柵氧化層的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種柵氧化層的制備方法，通過采用氮氣來稀釋反應(yīng)氣體中氫氣的含量來減少Si-SiO2界面產(chǎn)生Si-H鍵和S-O-H鍵的數(shù)量，并在形成氧化膜之后對基底實時高溫處理來加快氧化膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力釋放,以減少界面附近發(fā)生斷裂鍵而產(chǎn)生界面態(tài)的可能。采用本發(fā)明所提供的方法能有效地減少柵氧化膜的界面態(tài)總電荷至少一個數(shù)量級，并且柵氧化層具有穩(wěn)定的含氮量，能提高器件的壽命和性能。
【專利說明】柵氧化層的制備方法
【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】，尤其涉及一種柵氧化層的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著半導(dǎo)體器件的尺寸的縮小，應(yīng)用于高性能邏輯器件的柵氧化層厚度要求小于2nm，這導(dǎo)致了諸如界面陷阱電荷、柵介質(zhì)隧穿漏電流以及可靠性等一系列的問題。這些問題在某種程度上被認(rèn)為與薄膜中存在的未完全氧化的Si原子或與S1-SiO2界面處存在的界面態(tài)有關(guān)。
[0003]關(guān)于界面態(tài)的產(chǎn)生主要有如下兩種原因:
[0004]1.基于氫鍵模型的機(jī)制。這種機(jī)制認(rèn)為S1-SiO2界面附近的含氫鍵結(jié)構(gòu)體由于捕獲入射載流子的動能而發(fā)生氫原子的脫離，使原有的S1-H和S1-O-H鍵斷裂，造成懸掛鍵的產(chǎn)生，并由此導(dǎo)致了界面態(tài)的產(chǎn)生。
[0005]2.基于內(nèi)應(yīng)力的機(jī)制。這種機(jī)制認(rèn)為S1-SiO2界面附近的S1-Si鍵和由于結(jié)構(gòu)不規(guī)則而存在內(nèi)應(yīng)力的S1-O鍵受到外來載流子的沖擊而斷裂，從而導(dǎo)致界面態(tài)產(chǎn)生。
[0006]現(xiàn)有的工藝中，主要通過高溫退火來修復(fù)氧化生長SiO2介質(zhì)層的過程中產(chǎn)生的S1-H鍵和S-O-H鍵以及S1-SiO2界面附近發(fā)生的斷裂鍵，以改善界面態(tài)。但是，當(dāng)半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)入45納米時代以來，傳統(tǒng)的改善柵氧化膜界面態(tài)的方法遇到了前所未有的挑戰(zhàn)，即成膜后的熱氧化處理工藝無法及時有效的改善界面態(tài)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為改善更小的半導(dǎo)體器件中改善界面態(tài)，本發(fā)明提供一種柵氧化層的制備方法，包含以下步驟:
[0008]S1:對一基底執(zhí)行氧化工藝以形成柵氧化層，在所述氧化工藝的反應(yīng)氣體中包括氮氣；
[0009]S2:在氮氣環(huán)境中對所述基底進(jìn)行高溫處理；
[0010]S3:對所述柵氧化層進(jìn)行氮摻雜；
[0011]S4:采用高溫退火工藝穩(wěn)定所述柵氧化層的氮摻雜并修復(fù)其等離子體損傷?？蛇x的，步驟SI中氧化工藝采用ISSG工藝。
[0012]可選的，所述ISSG工藝的反應(yīng)氣體為N2O和H2。
[0013]可選的，所述ISSG工藝的反應(yīng)氣體為O2和H2。
[0014]可選的，所述反應(yīng)氣體中氮氣的流量為5slm-50slm，所述氮氣的物質(zhì)的量為其余反應(yīng)氣體的一半至3倍。
[0015]可選的，所述高溫氮化處理的溫度范圍為1000攝氏度到1100攝氏度，處理時間為5秒到120秒。
[0016]可選的，步驟S3中的氮摻雜采用等離子體氮化技術(shù)。
[0017]可選的，所述等離子體氮化技術(shù)為去耦等離子體氮化或遠(yuǎn)程等離子體氮化。[0018]可選的，步驟S4中的高溫退火工藝的溫度范圍為1000攝氏度到1100攝氏度，時間為5秒到120秒。
