一種高介電SiON柵介質(zhì)的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明的提供了一種高介電SiON柵介質(zhì)的制備方法，其包括：采用熱氧化和熱處理工藝在半導(dǎo)體襯底表面形成SiO2柵介質(zhì)；采用等離子體氮化工藝對(duì)SiO2柵介質(zhì)進(jìn)行氮的摻雜，從而使SiO2柵介質(zhì)成為SiON柵介質(zhì)；采用純惰性氣體，對(duì)SiON柵介質(zhì)進(jìn)行高溫氮化處理；采用氧化性氣體，對(duì)SiON柵介質(zhì)進(jìn)行低溫氧化處理。本發(fā)明的方法，不僅可以修復(fù)SiON柵介質(zhì)中的晶格損傷，穩(wěn)定所形成的Si-N鍵，避免了柵介質(zhì)中氮原子的損失，提高了柵介質(zhì)的介電常數(shù)；還可以修復(fù)柵介質(zhì)和溝道界面，減小了氮原子在此界面處的積聚，減小了對(duì)溝道中載流子遷移速度的負(fù)面影響，進(jìn)一步提高了器件的性能。并且降低工藝復(fù)雜度，提高了工藝效率。
【專利說明】一種高介電SiON柵介質(zhì)的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種高介電SiON柵介質(zhì)的制備方法?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]自20世紀(jì)60年代以來，集成電路制造工藝一直遵循著摩爾定律高速發(fā)展。CMOS器件的特征尺寸始終按照一定的比例不斷的進(jìn)行縮小，而其性能和功耗則不斷地得到優(yōu)化。根據(jù)2007年ITRS的預(yù)測，在2009年以后，高性能CMOS器件的柵介質(zhì)層等效氧化層厚度EOT (Equipment Oxide Thickness)會(huì)縮小到Inm以下。在這個(gè)尺寸下，傳統(tǒng)的SiO2柵介質(zhì)暴露出柵漏電流過大，可靠性降低等嚴(yán)重問題。通過引入高介電柵介質(zhì)材料，增大了柵介質(zhì)層的物理厚度，從而有效地降低了柵漏電流。因此，采用高介電柵介質(zhì)材料取代傳統(tǒng)的SiO2是以CMOS器件為核心的集成電路發(fā)展的必然選擇。
[0003]高介電柵介質(zhì)材料因其大的介電常數(shù)，可實(shí)現(xiàn)在SiO2具有相同等效氧化層厚度EOT的情況下，其實(shí)際物理厚度比SiO2厚的多，從而解決了 SiO2因接近厚度極限而產(chǎn)生的柵漏電流過大，可靠性降低等嚴(yán)重問題，成為替代SiO2的熱門材料。高介電柵介質(zhì)材料需滿足以下幾個(gè)條件，首先，其與Si襯底之間的界面質(zhì)量應(yīng)較好，即界面態(tài)密度和缺陷密度要低，以消弱界面電子俘獲和載流子遷移率降低造成的影響；其次，高介電柵介質(zhì)材料在Si襯底上的化學(xué)穩(wěn)定性要好，以保證其在后續(xù)的工藝過程中不與Si襯底發(fā)生反應(yīng)以及確保有較小的擴(kuò)散等。
[0004]在現(xiàn)階段，提高柵介質(zhì)材料的介電系數(shù)的方法大致有兩大類:
[0005]一類是采用全新的高介電系數(shù)的材料作為柵介質(zhì)材料，如氮氧化鉿硅(HfSiON)等。但采用全新材料涉及到柵極材料的選擇，晶格常數(shù)的匹配及曝光蝕刻等一系列工藝集成問題，技術(shù)開發(fā)周期相對(duì)較長，不能立即滿足45納米技術(shù)的迫切需求。同時(shí)全新材料在技術(shù)上與以前工藝有較大差異，技術(shù)更新的成本過高。
