泄漏。減小電介質的EOT＜12同時保持良好的溝道遷移率以及驅動電流(Idsat)已成為工業(yè)面臨的挑戰(zhàn)。
等離子體氮化之后，在高溫下后退火處理氧氮化硅表明，在EOT提高的代價下能提高代表溝道遷移率的峰值跨導(peaktransconductance)，gm，見圖2。圖2中，x軸代表EOT厚度，y軸代表gm退化率(degradation)。例如，將約6的SiO2膜用作基礎氧化物。等離子體氮化后，采用各種后退火條件對膜進行退火。例如，在一種情況下，在氮氣存在時使用1000℃退火溫度、740Torr壓力，退火30秒。另一個例子中，采用1050℃、0.5Torr，退火1秒。在另一個例子中，在氮氣和氧氣存在時使用1000℃退火溫度、3Torr壓力，退火15秒。另一個例子中，采用1000℃、0.5Torr，退火15秒(sec.)或1050℃、15Torr，退火1秒(s)。又一個例子中，采用950℃、15Torr，退火1秒。如圖所示，溝道遷移率在低EOT厚度時下降較多而在高EOT厚度時下降較小。這表明，隨著溝道遷移率的提高，EOT厚度提高。而且較厚EOT也使Idsat下降，這是不期望的。
因此，現(xiàn)有技術沒有制造具有較薄EOT以及較好遷移率的氧氮化硅薄膜的能力。
概述本發(fā)明示例性具體實施方式
涉及通過兩步退火等離子體處理的柵電介質，形成具有改進的溝道遷移率和較薄EOT的氧氮化硅薄膜的方法，在后氮化退火(PNA)方法中，首先需用惰性或還原氣氛，然后用氧化氣氛。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，形成電介質薄膜的方法包括采用等離子體氮化方法將氮結合進入電介質薄膜。等離子體氮化的結果是形成氧氮化硅。氧氮化硅薄膜再經兩步PNA處理，其中氧氮化硅薄膜首先在惰性或還原氣氛(如用氮氣或氫氣)中進行退火。第一次退火后，在氧化氣氛(如用氧氣)中，對氧氮化硅進行第二次退火處理。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，形成柵疊層的方法包括在襯底上形成二氧化硅。氧氮化硅薄膜通過采用等離子體氮化法，將氮結合進入二氧化硅薄膜而形成。氧氮化硅薄膜再經兩步PNA處理，其中氧氮化硅薄膜首先在惰性或還原氣氛(如用氮氣或氫氣)中進行退火。第一次退火后，在氧化氣氛(如用氧氣)中，對氧氮化硅進行第二次退火處理。再在氧氮化硅上形成頂覆層(top cap layer)。
附圖簡述本發(fā)明的具體實施方式
通過示例加以說明，但并不限于附圖描述，其中相同標記表示相似部件，其中圖1說明示例性的柵疊層晶體管；圖2說明等離子體氮化后的高溫后退火如何提高峰跨導；圖3說明兩步后等離子體氮化退火對等離子體氮化形成的氧氮化硅薄膜的EOT的影響；圖4說明兩步后等離子體氮化退火對等離子體氮化形成的氧氮化硅薄膜的驅動電流Idsat和EOT的影響；圖5說明在本發(fā)明一些具體實施方式
中使用的群集工具(clustertool)；以及圖6說明本發(fā)明具體實施方式
中形成柵疊層的示例性順序。
詳細描述本發(fā)明具體實施方式
包括形成含氮電介質薄膜的新方法，例如采用氮等離子體(或等離子體氮化)方法的SiON或SiOxNy(氧氮化硅)。氧氮化硅經過兩步后等離子體氮化退火處理。該具體實施方式
可控制氧氮化硅薄膜的EOT以及氮濃度分布。