[0019]可選的，步驟S4中的高溫退火工藝的氣體包含N2或者O2或者N2與O2的混合氣體。
[0020]相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明通過采用氮氣來稀釋反應(yīng)氣體中氫氣的含量，來減少S1-SiO2界面產(chǎn)生S1-H鍵和S-O-H鍵的數(shù)量，并在形成氧化膜之后對基底實時高溫處理來加快氧化膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力釋放，以減少界面附近發(fā)生斷裂鍵而產(chǎn)生界面態(tài)的可能。采用本發(fā)明所提供的方法能有效地減少柵氧化膜的界面態(tài)總電荷至少一個數(shù)量級，并且柵氧化層具有穩(wěn)定的含氮量，能提高器件的壽命和性能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明一實施例所述柵氧化層的制備方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0022]以下結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。根據(jù)下面說明和權(quán)利要求書，本發(fā)明的優(yōu)點和特征將更清楚。需說明的是，附圖均采用非常簡化的形式且均使用非精準(zhǔn)的比率，僅用以方便、明晰地輔助說明本發(fā)明實施例的目的。
[0023]如圖1所示，本發(fā)明提供的柵氧化層的制備方法包含以下步驟:
[0024]S1:對一基底執(zhí)行氧化工藝以形成柵氧化層，在所述氧化工藝反應(yīng)氣體中包括氮氣。
[0025]其中，所述的氧化工藝為現(xiàn)場水汽生成(ISSG)，ISSG是一種新型低壓快速氧化熱退火技術(shù)，目前主要應(yīng)用于超薄氧化薄膜生長、淺槽隔離邊緣圓角化(STI cornerrounding)以及氮氧薄膜的制備。它采用氫氣(H2)和氧氣(O2)作為反應(yīng)氣體，在高溫下氫會與氧產(chǎn)生類似于燃燒的化學(xué)反應(yīng)，生成大量的氣相活性自由基(其中主要是原子氧)。同時，在反應(yīng)腔體中通過輻射式快速升溫技術(shù)使硅片升溫至800°C -1100°C，在此高溫氛圍下，硅片表面會發(fā)生類似于爆轟的化學(xué)反應(yīng)。由于原子氧具有極強(qiáng)的氧化性，使得最終得到的氧化膜體內(nèi)缺陷減少，S1-SiO2界面充分氧化，從而能有效提高薄膜的電學(xué)特性。ISSG工藝的反應(yīng)氣體除了可以是上述的H2和O2之外，也可以是N2O和H2。
[0026]為了更好的改善柵氧化層界面態(tài)，在上述的反應(yīng)氣體氫氣和氧氣中摻入氮氣，可達(dá)到稀釋反應(yīng)氣體中H2的含量的目的。如此一來，減少了 S1-SiO2界面附近產(chǎn)生的含氫鍵(如S1-H和S1-O-H)的數(shù)量，防止因為含氫鍵中氫原子的脫離造成懸掛鍵的產(chǎn)生，進(jìn)而導(dǎo)致界面態(tài)陷阱的產(chǎn)生。具體的，上述的氮氣的流量為5slm-50slm，氮氣的物質(zhì)的量為其余反應(yīng)氣體的一半至3倍。本領(lǐng)域技術(shù)人員還可以根據(jù)實際的器件需求變化上述氮氣的流量和比例。
[0027]S2:在氮氣環(huán)境中對所述基底進(jìn)行高溫處理。
[0028]在ISSG操作形成柵氧化層的過程之后，在氮氣環(huán)境中對所述基底進(jìn)行高溫處理，如此可以加快氧化膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力釋放，以減少界面附近發(fā)生斷裂鍵的可能。因此，氧化和高溫處理同時進(jìn)行，能夠?qū)崿F(xiàn)對柵氧化膜界面態(tài)的實時改善，取得更好的效果。具體的，上述高溫處理的溫度范圍為1000攝氏度到1100攝氏度，處理時間為5秒到120秒。[0029]S3:對所述柵氧化層進(jìn)行氮摻雜。