[0006]另一大類仍沿用SiO2介質(zhì)作為柵介質(zhì)材料,通過向SiO2介質(zhì)中摻入氮使之成為致密的SiON柵介質(zhì)來提高柵介質(zhì)材料的介電系數(shù)。因?yàn)閭鹘y(tǒng)SiO2柵介質(zhì)的K值是3.9，而純的Si3N4的K值可達(dá)到7，通過增加摻雜氮的含量可以提高SiON柵介質(zhì)的介電常數(shù)，此外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(zhì)中的擴(kuò)散。由于該方法仍采用SiO2作為柵介質(zhì)的主體，因此與前期技術(shù)有良好的連續(xù)性和兼容性。
[0007]目前業(yè)界通常有三種主要的制備柵介質(zhì)的方法可實(shí)現(xiàn)SiO2介質(zhì)中的氮摻雜以形成SiON柵介質(zhì):
[0008]第一種方法是在SiO2介質(zhì)的生長過程中通入NO等含氮?dú)怏w，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(yīng)半導(dǎo)體生產(chǎn)的要求。
[0009]第二種方法是在SiO2介質(zhì)生長完成后，采用在Ν0/Ν20等含氮?dú)怏w環(huán)境中進(jìn)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SiO2介質(zhì)和溝道的界面處，從而對(duì)溝道中載流子的遷移速度產(chǎn)生負(fù)面影響。
[0010]第三種方法是在SiO2介質(zhì)生長結(jié)束后，通過等離子體注入技術(shù)進(jìn)行氮摻雜。該方法摻入的氮原子濃度高，深度上主要分布在柵介質(zhì)層的上表面而遠(yuǎn)離SiO2/溝道界面，是目前半導(dǎo)體業(yè)界廣泛接受的提高柵介質(zhì)層介電系數(shù)的方法。請(qǐng)參閱圖1，圖1為SiON柵介質(zhì)的常規(guī)的制備方法的流程示意圖，其具體工藝由三步組成:
[0011]步驟LOl:采用原位水蒸汽氧化工藝(ISSG, In-SitU Steam Generation)在半導(dǎo)體襯底表面形成SiO2柵介質(zhì)；
[0012]步驟L02:采用去稱等離子氮化工藝(DPN, Decoupled Plasma Nitridation)對(duì)柵介質(zhì)進(jìn)行氮的摻雜，從而使SiO2柵介質(zhì)成為SiON柵介質(zhì)；
[0013]步驟L03:對(duì)SiON柵介質(zhì)進(jìn)行氮化后退火工藝(PNA,Post Nitridation Anneal),從而修復(fù)介質(zhì)中的等離子體損傷并穩(wěn)定所摻雜的N。
[0014]在上述制備工藝中，由于柵介質(zhì)層中摻入的氮原子濃度高且主要分布在柵介質(zhì)材料的上表面，因此對(duì)后續(xù)PNA工藝的溫度、氣體氛圍和時(shí)間間隔必須嚴(yán)格控制，以防止柵介質(zhì)材料中的本征氧化層和有機(jī)吸附而對(duì)氮摻雜造成的影響；此外，PNA的高溫退火工藝既容易造成表面氮原子的揮發(fā)，又導(dǎo)致氮原子獲得能量而繼續(xù)擴(kuò)散，造成部分氮原子聚積在Si02/Si界面處，從而對(duì)溝道中載流子的遷移速度產(chǎn)生負(fù)面影響。
[0015]因此，急需一種SiON柵介質(zhì)的制備方法，從而提高所制備出的SiON柵介質(zhì)的介電常數(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016]為了克服上述問題，本發(fā)明旨在提供一種SiON柵介質(zhì)的制備方法，不僅能夠有效控制SiON柵介質(zhì)中氮的摻雜量，還能夠避免氮原子在SiON柵介質(zhì)和溝道界面處的積聚，從而提高SiON柵介質(zhì)的介電常數(shù)。
[0017]本發(fā)明提供了一種高介電SiON柵介質(zhì)的制備方法，其包括:
