一种形成硅氧氮化物层的方法

专利名称：一种形成硅氧氮化物层的方法
技术领域：
本发明的实施例一般地涉及形成栅极电介质的方法。更具体地，本发明的实施例涉及形成硅氧氮化物(SiOxNy)栅极电介质的方法。
背景技术：
集成电路由许多(例如数百万)诸如晶体管、电容器和电阻器之类的器件构成。诸如场效应晶体管之类的晶体管通常包括源极、漏极和栅极叠层。栅极叠层通常包括诸如硅衬底的衬底、处于衬底上的诸如二氧化硅SiO2之类的栅极电介质和处于栅极电介质上的诸如多晶硅的栅电极。
随着集成电路尺寸和其上的晶体管尺寸的减小，提高晶体管的速度所需的栅极驱动电流增大了。因为驱动电流随栅极电容的增大而增大，并且该电容反比于栅极电介质厚度，所以减小电介质厚度是增大驱动电流的一种方法。
已经进行了将SiO2栅极电介质的厚度减小到20以下的尝试。但是，业已发现，使用20以下的薄的SiO2栅极电介质常常给栅极性能和耐久性造成不期望的影响。例如，来自硼掺杂的栅电极的硼可以穿过薄的SiO2栅极电介质进入下方的硅衬底。同时，利用薄的电介质通常使得栅极漏电流，即穿隧作用增大，这增大了栅极消耗的功率量。薄的SiO2栅极电介质可能容易受到热载流子损伤的影响，其中穿过电介质的高能载流子可能损伤或者损坏栅极。薄的SiO2栅极电介质还可能容易受到负偏压温度不稳定性(NBTI)的影响，其中阈值电压或者驱动电流随着栅极的操作而漂移。
已经用来解决薄的SiO2栅极电介质具有的问题的一种方法是将氮加入SiO2层以形成SiOxNy栅极电介质。将氮加入SiO2层阻止了硼穿透到下方的硅衬底中，并且增大了栅极电介质的介电常数，从而允许使用更厚的电介质层。
在氨(NH3)的存在下加热硅氧化物层已被用于将SiO2层转化成SiOxNy层。但是，在炉中在NH3的存在下加热硅氧化物层的常规方法由于炉子打开和关闭时的气流而通常导致在炉子的不同部分中沿SiO2层上的氮的不均一的加入。此外，SO2层的氧或者水蒸气污染可能阻止氮加入到SO2层中。
等离子体氮化法(DPN)也已经被用于将SO2层转换成SiOxNy层。利用等离子体氮化法已经形成了具有高的PMOS驱动电流和低的栅极漏电流的栅极叠层。但是，对于小于12的EOT(等价氧化物厚度)，形成具有高的N-沟道金属氧化物半导体(NMOS)驱动电流和低的栅极漏电流的尝试没有成功。例如，图1示出了与等离子体氮化硅氧化物层相比，在NH3的存在下加热硅氧化物层导致相对于在阈值电压+1V的归一化电压下的NMOS栅极漏电流(Jg(Vt+1))具有更高在阈值电压+0.75V的归一化电压下的NMOS驱动电流(Idsat(Vt+0.75V))。此外，图2示出了与在NH3的存在下加热硅氧化物层相比，等离子体氮化硅氧化物层导致相对于在阈值电压+1V的归一化电压下的NMOS栅极漏电流(Jg(Vt+1))具有更高的在阈值电压+0.75V的归一化电压下的P-沟道金属氧化物半导体(PMOS)驱动电流(Idsat(Vt+0.75V))。
CMOS电路通常包含NMOS和PMOS器件两者。因此，仍然需要一种沉积SiOxNy栅极电介质的方法，其中所述SiOxNy栅极电介质对于PMOS和NMOS器件两者都具有高的驱动电流和低的漏电流。

发明内容
总的来说，本发明的实施例提供了一种形成SiOxNy栅极电介质的方法，包括在含NH3的气氛中加热包含处在硅衬底上的硅氧化物膜的结构，以将氮加入到所述硅氧化物膜中；然后将所述结构暴露于包含氮源的等离子体，以在所述衬底上形成SiOxNy栅极电介质。在一个实施例中，在将所述结构暴露于所述等离子体之后，对所述结构进行退火。
本发明的实施例还提供一种在集成处理系统中形成SiOxNy栅极电介质的方法，包括在所述集成处理系统的第一处理室中，在含NH3的气氛中加热包含形成在硅衬底上的硅氧化物膜的结构，以将氮加入到所述硅氧化物膜中；将所述结构转移到所述集成处理系统的第二处理室；然后在所述第二处理室中，将所述结构暴露于包含氮源的等离子体，以在所述衬底上形成SiOxNy栅极电介质。在一个实施例中，在所述集成处理系统中，将硅氧化物膜形成在衬底上，并且直到形成所述SiOxNy栅极电介质之后才将所述结构取出集成处理系统。