為說明起見，下面將有許多具體的詳細描述，以便完全理解本發(fā)明。但對本領域的技術人員而言，本發(fā)明的實施顯然可以沒有這些具體的細節(jié)。在其它例子中，沒有對具體的設備結構和使用方法進行描述，以便突出本發(fā)明。下面的描述和附圖是對本發(fā)明的說明，不能被認為是對本發(fā)明的限制。
在一個
具體實施例方式
中，提供了采用等離子體氮化方法如脫耦等離子體氮化法(DPN)形成氧氮化硅電介質薄膜的方法。等離子體氮化之后，氧氮化硅再經過兩步后等離子體氮化退火(PNA)處理。第一步氮化處理用惰性或還原劑使氧氮化硅致密化。兩步PNA處理都使氮移向氧氮化硅薄膜表面，使氧移向氧氮化硅與襯底的界面。這樣可以有效地阻擋硼。而且，氮的濃度分布趨向于在氧氮化硅表面形成峰。第二步PNA處理用氧化劑，以改進氮濃度分布。
在另一個具體實施方式
中，提供了采用等離子體氮化方法和兩步PNA方法，將氧氮化硅薄膜與柵疊層集成，以形成半導體器件如晶體管的方法。
在一個
具體實施例方式
中，具有二氧化硅(SiO2)薄膜的襯底經過等離子體氮化處理，使二氧化硅薄膜轉化為氧氮化硅薄膜。在一個具體實施方式
中，采用的等離子體氮化方法是脫耦等離子體氮化法(DPN)，此為本領域所公知。DPN是采用電感性耦合產生氮等離子體并將高級氮(high level of nitrogen)結合進氧化物薄膜的技術。在DPN中，薄膜如SiO2薄膜表面被氮離子轟擊，打破SiO2薄膜，使氮離子與SiO2薄膜鍵合，形成氧氮化硅薄膜。在一個具體實施方式
中，用氮氣為氮源。SiO2薄膜由此暴露在脫耦的氮等離子體中。在一個具體實施方式
中，DPN在壓力為約5-20毫托(mTorr)或10-20mTorr的腔室中進行，等離子體功率為約200-800瓦。氮氣流入腔室的速率為約100-200sccm。在一個具體實施方式
中，DPN采用脈沖射頻等離子體方法，頻率為約10-20mHz和脈沖在約5-15kHz。DPN方法參數(shù)可根據(jù)腔室尺寸和體積以及電介質薄膜的厚度而改變。
在一個
具體實施例方式
中，氮等離子體處理的薄膜即氧氮化硅薄膜經過兩次退火。在第一次退火處理時，對氧氮化硅退火，以使氮致密化。第一次退火處理在惰性氣氛中進行，使用惰性氣體如N2、He、Ar或其結合?？蛇x地，退火處理在還原氣氛中進行，采用惰性氣體或惰性氣體如H2、H2/N2、H2/Ar或H2/He的混合物。在一個具體實施方式
中，第一次退火處理在等離子體氮化處理之后立即進行。在一個具體實施方式
中，第一次PNA處理在＞700℃的溫度下處理1-120秒，壓力為約100mTorr到約800托(Torr)。在第一次PNA處理后接著進行第二次PNA處理。在一個具體實施方式
中，第一次PNA處理之后，退火氣氛變換為含氧化劑(或含氧劑)的氣氛，如O2、O2/N2、O2/Ar、O2/He、N2O或NO。第二次PNA處理在降低的壓力，約10mTorr到約100Torr下進行，處理溫度為約900℃到約1100℃或約1000℃到1050℃。第二次PNA處理約進行1-120秒。在一個具體實施方式
中，對第二次PNA處理的溫度、時間和分壓進行控制，以獲得氧氮化硅的EOT的0.1-2提高。
在一個
具體實施例方式
中，第一次和第二次PNA處理都在單片(single wafer)快速熱處理(RTP)腔室中進行快速熱退火(RTA)處理?？刹捎脩貌牧嫌邢薰局圃斓纳虡I(yè)減壓RTP腔室硬件如XE、XE Plus或Radiance，進行第一和第二次PNA處理。