[0018]步驟SOl:采用熱氧化和熱處理工藝在半導(dǎo)體襯底表面形成SiO2柵介質(zhì)；
[0019]步驟S02:采用等離子體氮化工藝對(duì)所述SiO2柵介質(zhì)進(jìn)行氮的摻雜，從而使所述SiO2柵介質(zhì)成為SiON柵介質(zhì)；
[0020]步驟S03:采用純惰性氣體，對(duì)所述SiON柵介質(zhì)進(jìn)行高溫氮化處理，所采用的溫度不低于IOOO0C ；
[0021]步驟S04:采用氧化性氣體，對(duì)所述SiON柵介質(zhì)進(jìn)行低溫氧化處理，所采用的溫度不高于800°C。
[0022]優(yōu)選地，所述步驟S03中，所述高溫氮化處理的溫度為1000°C -1100°C，處理時(shí)間為5-120秒。
[0023]優(yōu)選地，所述步驟S03中，所述純惰性氣體為N2、Ar的一種或其混合物。
[0024]優(yōu)選地，所述步驟S04中，所述低溫氧化處理的溫度為500°C -800°C，處理時(shí)間為5-120 秒。
[0025]優(yōu)選地，所述步驟S04中，所述的氧化性氣體為02，或者N2O和H2的混合氣體，或者H2與O2的混合氣體。
[0026]優(yōu)選地，所述的熱氧化和熱處理工藝包括:快速熱退火工藝和/或垂直爐管工藝。
[0027]優(yōu)選地，所述的快速熱退火工藝包括:原位水蒸氣氧化工藝和/或快速熱氧化工藝。[0028]優(yōu)選地，所述的原位水蒸氣氧化工藝包括采用N2O和H2作為反應(yīng)氣體的N2O原位水蒸氣氧化工藝，和/或采用O2和H2作為反應(yīng)氣體的O2原位水蒸氣氧化工藝。
[0029]優(yōu)選地，所述步驟S02中，所述等離子體氮化工藝包括:去耦等離子體氮化工藝、和/或遠(yuǎn)程等離子體氮化工藝、和/或垂直擴(kuò)散設(shè)備的氮化工藝。
[0030]優(yōu)選地，所述垂直擴(kuò)散設(shè)備的氮化工藝采用的氣體包括NO，N2O或NH3。
[0031]本發(fā)明的高介電SiON柵介質(zhì)的制備方法，對(duì)SiO2柵介質(zhì)依次進(jìn)行了氮的摻雜、高溫氮化處理和低溫氧化處理。首先，氮的摻雜過程，使氮原子代替了 SiO2柵介質(zhì)中的部分O原子形成S1-N鍵，從而使SiO2柵介質(zhì)初步具有一定的氮濃度，這樣就使得SiO2柵介質(zhì)成為了 SiON柵介質(zhì)；然后，在純惰性氣體的環(huán)境中，利用高溫氮化處理過程修復(fù)SiON柵介質(zhì)中的晶格損傷，穩(wěn)定所形成的S1-N鍵,從而使SiON棚介質(zhì)中具有穩(wěn)定的氣含量，提聞了 SiON柵介質(zhì)的介電常數(shù)；最后，在氧化性氣體的環(huán)境中，利用低溫氧化處理過程，修復(fù)SiON柵介質(zhì)和溝道界面，減小了氮原子在此界面處的積聚，從而減小了對(duì)溝道中載流子遷移速度的負(fù)面影響，進(jìn)一步提高了 SiON柵介質(zhì)的介電常數(shù)。并且，上述過程操作簡單，大大降低了工藝復(fù)雜度，提高了工藝效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]圖1為SiON柵介質(zhì)的常規(guī)的制備方法的工藝流程圖
[0033]圖2為本發(fā)明的一個(gè)較佳實(shí)施例的高介電SiON柵介質(zhì)的制備方法的工藝流程圖【具體實(shí)施方式】
[0034]體現(xiàn)本發(fā)明特征與優(yōu)點(diǎn)的實(shí)施例將在后段的說明中詳細(xì)敘述。應(yīng)理解的是本發(fā)明能夠在不同的示例上具有各種的變化，其皆不脫離本發(fā)明的范圍，且其中的說明及圖示在本質(zhì)上當(dāng)做說明之用，而非用以限制本發(fā)明。