在另一个实施例中，提供了一种SiOxNy栅极电介质，由如下的方法形成，所述方法包括在含NH3的气氛中加热包含形成在硅衬底上的硅氧化物膜的结构，以将氮加入到所述硅氧化物膜中；然后将所述结构暴露于包含氮源的等离子体，以在所述衬底上形成SiOxNy栅极电介质。


因此，参考实施例，可以详细了解本发明的上述特征，并且对于上面总结的本发明进行了更具体的描述，其中的一些实施例被示于附图中。但是，应该注意，附图仅仅示出了本发明的典型实施例，因此不应被认为是对本发明的范围的限制，因为本发明可以允许其他等效的实施例。
图1是示出了对于包含SiOxNy栅极电介质的栅极叠层，NMOS驱动电流对NMOS栅极漏电流的图线。
图2是示出了对于包含SiOxNy栅极电介质的栅极叠层，PMOS驱动电流对NMOS栅极漏电流的图线。
图3是集成处理系统的俯视示意图。
图4是描绘了本发明的实施例的流程图。
图5是集成处理系统的俯视示意图。
图6是示出了对于包含SiOxNy栅极电介质的栅极叠层，NMOS驱动电流对NMOS栅极漏电流的图线。
图7是示出了对于包含SiOxNy栅极电介质的栅极叠层，PMOS驱动电流对NMOS栅极漏电流的图线。
具体实施例方式
本发明的实施例包括用于沉积SiOxNy栅极电介质的方法。包括SiOxNy栅极电介质的栅极叠层在NMOS和PMOS器件中都表现出令人满意的电性能。
在一个实施例中，通过在包含NH3的气氛中加热包含处在硅衬底上的硅氧化物膜的结构，来形成SiOxNy栅极电介质。如在此定义的，硅衬底包括诸如硅晶片的单层硅衬底，或者包括包含处在一层或多层其他层上的硅层的结构。处在硅衬底上的硅氧化物膜可以通过将硅衬底暴露于包含氧的气氛中以氧化衬底的顶表面来形成。该包含氧的气氛可以是氧气(O2)环境、氢气(H2)和氧气环境、H2和一氧化二氮(N2O)环境、O2和惰性气体环境、或者是其组合的环境。硅氧化物膜可以具有例如约4到约16的厚度。在一个实施例中，可以将硅衬底在约700℃到约1100℃的衬底温度和在约0.1Torr到约800Torr的压强下暴露于包含氧的气氛约1秒钟到约120秒钟。优选地，温度在约750℃到约1000℃之间，压强在约0.5Torr到约50Torr之间。
在含NH3的气氛中加热包含硅氧化物膜的结构的操作将氮加入到硅氧化物膜中，使得硅氧化物膜的顶表面被掺氮。可以将该结构在小于约100Torr的压强(诸如约0.1Torr到约100Torr之间的压强)下加热到至少约700℃的温度。优选地，在约1Torr的NH3分压下，将该结构加热到约700℃到约1100℃之间的温度，诸如约1050℃。可以将该结构加热约1秒到约120秒的时间，或者加热足以对硅氧化物膜的顶表面掺氮的时间长度。优选地，在含NH3的气氛中加热结构的同时，基本没有氧被加入该结构中。
在含NH3的气氛中加热结构之后，将该结构暴露于含氮源的等离子体中，以将更多的氮加入到硅氧化物膜中，由此形成SiOxNy栅极电介质。氮源可以是氮气(N2)、NH3或者其组合。等离子体还可以包含惰性气体，诸如氦、氩或其组合。在衬底暴露于等离子体期间的压强可以为约1mTorr到约30mTorr，诸如约1mTorr到约10mTorr。
优选地，在此所描述的SiOxNy栅极电介质包含至少5atom％的氮。在一个实施例中，SiOxNy栅极电介质包含约5atom％的氮到约15atom％的氮。
可选地，结构在暴露于等离子体之后进行退火，在一个实施例中，将该结构在含O2的气氛中退火。在退火期间O2的分压可以小于50Torr，诸如约10mTorr到约50Torr。该结构可以在约700℃到约1100℃的温度(诸如约950℃到约1100℃的温度)下退火。在另一个实施例中，结构在惰性气氛或者还原气氛中退火，然后如上所述地在含O2的气氛中退火。可以将该结构在惰性气氛或者还原气氛中在约700℃到约1100℃的温度(诸如约950℃到约1100℃的温度)下退火。例如，可以将该结构在约1000℃的温度下、在N2分压为约1Torr到约760Torr的含N2的气氛中进行退火。
