一種提高柵氧化物介電常數(shù)的方法
【專利摘要】本發(fā)明為一種提高柵氧化物介電常數(shù)的方法，涉及用于半導體MOS器件的制造工藝領域，尤其涉及一種提高柵氧化物介電常數(shù)的方法，包括以下步驟：提供一基底；在所述基底上制備一SiO2柵氧化層；對所述SiO2柵氧化層進行氮的注入，使SiO2中的部分氧原子由氮原子取代，以形成SiON柵氧化層；在高于1000℃并伴隨純惰性氣體的氛圍對SiON柵氧化層進行氮化處理，以修復晶格損傷并形成穩(wěn)定Si-N鍵；在低于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(tǒng)的高溫氮化處理工藝相比，采用本發(fā)明制備的SiON柵氧化層不僅具有穩(wěn)定的氮含量，而且能有效提高柵氧化物氮含量30%左右，從而使所制備的柵氧化物具有較高的介電常數(shù)，實現(xiàn)了對SiON柵介質(zhì)介電系數(shù)精確剪裁的目的。
【專利說明】一種提高柵氧化物介電常數(shù)的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及用于半導體MOS器件的制造工藝領域，尤其涉及一種提高柵氧化物介電常數(shù)的方法。
【背景技術】
[0002]柵氧化層的制備工藝是半導體制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。當半導體技術進入45納米時代以來，柵介質(zhì)SiO2的厚度已經(jīng)很薄(小于20A)，柵極漏電流中的隧道穿透機制已經(jīng)起到主導作用。隨著SiO2厚度的進一步降低，柵極漏電流也會以指數(shù)形式增長。柵介質(zhì)厚度每降低2A，柵極漏電流就會增加10倍。另一方面，柵極、SiO2柵介質(zhì)和硅襯底之間存在雜質(zhì)的濃度梯度，隨著柵介質(zhì)厚度的不斷降低，柵極里摻入的硼等雜質(zhì)會從柵極中擴散到硅襯底中或者固定在柵介質(zhì)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(zhì)厚度可以有效抑制柵極漏電流和柵極中雜質(zhì)的擴散，但是晶體管驅(qū)動電流、翻轉(zhuǎn)延遲時間等關鍵性能也會大打折扣。這種驅(qū)動電流和柵極漏電對柵介質(zhì)厚度要求上的矛盾，對于傳統(tǒng)的SiO2柵介質(zhì)而言是無法回避的。柵極電容不僅取決于柵極表面積和柵介質(zhì)厚度，還取決于柵介質(zhì)的介電常數(shù)，故減少柵介質(zhì)厚度不是提高柵極電容的唯一方法。即使柵介質(zhì)厚度保持不變，提高柵介質(zhì)的介電系數(shù)也可達到降低等效氧化層厚度及增加柵極電容的效果。在現(xiàn)階段，提高柵介質(zhì)的介電系數(shù)的方法大致有兩大類:一類是采用全新的高介電系數(shù)的材料作為柵介質(zhì)，如氮氧化鉿硅(HfSiON)等。另一類則仍保持SiO2作為柵介質(zhì)，通過SiO2氧化膜里摻入氮使之成為致密的SiON來提高柵介質(zhì)的介電系數(shù)。目前業(yè)界通常有三種主要的方法可實現(xiàn)SiO2中的氮摻雜以形成SiON，但均由于柵介質(zhì)中摻入的氮原子濃度高且主要分布在柵介質(zhì)的上表面，因此對后續(xù)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，以防止本征氧化層和有機吸附而對氮摻雜造成的影響；此外，PNA(Post NitridationAnneal)的高溫退火工藝既容易造成表面氮原子的揮發(fā)，又能使氮原子獲得能量而繼續(xù)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(chǎn)生負面影響。
[0003]中國專利(CN 102437143A)公開了一種低介電常數(shù)材料，包括低介電常數(shù)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(shù)。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?？墒褂肅VD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(三乙氧基硅基)乙烷。
[0004]通過本發(fā)明提供的材料和半導體器件，克服了低介電常數(shù)(低_k)材料的形成通常具有的如機械強度差，爆板分層，蝕刻(如等離子體)工藝導致的損害的缺點。
[0005]中國專利(CN102544739A)公開了一種具有高介電常數(shù)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(shù)得到了大幅的提聞。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]鑒于上述問題，本發(fā)明能使高溫氮化處理工藝不僅具有穩(wěn)定的氮含量，而且能有效提高柵氧化物氮使所制備的柵氧化物具有較高的介電常數(shù)。
[0007]本發(fā)明解決技術問題所采用的技術方案為:
[0008]一種提高柵氧化物介電常數(shù)的方法，包括以下步驟:
[0009]步驟S1、提供一基底；
[0010]步驟S2、在所述基底上制備一 SiO2柵氧化層；
[0011]步驟S3、對所述SiO2柵氧化層進行氮的注入，使SiO2中的部分氧原子由氮原子取代，以形成SiON柵氧化層；
[0012]步驟S4、在高于1000°C并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，以修復晶格損傷并形成穩(wěn)定S1-N鍵；