[0035]以下結(jié)合附圖2，通過具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的高介電SiON柵介質(zhì)的制備方法作進(jìn)一步詳細(xì)說明。其中，圖2為本發(fā)明的一個(gè)較佳實(shí)施例的高介電SiON柵介質(zhì)的制備方法的工藝流程圖。需說明的是，附圖均采用非常簡化的形式、使用非精準(zhǔn)的比例，且僅用以方便、明晰地達(dá)到輔助說明本發(fā)明實(shí)施例的目的。
[0036]請(qǐng)參閱圖2，本發(fā)明的本實(shí)施的高介電SiON柵介質(zhì)的制備方法包括以下步驟:
[0037]步驟SOl:采用熱氧化和熱處理工藝在半導(dǎo)體襯底表面形成SiO2柵介質(zhì)；
[0038]具體的，本實(shí)施例中，熱氧化和熱處理工藝可以但不限于采用快速熱退火工藝和/或垂直爐管工藝，例如，可以僅采用快速熱退火工藝(RTP, Rapid Thermal Process),還可以僅采用垂直爐管工藝(Furnace),還可以采用RTP和Furnace這兩個(gè)工藝。
[0039]本實(shí)施例中，RTP工藝可以但不限于為原位水蒸氣氧化工藝(ISSG, In-Situ SteamGeneration)和/或快速熱氧化工藝(RTO, Rapid Thermal Oxidation),例如,可以僅采用ISSG工藝，還可以僅采用RTO工藝，還可以采用ISSG和RTO這兩個(gè)工藝。
[0040]本實(shí)施例中，ISSG工藝可以但不限于為N2O ISSG工藝和/或O2ISSG工藝，其中，N2O ISSG工藝采用N2O和H2作為反應(yīng)氣體，O2ISSG工藝采用O2和H2作為反應(yīng)氣體。例如，可以僅采用N2O原位水蒸氣氧化工藝，也可以僅采用O2原位水蒸氣氧化工藝，還可以采用N2O原位水蒸氣氧化工藝和O2原位水蒸氣氧化工藝這兩個(gè)工藝。[0041]需要說明的是，本發(fā)明中，熱氧化和熱處理工藝可以在一個(gè)工藝過程中完成，例如，在單一的RTP或Furnace工藝中完成；也可以先進(jìn)行熱氧化工藝，再進(jìn)行熱處理工藝，例如，先采用RTP工藝完成熱氧化工藝，再采用Furnace工藝完成熱處理工藝。
[0042]本發(fā)明中的熱氧化和熱處理工藝的工藝參數(shù)比如溫度、反應(yīng)氣體、反應(yīng)壓強(qiáng)、功率等可以根據(jù)實(shí)際的工藝要求來設(shè)定，本發(fā)明對(duì)此不作任何限制。
[0043]在本實(shí)施例中，采用上述工藝過程在半導(dǎo)體襯底上形成的SiO2柵介質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，且厚度均勻，該厚度的大小可以根據(jù)實(shí)際工藝要求來設(shè)定。
[0044]步驟S02:采用等離子體氮化工藝對(duì)SiO2柵介質(zhì)進(jìn)行氮的摻雜，從而使SiO2柵介質(zhì)成為SiON柵介質(zhì)；
[0045]具體的，本實(shí)施例中，氮化工藝可以但不限于為去耦等離子體氮化工藝(DPN，Decoupled Plasma Nitridation)、遠(yuǎn)程等離子體氮化工藝(RPN, Remote PlasmaNitridation)、和/或垂直擴(kuò)散設(shè)備的氮化工藝，例如，可以僅采用DPN工藝，也可以僅采用RPN工藝，還可以僅采用垂直擴(kuò)散設(shè)備的氮化工藝。
[0046]在本實(shí)施例中，垂直擴(kuò)散設(shè)備的氮化工藝采用的氣體可以但不限于包括Ν0，Ν20或
NH3。
[0047]本發(fā)明中的等離子體氮化工藝的工藝參數(shù)比如溫度、反應(yīng)氣體、反應(yīng)壓強(qiáng)、功率等可以根據(jù)實(shí)際的工藝要求來設(shè)定，本發(fā)明對(duì)此不作任何限制。