圖3表明，采用在惰性或還原環(huán)境中進行等離子體氮化，然后在氧化環(huán)境中進行退火而形成的氧氮化硅薄膜在退火后，其EOT變薄了0.7-0.9，約有10％的改進。EOT的這種減小對10EOT范圍而言是有意義的～10％改進。
在一個
具體實施例方式
中，用8厚的二氧化硅作為等離子體氮化處理形成的氧氮化硅的基礎薄膜。采用約7％氮的等離子體氮化，使二氧化硅薄膜轉變?yōu)檠醯璞∧?。等離子體氮化處理在約10mTorr的壓力下進行，采用射頻感應性等離子體。然后對氧氮化硅薄膜進行各種PN退火處理。
如圖3所示，點302表示在采用氧氣的氧化氣氛中進行PNA退火處理的氧氮化硅的EOT結果。在一個具體實施方式
中，點302處的氧氮化硅薄膜在O2存在時，在0.5Torr和900℃下退火處理約15秒。點302處氧氮化硅薄膜的EOT大約為10.5。
點304表示采用兩步PNA退火處理(如前述)的氧氮化硅薄膜的EOT結果，其中氧氮化硅薄膜的EOT為約9.75。點302和點304處的氧氮化硅薄膜之間，EOT下降了約0.75。在點304處，等離子體氮化處理后，氧氮化硅薄膜在還原或采用N2的惰性氣氛中進行第一次退火，然后在采用O2的氧化氣氛中進行第二次退火。在一個具體實施方式
中，點304處的氧氮化硅薄膜第一次用N2，在1050℃、100Torr下退火約2分鐘，然用O2、在900℃、0.5Torr下第二次退火約15-60分鐘。
點306表示采用兩步PNA退火處理(如前述)的氧氮化硅薄膜的EOT結果，其中氧氮化硅薄膜的EOT為約9.55。點302和點306處的氧氮化硅薄膜之間，EOT下降了約1.0。在點306處，等離子體氮化處理后，氧氮化硅薄膜在采用H2的還原氣氛或惰性氣氛中進行第一次退火，然后在采用O2的氧化氣氛中進行第二次退火。在一個具體實施方式
中，點306處的氧氮化硅薄膜第一次用H2，在900℃、100Torr下退火約1分鐘，然用O2、在900℃、0.5Torr下第二次退火約15-60分鐘。
圖3結果表明，兩步PNA即第一次用還原或惰性氣氛、第二次用氧化氣氛大大降低了氧氮化硅薄膜的EOT(大約10％)。結果也說明，第一次用氧化劑退火，然后第二次用還原或惰性劑退火不會得到同樣的效果。例如，如點308所示，氧氮化硅第一次在O2氣中退火，然后在N2氣中退火。點308處氧氮化硅薄膜的EOT值大約10.4，與點302處氧氮化硅比基本沒有變化。而且，如點310所示，氧氮化硅第一次在O2氣中退火，然后在H2氣中退火。點310處氧氮化硅薄膜的EOT值大約10.4，與點302處氧氮化硅比基本沒有變化。等離子體氮化處理后，第一次在還原或惰性氣氛(如N2或H2氣)中對氧氮化硅薄膜進行退火導致氧化(第二次在氧化氣氛如利用O2中退火)之前氧氮化硅薄膜的致密化。氧氮化硅薄膜的致密化導致EOT至少變薄約0.7-0.9。
圖4顯示，在氧化氣氛如O2氣中對氧氮化硅薄膜進行退火之前首先在還原或惰性氣氛如H2或N2氣中對氧氮化硅薄膜進行退火，既形成更薄EOT的薄膜又使飽和驅動電流Idsat提高5％。與傳統(tǒng)上在CMOS縮小中觀察到的單位EOT上Idsat提高+2到+3％相比，該Idsat的提高對變薄～0.5-0.7的EOT而言要大得多。