在将结构暴露于等离子体并且可选地进行退火之后，诸如多晶硅层的栅电极可以被沉积在SiOxNy栅极电介质上，以完成栅极叠层。
集成处理工序在另一个实施例中，可以在集成处理系统(诸如集成半导体处理系统)中，以其中直到形成SiOxNy栅极电介质之后才将衬底移出集成处理系统的方法，在衬底上形成SiOxNy栅极电介质。可以使用的集成处理系统100的实例是可从加利福尼亚圣克拉拉的应用材料公司(Applied Materials，Inc.)得到的Gate Stack Centura系统，其被示于图3中。集成处理系统100可以包括中心转移室102、转移机械手103、装载闸104、106、冷却室108、热处理室110、等离子体处理室114、快速热处理(RTP)室116和CVD处理室118。CVD处理室118可以是低压化学气相沉积室(LPCVD)，诸如可从应用材料公司得到的POLYgen室。
其中在集成处理系统中形成SiOxNy栅极电介质的实施例的处理条件可以与上面对于形成硅氧化物膜和SiOxNy栅极电介质所述的处理条件相同。例如，在一个实施例中，可以将包含处于硅衬底上的二氧化硅膜的结构在集成处理系统的第一处理室中在含NH3的气氛中加热，以将氮加入到硅氧化物膜中。因为衬底被在封闭的集成处理系统中暴露于含NH3的气氛中，所以在含NH3的气氛中加热的过程中，污染氧一般不会被加入到结构中。然后，可以将该结构转移到集成处理系统的第二处理室，并且在第二处理室中暴露于含氮源的等离子体。可选地，在将结构暴露于等离子体之后，可以将该结构转移到集成处理系统的第三处理室，并且在第三处理室中退火。
在另一个实施例中，衬底被引入到集成处理系统中，并且硅氧化物膜、SiOxNy栅极电介质和栅电极被沉积在衬底上，而不将衬底移出集成处理系统。此实施例将参照图3和4在下面进行描述。
可以将硅衬底经由装载闸102或104引入集成处理系统100中，并且置于RTP室116中，其中在RTP室116，硅氧化物膜可以形成在硅衬底上，如图4的步骤200和202所示。然后，可以将包含衬底和硅氧化物膜的结构转移到热处理室110，其中在热处理室110，在含NH3的气氛中加热该结构以将氮加入到硅氧化物膜中，如步骤204和206所示。然后，可以将结构转移到冷却室108，并且在约1到约2分钟内冷却到例如低于约100℃，诸如步骤208所示。然后，可以将结构转移到等离子体处理室114，在等离子体处理室114，该结构被暴露于含氮源的等离子体，以将更多的氮加入到硅氧化物膜中并且形成SiOxNy栅极电介质，如步骤210和212所示。可选地，可以将结构转移到RTP室116，在RTP室116，可以对结构进行退火，如步骤214和216所示。然后，可以将结构转移到CVD处理室118，如步骤218所示，并且诸如多晶硅层或者非晶硅层之类的栅电极可以被沉积在结构上，如步骤220所示。然后，可以将结构经由装载闸102或104从集成处理系统100取出。
在上面参照图3和4所述的实施例中，硅氧化物膜在RTP室116中以一个步骤形成在衬底上，并且该结构在同一RTP室116中以另一个步骤退火。在替换实施例中，第二RTP室被配置在集成处理系统300上，如图5所示，并且硅氧化物膜在一个RTP室中以一个步骤形成，而结构在不同的RTP室中以另一个步骤退火。集成处理系统300可以包括中心转移室302、转移机械手303、装载闸304、306、冷却室308、热处理室310、等离子体处理室314、快速热处理(RTP)室316和RTP室318。