[0048]在等離子體氮化工藝中，Si02中的部分O原子被N原子取代形成S1-N鍵，從而使Si02柵介質(zhì)成為SiN柵介質(zhì)；氮化工藝結(jié)束后，SiN柵介質(zhì)具有一定的氮濃度,氮濃度的大小可以由實(shí)際工藝要求來設(shè)定。
[0049]步驟S03:采用純惰性氣體，對(duì)SiON柵介質(zhì)進(jìn)行高溫氮化處理，所采用的溫度不低于 IOOO0C ；
[0050]具體的，本實(shí)施例中，高溫氮化處理的溫度可以但不限于為1000-1100°C，高溫氮化處理時(shí)間可以但不限于為5-120秒，純惰性氣體可以只有一種惰性氣體，也可以是混合惰性氣體，在本實(shí)施例中，純惰性氣體可以但不限于為N2、Ar的一種或其混合物。
[0051]在這里，在純惰性氣體的環(huán)境下進(jìn)行高溫氮化處理的過程中，純惰性氣體可以避免S1-N鍵中的N原子被O原子替代，純惰性氣體和高溫相結(jié)合的條件下能夠修復(fù)上述等離子體氮摻雜過程對(duì)柵介質(zhì)造成的晶格損傷，使S1-N鍵趨于穩(wěn)定，從而可以穩(wěn)定上述步驟S02中形成的SiN柵介質(zhì)中的氮濃度，避免在高溫下N揮發(fā)而造成氮濃度的減小，這樣，相對(duì)于常規(guī)的不在純惰性氣體中進(jìn)行高溫氮化處理的工藝來說，本發(fā)明的高溫氮化處理工藝可以避免氮的損失，從而提高所形成的SiN柵介質(zhì)的介電常數(shù)。
[0052]當(dāng)然，在此高溫氮化處理過程中，氮原子不可避免的會(huì)遷移到柵介質(zhì)和溝道的界面處，并在該界面處產(chǎn)生積聚，界面處氮原子的積聚會(huì)造成溝道載流子遷移率的下降，因此，在本發(fā)明的后續(xù)工藝過程中，需對(duì)此界面處進(jìn)行修復(fù)處理，以降低氮原子的積聚。
[0053]步驟S04:采用氧化性氣體，對(duì)SiON柵介質(zhì)進(jìn)行低溫氧化處理，所采用的溫度不高于 800。。。
[0054]具體的，本實(shí)施例中，低溫氧化處理的溫度可以但不限于為500°C -800°C，處理時(shí)間可以但不限于為5-120秒，所采用的氧化性氣體可以但不限于為O2，或者N2O和H2的混合氣體，或者H2與O2的混合氣體[0055]這里，在低溫氧化處理過程中，由于低溫環(huán)境中，氧化性氣體沒有足夠的能量將柵介質(zhì)中的N置換出來，而氧化性氣體能夠?qū)沤橘|(zhì)和溝道界面處的氮原子替換，從而修復(fù)界面處的缺陷，提高界面質(zhì)量，這樣，可以進(jìn)一步提高柵介質(zhì)的介電常數(shù)。
[0056]綜上所述，本發(fā)明的高介電SiON柵介質(zhì)的制備方法，通過將純惰性氣體和高溫環(huán)境相結(jié)合，對(duì)形成的SiON柵介質(zhì)進(jìn)行氮化處理，使S1-N鍵趨于穩(wěn)定，避免了 N原子的揮發(fā)，穩(wěn)定了 SiON柵介質(zhì)中的N濃度，提高了 SiON柵介質(zhì)的介電常數(shù)；再通過低溫氧化處理過程，在低溫下，利用氧化性氣體修復(fù)柵介質(zhì)和溝道界面處的缺陷，避免了界面缺陷造成的載流子遷移率的下降，提高了界面質(zhì)量，進(jìn)一步提高了 SiON柵介質(zhì)的介電常數(shù)；并且，本發(fā)明的方法相對(duì)于常規(guī)的高溫處理過程，降低了工藝操作復(fù)雜度，提高了工藝效率。