[0013]步驟S5、在低于800°C的氛圍下對經(jīng)過氮化處理后的所述SiON柵氧化層進行氧化處理，以修復Si02/Si界面。
[0014]優(yōu)選的，在步驟S2中，通過快速熱退火工藝和/或垂直爐管工藝制備所述SiO2柵
氧化層。
[0015]優(yōu)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。
[0016]優(yōu)選的，采用N2O和H2為反應氣體進行所述原位水蒸氣氧化法；或
[0017]采用O2和H2為反應氣體進行所述原位水蒸氣氧化法。
[0018]優(yōu)選的，在步驟S3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Si0N。
[0019]優(yōu)選的，在步驟S3中，以Ν0、Ν20或NH3為原料，采用垂直擴散設備形成所述SiON。
[0020]優(yōu)選的，在步驟S4中，所述氮化處理的溫度范圍為1000°C -1100°C，反應時間范圍為 5sec_120seco
[0021]優(yōu)選的,所述純惰性氣體氛圍包含氮氣或氬氣中的任意一種。
[0022]優(yōu)選的，在步驟S5中，所述氧化處理的溫度范圍為500°C -800°C，反應時間范圍為5sec_120seco
[0023]優(yōu)選的，采用氧氣進行所述氧化處理；或
[0024]采用H2與O2的混合氣體進行所述氧化處理。
[0025]本發(fā)明的技術方案與傳統(tǒng)的高溫氮化處理工藝相比，采用本發(fā)明制備的SiON柵氧化層不僅具有穩(wěn)定的氮含量，而且能有效提高柵氧化物氮含量30%左右，從而使所制備的柵氧化物具有較高的介電常數(shù)，實現(xiàn)了對SiON柵介質(zhì)介電系數(shù)精確剪裁的目的。
【專利附圖】

【附圖說明】[0026]參考所附附圖，以更加充分的描述本發(fā)明的實施例。然而，所附附圖僅用于說明和闡述，并不構成對本發(fā)明范圍的限制。
[0027]圖1本發(fā)明方法一實施例的工藝步驟示意圖；
[0028]圖2本發(fā)明方法一實施例的步驟SI的結構示意圖；
[0029]圖3本發(fā)明方法一實施例的步驟S2的結構示意圖；
[0030]圖4本發(fā)明方法一實施例的步驟S3的結構示意圖；
[0031]圖5本發(fā)明方法一實施例的步驟S4的結構示意圖；
[0032]圖6本發(fā)明方法一實施例的步驟S5的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0033]下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步說明，顯然，所描述的實例僅僅是本發(fā)明一部分實例，而不是全部的實例?；诒景l(fā)明匯總的實例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有實例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0034]需要說明的是，在不沖突的情況下，本發(fā)明中的實例及實例中的特征可以相互自
由組合。
[0035]本發(fā)明是一種提高柵氧化物介電常數(shù)的方法，包括以下步驟:
[0036]步驟S1、提供一基底；
[0037]步驟S2、在所述基底上制備一 SiO2柵氧化層；
[0038]步驟S3、對所述SiO2柵氧化層進行氮的注入，使SiO2中的部分氧原子由氮原子取代，以形成SiON柵氧化層；
[0039]步驟S4、在高于1000°C并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，以修復晶格損傷并形成穩(wěn)定S1-N鍵；
[0040]步驟S5、在低于800°C的氛圍下對經(jīng)過氮化處理后的所述SiON柵氧化層進行氧化處理，以修復Si02/Si界面。
[0041]以下將結合附圖對本發(fā)明的一個實例做具體闡釋。
[0042]如圖1所示的本發(fā)明的實例是一種提高柵氧化物介電常數(shù)的方法，包括以下步驟:
[0043]步驟S1、如圖2所示，提供一基底1，并進行清洗；
[0044]步驟S2、如圖3所不，在所述基底I上制備一 SiO2棚氧化層2 ;具體為對基底I執(zhí)行熱氧化操作和熱處理操作，以制備一層具有穩(wěn)定和均勻的目標厚度的SiO2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)；
[0045]步驟S3、如圖4所示，對所述SiO2柵氧化層2進行氮3的注入，使SiO2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SiO2柵氧化層2進行氮3的注入，使SiO2中的部分氧原子由氮原子取代形成S1-N鍵，從而將所述SiO2柵氧化層2調(diào)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:
1.去稱等離子體氮化(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,N2O和NH3的氮化處理工藝，也就是垂直爐管(Furnace)工藝；
[0046]步驟S4、如圖5所示，在高于1000°C并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，以修復晶格損傷并形成穩(wěn)定S1-N鍵，從而具有形成穩(wěn)定的氮含量和介電常數(shù)的柵氧化層6 ;所述氮化處理的溫度范圍優(yōu)選為1000°C -1lOO0C (如1000°C，1030°C，1060°C，1100°C等)，反應時間范圍為 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；