可以将硅衬底经由装载闸302或304引入集成处理系统300中，并且置于RTP室316，其中在RTP室316，硅氧化物膜可以形成在硅衬底上。然后，可以将包含衬底和硅氧化物膜的结构转移到热处理室310，其中在热处理室310，在含NH3的气氛中加热该结构以将氮加入到硅氧化物膜中。然后，可以将结构转移到冷却室308，并且在约1到约2分钟内冷却到例如低于约100℃。然后，可以将结构转移到等离子体处理室314，在等离子体处理室314，该结构被暴露于含氮源的等离子体，以将更多的氮加入到硅氧化物膜中并且形成SiOxNy栅极电介质。可选地，可以将结构转移到RTP室318，在RTP室318，可以对结构进行退火。在对结构进行退火之后，可以将结构经由装载闸302或304从集成处理系统300转移到集成处理系统外部的处理室(没有示出)，诸如低压化学气相沉积(LPCVD)室，用于沉积诸如多晶硅层或者非晶硅层的栅电极。
虽然参照图3和图5描述的上面的实施例，但是应该认识到，其他的集成处理系统可以用于在此所述的实施例。
NMOS和PMOS器件中的SiOxNy栅极电介质的性能图6和7分别示出了对于根据本发明的实施例所形成的包括包含SiOxNy栅极电介质的结构的栅极叠层以及对于根据其他方法所形成的栅极叠层，NMOS驱动电流对NMOS栅极漏电流和PMOS驱动电流对NMOS栅极漏电流的图线。如下的处理工序被比较于图6和7中硅衬底被氧化以在衬底上形成10的硅氧化层(10氧化物)、在氮气氛中进行等离子体处理(去耦合等离子体氮化，DPN)、然后退火(氮化后退火，PNA)；10氧化物、在含NH3的气氛中加热(NH3)、然后PNA；10氧化物、DPN、在含N2的气氛中加热然后在含有NH3的气氛中加热、然后PNA；10氧化物、DPN、在含NH3的气氛中加热、在含N2的气氛中加热、然后PNA；以及根据本发明的一个实施例，10氧化物、NH3、DPN、然后PNA。PNA在O2分压为60mTorr的气氛中在1000℃下进行15秒。
图6示出了虽然将结构在含NH3的气氛中加热然后退火的处理工序提供了在高NMOS驱动电流情况下的低的NMOS栅极漏电流，但是如在本发明的实施例中所述的将结构在含NH3的气氛中加热、用含氮的等离子体处理、然后退火的处理工序也提供了令人满意的NMOS性能。
图7示出了与所测试的其他工艺相比，如在本发明的实施例中所述的将结构在含NH3的气氛中加热、用含氮的等离子体处理、然后退火的工艺提供了在较高的PMOS驱动电流情况下的更低的NMOS栅极漏电流。
因此，如在本发明的实施例中所述的将结构在含NH3的气氛中加热、用含氮的等离子体处理、然后退火的工艺，可以提供相对于NMOS驱动电流和PMOS驱动电流两者都具有令人满意的低栅极漏电流的栅极叠层。此外，将结构用含氮的等离子体处理、在含NH3的气氛中加热、然后退火的工艺提供了在相当的NMOS和PMOS驱动电流下具有明显更高的NMOS栅极漏电流的结构。
在用含氮的等离子体处理结构之前在含NH3的气氛中加热结构，被认为使栅极电介质和下方的硅衬底之间的界面平滑，导致器件的性能和可靠性提高。通过在等离子体处理结构之前首先在含NH3的气氛中加热结构形成明显更厚的氧化物膜，也被认为提高了PMOS器件的性能特性。
虽然前文涉及本发明的实施例，但是可以设计本发明的其他和进一步的实施例，而不偏离本发明的基本范围，本发明的基本范围由所附的权利要求来确定。
权利要求
1.一种形成SiOxNy栅极电介质的方法，包括提供包含形成在硅衬底上的硅氧化物膜的结构；在含NH3的气氛中加热所述结构，以将氮加入到所述硅氧化物膜中；然后将所述结构暴露于包含氮源的等离子体，以在所述衬底上形成SiOxNy栅极电介质。
2.如权利要求1所述的方法，还包括在将所述结构暴露于所述等离子体之后对所述结构进行退火。
3.如权利要求2所述的方法，其中，所述退火操作在含O2的气氛中进行。
4.如权利要求3所述的方法，其中，所述退火操作还包括将所述结构在含O2的气氛中进行退火之前在惰性气氛或还原气氛中进行退火。
5.如权利要求1所述的方法，其中，所述氮源选自由N2、NH3和其组合组成的组。