[0057]以上所述的僅為本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例并非用以限制本發(fā)明的專利保護(hù)范圍，因此凡是運(yùn)用本發(fā)明的說明書及附圖內(nèi)容所作的等同結(jié)構(gòu)變化，同理均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種高介電SiON柵介質(zhì)的制備方法,其特征在于,包括: 步驟SOl:采用熱氧化和熱處理工藝在半導(dǎo)體襯底表面形成SiO2柵介質(zhì)； 步驟S02:采用等離子體氮化工藝對(duì)所述SiO2柵介質(zhì)進(jìn)行氮的摻雜，從而使所述SiO2柵介質(zhì)成為SiON柵介質(zhì)； 步驟S03:采用純惰性氣體，對(duì)所述SiON柵介質(zhì)進(jìn)行高溫氮化處理，所采用的溫度不低于 IOOO0C ； 步驟S04:采用氧化性氣體，對(duì)所述SiON柵介質(zhì)進(jìn)行低溫氧化處理，所采用的溫度不高于 800。。。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高介電SiON柵介質(zhì)的制備方法，其特征在于，所述步驟S03中，所述高溫氮化處理的溫度為1000°C -1100°C，處理時(shí)間為5-120秒。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高介電SiON柵介質(zhì)的制備方法的制備方法，其特征在于，所述步驟S03中，所述純惰性氣體為N2、Ar的一種或其混合物。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高介電SiON柵介質(zhì)的制備方法的制備方法，其特征在于，所述步驟S04中，所述低溫氧化處理的溫度為500°C _800°C，處理時(shí)間為5-120秒。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高介電SiON柵介質(zhì)的制備方法的制備方法，其特征在于，所述步驟S04中，所述的氧化性氣體為02，或者N2O和H2的混合氣體，或者H2與O2的混合氣體。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高介電SiON柵介質(zhì)的制備方法，其特征在于，所述的熱氧化和熱處理工藝包括:快速熱退火工藝和/或垂直爐管工藝。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的高介電SiON柵介質(zhì)的制備方法，其特征在于，所述的快速熱退火工藝包括:原位水蒸氣氧化工藝和/或快速熱氧化工藝。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的高介電SiON柵介質(zhì)的制備方法，其特征在于，所述的原位水蒸氣氧化工藝包括采用N2O和H2作為反應(yīng)氣體的N2O原位水蒸氣氧化工藝，和/或采用O2和H2作為反應(yīng)氣體的O2原位水蒸氣氧化工藝。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高介電SiON柵介質(zhì)的制備方法，其特征在于，所述步驟S02中，所述等離子體氮化工藝包括:去耦等離子體氮化工藝、和/或遠(yuǎn)程等離子體氮化工藝、和/或垂直擴(kuò)散設(shè)備的氮化工藝。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的高介電SiON柵介質(zhì)的制備方法，其特征在于，所述垂直擴(kuò)散設(shè)備的氮化工藝采用的氣體包括NO，N2O或NH3。
【文檔編號(hào)】H01L21/28GK103887162SQ201410117794
【公開日】2014年6月25日 申請(qǐng)日期:2014年3月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月27日
【發(fā)明者】張紅偉 申請(qǐng)人:上海華力微電子有限公司