专利名称：栅极氧化层的形成方法
技术领域：
本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种栅极氧化层的形成方法。
背景技术：
集成电路尤其是超大规模集成电路中的主要器件是金属氧化物半导体(Metal Oxide Semiconductor，简称M0S)。集成电路自发明以来，其在性能和功能上的进步是突飞猛进的，并且MOS器件的几何尺寸一直在不断缩小，目前其特征尺寸已经进入纳米尺度。如图1所示为MOS晶体管结构示意图，所述MOS晶体管包括衬底010，位于所述衬底010上的栅极结构，所述栅极结构包括位于衬底010上的栅极氧化层020及栅极021 ；位于所述栅极结构两侧衬底010内的源区/漏区031。具体地，公开号为CN101079376A的中国专利申请中提供一种所述栅极结构的形成方法。其中，栅极氧化层020位于衬底010和栅极021间，当器件尺寸缩小时，栅极氧化层020的厚度同时相应地变薄。然而，当厚度缩减到达某一程度时，栅极氧化层020因太薄而无法提供栅极021导电材料与位于其下方的衬底010足够的电学绝缘。更重要是，较薄的栅极氧化层020易于让后续注入的掺杂离子扩散到栅极氧化层020内，对栅极氧化层020 造成损伤，造成栅极氧化层020的漏电现象，进而降低半导体器件的电学性能。所以提高栅极氧化层质量，改善栅极氧化层的漏电现象至关重要。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种栅极氧化层的形成方法，提高栅极氧化层质量，改善栅极氧化层的漏电现象，提高半导体器件的电学性能。为解决上述问题，本发明提供一种栅极氧化层的形成方法，包括提供衬底，采用热氧化工艺在所述衬底上形成栅极氧化层，其中，所述热氧化工艺的反应气体至少包含有氧化亚氮。可选的，所述氧化亚氮的流量范围为Islm 20slm。可选的，所述热氧化工艺的反应气体为氧化亚氮。可选的，所述热氧化工艺的反应气体为氧化亚氮和氧气。可选的，所述热氧化工艺的反应气体为氧化亚氮、氧气和惰性气体。可选的，所述栅极氧化层的厚度范围为8埃 40埃。可选的，所述热氧化工艺为快速热氧化。可选的，所述热氧化工艺的温度范围为700 1100°C，腔室压力5 780托，反应时间约为5 60秒。可选的，还包括对部分所述栅极氧化层进行氮化。可选的，所述氮化为等离子体氮化或者热处理氮化。可选的，所述热处理氮化的气体为一氧化氮或者氨气。可选的，对所述栅极氧化层进行氮化后，还包括对所述栅极氧化层进行退火。
可选的，所述退火温度为900 1100°C。与现有技术相比，上述方案具有以下优点本发明通过热氧化工艺，在至少包含有氧化亚氮的气体中氧化生成栅极氧化层，使得所述栅极氧化层中具有微量或痕量的氮元素，所述氮元素可以阻止后续注入的掺杂离子扩散到栅极氧化层内，避免对栅极氧化层造成损伤，使得所述栅极氧化层具有良好的薄膜特性，改善栅极氧化层的漏电现象，提高半导体器件的电学性能。
图1为现有技术半导体器件形成方法结构示意图。图2为本发明一个实施例的栅极氧化层形成方法流程示意图。图3至图8为本发明一个实施例的栅极氧化层形成方法结构示意图。如图9为本发明和现有技术形成的NMOS晶体管的栅极氧化层的电性厚度和漏电流分布对比示意图。如图10为本发明和现有技术形成的PMOS晶体管的栅极氧化层的电性厚度和漏电流分布对比示意图。
具体实施例方式栅极氧化层位于衬底和栅极结构间，当器件尺寸缩小时，栅极氧化层的厚度同时相应地变薄。然而，当厚度缩减到达某一程度时，栅极氧化层因太薄而无法提供栅极导电材料与位于其下方的半导体衬底足够的电学绝缘。更重要是，较薄的栅极氧化层易于让注入的掺杂离子扩散到栅极氧化层内，对栅极氧化层造成损伤。针对上述发现，为提高栅极氧化层的薄膜特性，以改善后续的离子工艺对栅极氧化层的破坏现象，并降低栅极氧化层的漏电现象，发明人提供一种栅极氧化层的形成方法， 包括提供衬底，采用热氧化工艺在所述衬底上形成栅极氧化层，其中，所述热氧化工艺的反应气体至少包含有氧化亚氮。下面以栅极的形成方法为实施例，对本发明栅极氧化层的形成方法进行说明。如图2所示，为本发明一个实施例的栅极的形成方法，包括步骤Si,提供衬底，对所述衬底离子注入形成N型阱或P型阱，并对所述衬底进行预清洗；步骤S2，通过热氧化工艺，在所述衬底上形成栅极氧化层，所述热氧化工艺的反应气体至少包含有氧化亚氮；步骤S3，对位于所述衬底上的栅极氧化层进行氮化；步骤S4,对所述栅极氧化层进行退火；步骤S5，在所述栅极氧化层上形成多晶硅层；步骤S6，图案化刻蚀位于衬底上的多晶硅层和栅极氧化层，以形成栅极。为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式