如圖4所示，點402處，氧氮化硅薄膜第一次用N2，在1050℃進行退火，然后用O2，在900℃進行退火。點402處氧氮化硅的NMOS Idsat大約為247.5μA/μm。相似地，點404處，氧氮化硅薄膜首先用H2，在900℃進行退火，然后用O2，在900℃進行退火。點404處氧氮化硅的NMOS Idsat大約為247。5μA/μm。因此，先用還原或惰性氣體如N2或H2對氧氮化硅薄膜進行退火(等離子體氮化之后)，然后用氧化氣體如O2進行退火，導致氧氮化硅薄膜具有高Idsat。如圖4所示，在點406處，氧氮化硅薄膜只用O2，在900℃進行退火。點406處氧氮化硅的NMOS Idsat大約只有235.5μA/μm。以及，在點408處，氧氮化硅薄膜第一次用O2，在900℃進行退火，然后用H2，在900℃進行第二次退火。點408處氧氮化硅的NMOS Idsat大約只有236μA/μm。正如所見，兩步后氮化退火即第一次在還原或惰性氣氛中、第二次在氧化氣氛中，產生了Idsat大大提高的氧氮化硅薄膜(約提高5％)。
圖4也表明，兩步后氮化退火即第一次在還原或惰性氣氛中、第二次在氧化氣氛中使得氧氮化硅薄膜的EOT大大降低，如前所述。
在一個
具體實施例方式
中，柵疊層通過結合前述形成氧氮化硅的方法而形成。柵疊層可在群集工具(cluster too1)中形成，例如應用材料有限公司制造的一體化Gate Stack Centura。群集工具(cluster tool)的例子如圖5所示。在該具體實施方式
中，從柵氧化物形成整個柵疊層、N摻雜氧氮化硅電介質、熱穩(wěn)定的摻N薄膜，以及柵電極的形成都在帶有多個腔室的單個設備中進行，而不破壞真空。先進的技術節(jié)點(約等于或小于1μm)具有幾個單層6-14氧化物薄膜作為柵電介質。在單一設備中加工柵疊層，采用受控制的氣氛，不破壞真空和人工操作/干擾，將消除對器件完整性的任何損害，這些損害是暴露于制造氣氛以及多次操作晶片產生的污染或破壞引起的。
圖5說明群集工具500，其中包括幾個處理腔室，如負載鎖(loadlock)腔室或稱真空進片室502和504，RTP腔室506和508，DPN腔室510，沉積腔室512(用于沉積多晶硅薄膜)以及冷卻腔室514。群集工具500也包括晶片操作工具516，用于將襯底518(如晶片)送進和送出具體的處理腔室。晶片操作工具516通常位于與所有處理腔室相連的輸送腔室中。真空進片室腔室502和504容納要處理的襯底(如晶片)。沉積腔室512可為本領域已知的用于形成薄膜或層的傳統(tǒng)化學或物理沉積腔室。在一個具體實施方式
中，沉積腔室512可設計成為形成多晶硅薄膜或其它電極薄膜的沉積腔室。腔室506和508配置為在減壓或超低壓(如大約等于或小于10Torr)下進行快速熱退火(RTA)處理的腔室。DPN腔室510為可與群集工具500結合的傳統(tǒng)等離子體氮化腔室。
圖6描述被轉變?yōu)檠醯桦娊橘|的SiO2電介質的形成順序。在一個具體實施方式
中，SiO2薄膜604在襯底602上進行熱生長。襯底602可為單晶硅或通常用于制造半導體器件的半導體晶片。在一個具體實施方式
中，SiO2薄膜604的物理厚度約為4-15。
在一個
具體實施例方式
中，SiO2薄膜604的生長采用減壓RTP腔室，例如群集工具500的RTP腔室506(圖5)。SiO2薄膜604可通過快速熱氧化而形成，在該氧化方法中腔室利用燈快速加熱及干燥襯底表面，在氧存在下形成氧化層。硅襯底(或晶片)的快速熱氧化可在O2、O2+N2、O2+Ar、N2O或N2O+N2氣體混合物存在下采用干法快速熱氧化而完成。氣體或氣體混合物的總流速為約1-5slm。可選地，硅襯底的快速熱氧化可在O2+H2、O2+H2+N2或N2O+H2氣體混合物存在下采用濕法如原位蒸氣產生技術(In-Situ Steam Generation(ISSG))而完成，氣體總流速為例如約1-5slm，含1-13％H2。在一個具體實施方式