[0047]步驟S5、如圖6所示，在低于800°C的氛圍下對經(jīng)過氮5化處理后的所述柵氧化層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范圍優(yōu)選為 500°C _800°C(如 500°C，600°C，700°C，80(rC等)，反應時間范圍為 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。
[0048]本發(fā)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和介電常數(shù)。本發(fā)明對傳統(tǒng)SiON柵氧化層制備過程中高溫退火工藝的單一高溫退火工藝的溫度、氣體氛圍做了優(yōu)化。首先通過高溫和純惰性氣體氮5化處理工藝，以修復晶格損傷并形成穩(wěn)定S1-N鍵，從而形成穩(wěn)定的氮含量和介電常數(shù)；然后在低溫的氛圍下對SiON柵氧化層6進行氧7化處理，以修復Si02/Si界面。
[0049]本發(fā)明解決了目前半導體業(yè)界廣泛接受的SiON柵氧化層的制備工藝流程中，由于柵介質(zhì)中摻入的氮原子濃度高且主要分布在柵介質(zhì)的上表面，因此對后續(xù)高溫退火工藝的溫度、氣體氛圍和時間間隔必須嚴格控制，以防止本征氧化層和有機吸附而對氮摻雜造成的影響；此外，傳統(tǒng)高溫退火工藝既容易造成表面氮原子的揮發(fā)，又能使氮原子獲得能量而繼續(xù)擴散，造成部分氮原子聚積在SiO2和溝道的界面處，從而對溝道中載流子的遷移速度產(chǎn)生負面影響。
[0050]本發(fā)明與傳統(tǒng)SiON柵氧化層的制備方法不同，本發(fā)明是在對所述氮化后的SiON柵氧化層進行傳統(tǒng)高溫退火處理前，首先通過高溫和純惰性氣體氮5化處理工藝，以修復晶格損傷并形成穩(wěn)定S1-N鍵，從而形成穩(wěn)定的氮含量和介電常數(shù)；然后在低溫(5000C -800°C)的氛圍下對SiON柵氧化層6進行氧7化處理，以修復Si02/Si界面。實驗證明，與傳統(tǒng)的高溫氮化處理工藝相比，采用本發(fā)明制備的SiON柵氧化層2不僅具有穩(wěn)定的氮含量，而且能有效提高柵氧化物氮含量30%左右，從而使所制備的柵氧化物具有較高的介電常數(shù)，實現(xiàn)了對SiON柵介質(zhì)介電系數(shù)精確剪裁的目的。
[0051]以上所述僅為本發(fā)明較佳的實施例，并非因此限制本發(fā)明的實施方式及保護范圍，對于本領域技術人員而言，應當能夠意識到凡運用本發(fā)明說明書及圖示內(nèi)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(fā)明的保護范圍內(nèi)。
【權利要求】
1.一種提高柵氧化物介電常數(shù)的方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟: 步驟S1、提供一基底； 步驟S2、在所述基底上制備一 SiO2柵氧化層； 步驟S3、對所述SiO2柵氧化層進行氮的注入，使SiO2中的部分氧原子由氮原子取代，以形成SiON柵氧化層； 步驟S4、在高于1000°C并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，以修復晶格損傷并形成穩(wěn)定S1-N鍵； 步驟S5、在低于800°C的氛圍下對經(jīng)過氮化處理后的所述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，其特征在于，在步驟S2中，通過快速熱退火工藝和/或垂直爐管工藝制備所述SiO2柵氧化層。
3.如權利要求2所述的方法，其特征在于，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，其特征在于，采用N2O和H2為反應氣體進行所述原位水蒸氣氧化法；或 采用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，其特征在于，在步驟S3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，其特征在于，在步驟S3中，以Ν0、Ν20或NH3為原料，采用垂直擴散設備形成所述SiON。
7.如權利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟S4中，所述氮化處理的溫度范圍為IOOO0C -1100°c，反應時間范圍為 5sec-120sec。
8.如權利要求1所述的方法，其特征在于，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，其特征在于，在步驟S5中，所述氧化處理的溫度范圍為5000C _800°C，反應時間范圍為 5sec-120sec。
10.如權利要求1或9所述的方法，其特征在于，采用氧氣進行所述氧化處理；或 采用H2與O2的混合氣體進行所述氧化處理。
【文檔編號】H01L21/314GK103943475SQ201410060296
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年2月21日 優(yōu)先權日:2014年2月21日
【發(fā)明者】張紅偉 申請人:上海華力微電子有限公司