[0030]所述氮摻雜采用等離子體氮化技術(shù)，具體為去稱等離子體氮化DPN(DecoupledPlasma Nitridation),遠(yuǎn)程等離子體氮化 RPN (Remote Plasma Nitridation)或垂直擴(kuò)散設(shè)備的NO，N2O或NH3等的氮化處理工藝。氮摻雜可提高柵氧化層的介電系數(shù)，提高柵氧化層的性能。
[0031]S4:采用高溫退火工藝穩(wěn)定所述柵氧化層的氮摻雜并修復(fù)其等離子體損傷。
[0032]其中，所述高溫退火工藝的溫度范圍為1000攝氏度到1100攝氏度，時間為5秒到120秒。高溫退火工藝的氣體包含N2或者O2或者N2與O2的混合氣體。具體的，退火工藝包含兩步，首先在氮氣環(huán)境中進(jìn)行，用以促進(jìn)摻雜氮的鍵合與穩(wěn)定；第二步則在純氧或部分含氧的環(huán)境中進(jìn)行，氧氣的引入可有效修復(fù)柵氧化層與溝道界面處的缺陷，從而進(jìn)一步提高器件的電學(xué)性能。
[0033]綜上，本發(fā)明通過采用氮氣來稀釋反應(yīng)氣體中氫氣的含量來減少S1-SiO2界面產(chǎn)生S1-H鍵和S1-O-H鍵的數(shù)量，并在形成氧化膜之后對基底實時高溫處理來加快氧化膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力釋放，以減少界面附近發(fā)生斷裂鍵而產(chǎn)生界面態(tài)的可能。采用本發(fā)明所提供的方法能有效地減少柵氧化膜的界面態(tài)總電荷至少一個數(shù)量級，并且柵氧化層具有穩(wěn)定的含氮量，能提高器件的壽命和性能。
[0034]顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對發(fā)明進(jìn)行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包括這些改動和變型在內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種柵氧化層的制備方法，其特征在于，包括 S1:對一基底執(zhí)行氧化工藝以形成柵氧化層，在所述氧化工藝的反應(yīng)氣體中包含氮氣; 52:在氮氣環(huán)境中對所述基底進(jìn)行高溫處理； 53:對所述柵氧化層進(jìn)行氮摻雜； S4:采用高溫退火工藝穩(wěn)定所述柵氧化層的氮摻雜并修復(fù)其等離子體損傷。
2.如權(quán)利要求1所述的柵氧化層的制備方法，其特征在于，步驟SI中氧化工藝采用ISSG工藝。
3.如權(quán)利要求2所述的柵氧化層的制備方法，其特征在于，所述ISSG工藝的反應(yīng)氣體為N2O和H2。
4.如權(quán)利要求2所述的柵氧化層的制備方法，其特征在于，所述ISSG工藝的反應(yīng)氣體為O2和H2。
5.如權(quán)利要求1所述的柵氧化層的制備方法，其特征在于:所述反應(yīng)氣體中氮氣的流量為5slm-50slm，所述氮氣的物質(zhì)的量為其余反應(yīng)氣體的一半至3倍。
6.如權(quán)利要求1所述的柵氧化層的制備方法，其特征在于:所述高溫氮化處理的溫度范圍為1000攝氏度到1100攝氏度，處理時間為5秒到120秒。
7.如權(quán)利要求1所述的柵氧化層的制備方法，其特征在于:步驟S3中的氮摻雜采用等尚子體氮化技術(shù)。
8.如權(quán)利要求7所述的柵氧化層的制備方法，其特征在于:所述等離子體氮化技術(shù)為去耦等離子體氮化或遠(yuǎn)程等離子體氮化。
9.如權(quán)利要求1所述的柵氧化層的制備方法，其特征在于:步驟S4中的高溫退火工藝的溫度范圍為1000攝氏度到1100攝氏度，時間為5秒到120秒。
10.如權(quán)利要求1所述的柵氧化層的制備方法，其特征在于:步驟S4中的高溫退火工藝的氣體包含N2或者O2或者N2與O2的混合氣體。
【文檔編號】H01L21/28GK103943479SQ201410162741
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月22日
【發(fā)明者】張紅偉 申請人:上海華力微電子有限公司