中，快速熱氧化方法形成SiO2電介質薄膜的處理溫度為約750-1000℃，處理壓力為約0.5-50Torr，時間為約5-90秒，形成的SiO2電介質薄膜的厚度為4-15。
在一個
具體實施例方式
中，SiO2電介質薄膜604在RTP腔室506中形成后，襯底602在惰性環(huán)境(如N2或Ar)下被運送到群集工具500的DPN腔室510，輸送腔室壓力與等離子體氮化處理所需壓力大約相同(如約10Torr)。等離子體氮化處理將SiO2電介質薄膜604暴露在氮等離子體中，并將氮結合進SiO2電介質薄膜604，形成氧氮化硅薄膜606。在一個具體實施方式
中，DPN腔室510是可容納有惰性氣體如N2、He或Ar的減壓感應耦合等離子體反應器。
氧氮化硅薄膜606然后在RTP腔室如群集工具500的RTP腔室508中經歷兩步后氮化退火(PNA)處理。RTP腔室508可為減壓腔室反應器如應用材料有限公司的反應器XE，XE Plus或Radiance。PNA首先在非氧化氣氛(惰性或還原氣氛)中，在大約等于或大于700℃的溫度下進行，使氮等離子體處理薄膜(氧氮化硅薄膜606)致密化，然后在氧化氣氛中，在大約等于或大于900℃的溫度下進行第二次退火。第一次PNA處理時，惰性氣體或還原氣體(如N2或H2)被送進RTP腔室，使得氧氮化硅薄膜606致密化。在一個具體實施方式
中，第一次PNA包括在小于或等于約5Torr的總壓力下，加熱具有氧氮化硅薄膜606的襯底至約等于或大于700℃的合適退火溫度。在一個具體實施方式
中，約1slm的惰性氣體或還原氣體如N2或H2流進RTP腔室大約60-120秒。第一次PNA之后，將還原或惰性氣體從RTP腔室排盡，并使氧化氣體如O2流入RTP腔室，進行第二次PNA。溫度為大約或大于900℃。氧化氣體流入RTP腔室的總流速為約1slm，時間約為15秒。應當理解，上述流速只是相對于特定反應器或處理腔室尺寸(如200mm反應器)的舉例。對于體積不同的其它尺寸反應器，可按比例對流速進行調節(jié)(提高或降低)。
在一個
具體實施例方式
中，兩步PNA處理之后，在氧氮化硅薄膜606上覆蓋上導電層如多晶硅薄膜606。多晶硅薄膜606可在沉積腔室中形成，如群集工具500的沉積腔室512(圖5)。代替多晶硅，薄膜606可為無定形硅薄膜或其它適合的導電薄膜。沉積腔室512可為與群集工具500結合的低壓化學氣相沉積腔室(LPCVD)。多晶硅薄膜606形成之后，將柵疊層轉送到冷卻腔室如冷卻腔室514，然后輸送到儲存區(qū)域如真空進片室514，做進一步處理、測試或進行本領域所知的其它處理。
應當理解，包括柵電介質薄膜和多晶硅覆蓋薄膜的柵疊層可在不需與前述群集工具500結合的幾個處理腔室中形成。例如，SiO2電介質薄膜可先在一個腔室中形成。SiO2薄膜在等離子體氮化腔室中轉變?yōu)檠醯琛Ｈ缓?，氧氮化硅在RTP腔室中進行兩步PNA退火處理。而且，多晶硅薄膜可在同一RTP腔室中形成于SiON或SiOxNy之上。
在一個
具體實施例方式
中，由于采用群集工具500，因此具有連續(xù)而均一的處理環(huán)境或氣氛，使得所述柵疊層形成的晶體管具有最佳化性能。柵疊層的處理過程沒有任何處理之間的停頓。因此，與各處理過程之間存在停頓的處理相比，可以在減小的電氧化物厚度、泄漏或驅動電流Idsat方面獲得較好的按比例變化(scaling)。