6.如权利要求1所述的方法，其中，加热所述结构的操作包括将所述结构在小于约100Torr的压强下加热到至少约700℃的温度。
7.如权利要求1所述的方法，其中，将所述结构暴露于等离子体的操作在约1mTorr到约30mTorr的压强下进行。
8.如权利要求1所述的方法，还包括通过氧化所述硅衬底的顶表面形成所述硅氧化物膜。
9.如权利要求1所述的方法，其中，在含NH3的气氛中加热所述结构时基本没有氧被加入到所述结构中。
10.一种在集成处理系统中形成SiOxNy栅极电介质的方法，包括在所述集成处理系统的第一处理室中，在含NH3的气氛中加热包含形成在硅衬底上的硅氧化物膜的结构，以将氮加入到所述硅氧化物膜中；将所述结构转移到所述集成处理系统的第二处理室；然后在所述第二处理室中，将所述结构暴露于包含氮源的等离子体，以在所述衬底上形成SiOxNy栅极电介质。
11.如权利要求10所述的方法，还包括将所述结构转移到所述集成处理系统的第三处理室；以及在所述第三处理室中对所述衬底进行退火。
12.如权利要求11所述的方法，还包括将所述硅衬底引入到所述集成处理系统中；以及在所述集成处理系统的所述第三处理室中，在所述衬底上形成所述硅氧化物膜，以形成所述包含形成在硅衬底上的硅氧化物膜的结构。
13.如权利要求12所述的方法，还包括在对所述衬底进行退火之后，将所述结构转移到所述集成处理系统的第四处理室；以及在所述第四处理室中，在所述SiOxNy栅极电介质上沉积多晶硅层。
14.如权利要求11所述的方法，还包括将所述硅衬底引入到所述集成处理系统中；以及在所述集成处理系统的第四处理室中，在所述衬底上形成所述硅氧化物膜，以形成所述包含形成在硅衬底上的硅氧化物膜的结构。
15.如权利要求14所述的方法，还包括在将所述结构暴露于所述等离子体之后，将所述结构转移到所述集成处理系统的外部的第五处理室；以及在所述第五处理室中，将多晶硅层沉积在所述SiOxNy栅极电介质上。
16.如权利要求11所述的方法，其中，所述退火操作在含O2的气氛中进行。
17.如权利要求16所述的方法，其中，所述退火操作还包括将所述结构在含O2的气氛中进行退火之前在惰性气氛或还原气氛中进行退火。
18.如权利要求10所述的方法，还包括在所述加热操作之后在将所述结构转移到第二处理室之前，将所述结构转移到冷却室。
19.一种SiOxNy栅极电介质，由如下的方法形成，所述方法包括在含NH3的气氛中加热包含形成在硅衬底上的硅氧化物膜的结构，以将氮加入到所述硅氧化物膜中；然后将所述结构暴露于包含氮源的等离子体，以在所述衬底上形成SiOxNy栅极电介质。
20.如权利要求19所述的SiOxNy栅极电介质，其中，所述栅极电介质包含至少5％的氮。
21.如权利要求19所述的SiOxNy栅极电介质，其中，所述方法还包括在将所述结构暴露于等离子体之后对所述结构进行退火。
22.如权利要求19所述的SiOxNy栅极电介质，其中，在含NH3的气氛中加热所述结构时，基本没有氧被加入所述结构中。
23.如权利要求19所述的SiOxNy栅极电介质，其中，所述氮源选自由N2、NH3和其组合组成的组。
24.如权利要求19所述的SiOxNy栅极电介质，其中，所述方法还包括通过氧化所述硅衬底的顶表面形成所述硅氧化物膜。
25.如权利要求19所述的SiOxNy栅极电介质，其中，所述方法还包括将所述硅衬底置于集成处理系统中，并且直到所述栅极电介质被形成之后才将所述结构从所述集成处理系统取出。
26.如权利要求25所述的SiOxNy栅极电介质，其中，所述方法还包括在所述衬底上沉积多晶硅层，其中直到所述多晶硅层被沉积之后才将所述结构从所述集成处理系统取出。
全文摘要
本发明提供了一种SiO
文档编号H01L21/314GK1894778SQ200480037295
公开日2007年1月10日 申请日期2004年11月9日 优先权日2003年12月15日
发明者克里斯托弗·奥尔森, 法兰·诺瑞, 蔡泰胜 申请人:应有材料公司