并非意欲限于本發(fā)明的任何具體理論，但可認為，對于氮等離子體處理，與純SiO2薄膜比較，該薄膜由于薄膜的濕HF蝕刻速率的提高而引起的鍵斷裂而遭到損壞。在惰性氣氛中進行后氮化退火后，同一薄膜的濕HF蝕刻速率低于SiO2。如果同一氮化薄膜先在O2中進行后退火處理，則由于薄膜中的斷裂鍵而造成整個薄膜會生長并與O2更快地反應，不僅僅是在SiOxNy/Si界面處，而公知SiO2可在SiOxNy/Si界面生長。通過在氧化氣氛中退火之前，先在惰性或還原環(huán)境中使SiOxNy薄膜致密化，使鍵得到修補，而且再在O2中退火僅在SiO2生長的SiOxNy/Si界面或修補界面發(fā)生，這對提高Idsat即驅動電流很重要。另外，由于先在還原氣氛中使SiOxNy薄膜致密化，當薄膜在氧化氣氛中退火時，氮趨向于被更多地拉向薄膜頂部表面。因此，氮濃度分布易于在頂部表面形成峰值。
雖然一些示例性具體實施方式
示于附圖中并進行了描述，但應當理解，這些具體實施方式
僅僅是說明性的，并非是對本發(fā)明的限制，而且本發(fā)明并不限于所示和所描述的具體結構和布置，本領域普通技術人員可以進行多種修改。
權利要求
1.一種形成電介質薄膜的方法，包括采用等離子體氮化法，將氮結合進入電介質薄膜，形成氧氮化硅薄膜；在惰性或還原氣氛中，約700℃到1100℃的溫度下對所述氧氮化硅薄膜退火；以及在氧化氣氛中，約900℃到1100℃的溫度下對所述氧氮化硅薄膜退火。
2.如權利要求1所述形成電介質薄膜的方法，其中，結合進入電介質薄膜的氮在所述電介質薄膜頂部表面形成氮濃度峰。
3.如權利要求1所述形成電介質薄膜的方法，其中，結合進入所述電介質薄膜的氮濃度等于或大于5％。
4.如權利要求1所述形成電介質薄膜的方法，其中，所述電介質薄膜等于或小于約14埃。
5.如權利要求1所述形成電介質薄膜的方法，其中，所述氧氮化硅薄膜在惰性或還原氣氛中退火包括所述氧氮化硅薄膜在惰性氣體或惰性氣體混合物中退火。
6.如權利要求1所述形成電介質薄膜的方法，其中，所述氧氮化硅薄膜在氧化氣氛中退火包括所述氧氮化硅薄膜用氧氣O2或含氧氣體退火。
7.如權利要求1所述形成電介質薄膜的方法，其中，所述電介質薄膜是二氧化硅SiO2。
8.如權利要求1所述形成電介質薄膜的方法，其中，所述等離子體氮化方法包括脫耦等離子體氮化。
9.一種形成柵疊層的方法，包括在襯底上形成二氧化硅薄膜；采用等離子體氮化方法，將氮結合進入所述二氧化硅薄膜，形成氧氮化硅薄膜，所述等離子體氮化在存在氮氣、壓力小于約10mTorr下進行；在惰性或還原氣氛中，約700℃到1100℃的溫度下對所述氧氮化硅薄膜退火；在氧化氣氛中，約700℃到1100℃的溫度下對所述氧氮化硅薄膜退火；以及在氧氮化硅上形成頂覆層。
10.如權利要求9所述形成柵疊層的方法，其中，所述氧氮化硅薄膜在惰性或還原氣氛中退火包括所述氧氮化硅薄膜在惰性氣體或惰性氣體混合物中退火。
11.如權利要求9所述形成柵疊層的方法，其中，所述氧氮化硅薄膜在氧化氣氛中退火包括所述氧氮化硅薄膜用氧氣O2或含氧氣體退火。
12.如權利要求9所述形成柵疊層的方法，其中，結合進入所述電介質薄膜的氮濃度等于或大于5％。
13.一種形成柵疊層的方法，包括將襯底放入群集工具的第一處理腔室，所述群集工具具有多個處理腔室；在所述第一處理腔室中，在所述襯底上形成二氧化硅薄膜；在不破壞真空的情況下，將所述襯底從所述第一處理腔室傳送到能進行等離子體氮化處理的第二處理腔室；將氮反應氣引入所述第二處理腔室，進行所述等離子體氮化處理，同時保持所述第二處理腔室的壓力約為或小于10Torr，形成氧氮化硅薄膜；在不破壞真空的情況下，將所述襯底從所述第二處理腔室傳送到能進行快速熱反應處理的第三處理腔室，在惰性或還原氣氛中在所述氧氮化硅上進行第一次后等離子體氮化退火，并在氧化氣氛中在所述氧氮化硅上進行第二次后等離子體氮化退火；以及在不破壞真空的情況下，將所述襯底從所述第三處理腔室傳送到能進行沉積處理的第四處理腔室，在所述氧氮化硅上形成柵電極。
14.如權利要求13所述方法，其中，柵電極為多晶硅薄膜或無定形硅薄膜之一。
15.如權利要求13所述方法，進一步包括繼續(xù)進行所述等離子體氮化處理至足夠的時間，以使結合進入所述二氧化硅薄膜的氮的濃度約為或大于5％。
16.如權利要求13所述方法，其中，所述第一次后等離子體氮化退火的溫度為約700℃到約1100℃。
17.如權利要求13所述方法，其中，所述第一次后等離子體氮化退火的溫度為約900℃到約1100℃。
18.如權利要求13所述形成柵疊層的方法，其中，結合進入電介質薄膜的氮在電介質薄膜頂部表面形成氮濃度峰。
19.如權利要求13所述形成電介質薄膜的方法，其中，所述氧氮化硅薄膜在惰性或還原氣氛中退火包括所述氧氮化硅薄膜在惰性氣體或惰性氣體混合物中退火。
20.如權利要求13所述方法，其中，所述氧氮化硅薄膜在氧化氣氛中退火包括所述氧氮化硅薄膜用氧氣O2或含氧氣體退火。
21.如權利要求13所述形成電介質薄膜的方法，其中，等離子體氮化處理包括脫耦等離子體氮化。
22.一種處理電介質薄膜的方法，包括將所述電介質薄膜進行等離子體氮化，使氮結合進入所述電介質薄膜；對所述電介質薄膜進行第一次后等離子體氮化退火，其中采用還原或惰性氣氛，所述第一次后等離子體氮化退火使所述電介質薄膜中氮致密化；以及對所述電介質薄膜進行第二次后等離子體氮化退火，其中采用氧化氣氛。
23.如權利要求19所述處理電介質薄膜的方法，其中，所述等離子體氮化為脫耦等離子體氮化。
24.如權利要求19所述處理電介質薄膜的方法，其中，所述電介質薄膜為二氧化硅SiO2。
25.如權利要求19所述處理電介質薄膜的方法，其中，氮被結合后，氧氮化硅形成。
26.如權利要求19所述處理電介質薄膜的方法，其中，所述第一次后等離子體氮化退火的溫度為約700℃到約1100℃。
27.如權利要求19所述處理電介質薄膜的方法，其中，所述第二次后等離子體氮化退火的溫度為約900℃到約1100℃。
28.如權利要求19所述處理電介質薄膜的方法，其中，所述還原或惰性氣氛包括采用惰性氣體產生還原或惰性氣氛。
29.如權利要求19所述處理電介質薄膜的方法，其中，所述氧化氣氛包括采用含氧氣體或氣體混合物產生氧化氣氛。
30.如權利要求19所述處理電介質薄膜的方法，其中，結合進入所述電介質薄膜的氮濃度等于或大于5％。
全文摘要
一種形成含氮介電薄膜的方法。所述方法包括，采用等離子體氮化方法將氮結合入介電薄膜，形成氧氮化硅薄膜。所述氧氮化硅薄膜第一次在溫度為約700℃至1100℃的惰性或還原氣氛中進行退火。所述氧氮化硅薄膜第二次在溫度為約900℃至1100℃的氧化氣氛中進行退火。
文檔編號H01L21/314GK1762045SQ200480007178
公開日2006年4月19日 申請日期2004年3月5日 優(yōu)先權日2003年3月7日
發(fā)明者C·奧爾森 申請人:應用材料有限公司