做详细的说明。在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。图3至图8为本发明一个实施例的栅极氧化层的形成方法结构示意图。如图3所示，首先提供衬底200，所述衬底200为N型衬底或P型衬底，本实施例中，所述衬底为N型衬底。对所述衬底200进行离子注入工艺，在所述衬底200内形成N型阱或P型阱(未图示)，通过浅沟道隔离制程(STI)形成沟道(未图示)并填充隔离介质 210隔离出有源区。接着，采用稀释的氢氟酸(HF)溶液对衬底200进行预清洗，除掉衬底200表面的污染物和氧化层。如图4所示，通过热氧化工艺，在所述衬底200上形成栅极氧化层220，所述热氧化环境300至少包含有氧化亚氮。所述氧化亚氮的流量为Islm 20slm。所述热氧化工艺可以为蒸汽原位生成(situ stream-generated, ISSG)或者是快速热氧化工艺(RTO)，所述栅极氧化层220的厚度为8 40埃。本实施例中，所述热氧化工艺为快速热氧化工艺(RTO)。在RTO腔室内，利用照射器快速加热并干燥衬底200表面，以在氧气环境下形成栅极氧化层220。所述热氧化环境至少包含有氧化亚氮。所述热氧化环境的温度范围为700 1100°C，腔室压力为5 780托，反应时间约为5 60秒。本实施例中，所述热氧化工艺的反应气体为氧化亚氮，所述氧化亚氮的流量为IOslm，所述热氧化工艺的温度为800°C，腔室压力为50托，反应时间为30秒。作为其他实施例，所述热氧化工艺的反应气体还可以为氧化亚氮和氧气的混合气体，或者是氧化亚氮、氧气和惰性气体的混合气体。通过反应气体中的氧化亚氮对衬底200进行氧化，在所述衬底200上形成氧化硅作为栅极氧化层220，且所述栅极氧化层220上形成有微量或痕量的氮元素，所述氮元素可以阻止后续注入的掺杂离子扩散到栅极氧化层220内，对栅极氧化层220造成损伤，使得所述栅极氧化层220具有良好的薄膜特性，减小栅极氧化层220的漏电现象，降低栅极氧化层 220的漏电流值。作为其他实施例，所述衬底200的快速热氧化反应也可以利用湿法制程进行，如蒸汽原位生成(situ stream-generated, ISSG)，并伴随有例如总流速为1 20slm的含氧化亚氮的反应气体，所述反应气体可以为氧化亚氮、或者氧化亚氮和氧气的混合气体，或者是氧化亚氮和惰性气体的混合气体。本实施例中，所述热氧化环境的温度范围为700 1100°C，腔室压力为5 780托，反应时间约为5 60秒。如图5所示，在氮化环境310中，对位于衬底200上的栅极氧化层220进行氮化， 在所述栅极氧化层220内形成氮氧化硅。所述氮化为等离子体氮化或者热处理氮化。与具有相同厚度但没有氮氧化硅的栅极氧化层220比较，具有氮氧化硅的栅极氧化层220具有较大的电学绝缘能力。此外，氮氧化硅也具有阻止掺杂离子扩散到栅极氧化层220的能力。所述氮化工艺可以通过去耦合等离子体氮化(decoupled plasma nitridation， DPN)工艺完成，利用DPN工艺所形成的氮氧化硅可作为掺杂离子的阻障，因此在离子注入后的热处理步骤中，氮氧化硅将阻挡掺杂离子扩散至栅极氧化层220中。所述氮氧化硅可保持栅极氧化层220的电学绝缘特性以及防止电学效能降低的问题。尤其地，当工艺技术推进到60纳米以下技术门槛后，DPN工艺已成为制作半导体元件不可或缺的工艺技术。所述氮化工艺还可以为热处理氮化，以对所述栅极氧化层进行氮化，所述热处理
氮化的气体为一氧化氮或者氨气。如图6所示，在退火环境320中，对衬底200进行退火，退火的目的是消除膜层内部，包括栅极氧化层220的缺陷和内应力，减小电阻率。其原理是薄膜内的原子会在热作用下进行重新分布而使得缺陷消失。本实施例中，所述退火温度为900 1100°C。作为较佳实施例，氮化工艺与退火工艺在原位(in situ)机台的连续两个反应室中进行。这样可以节省将半导体器件从只能进行氮化工艺的设备传送到只能进行退火艺的设备的传送间隔时间。因此原位机台退火可提高产量，并满足在氮化工艺后与下一个工艺 (如多晶硅沉积)间的等待时间的限制。如图7所示，在所述氮化后的栅极氧化层220上形成多晶硅层M0，所述多晶硅 240形成方法可以为化学气相沉积法。如图8所示，对所述栅极氧化层220及多晶硅层240图案化，并依次刻蚀所述所述栅极氧化层220及多晶硅层M0，形成栅极。具体地，在所述多晶硅层240上形成图案化的光刻胶层(未图示)，以所述光刻胶层为掩膜，依次刻蚀所述所述栅极氧化层220及多晶硅层MO，形成栅极。本发明通过热氧化工艺，在至少包含有氧化亚氮的气体中氧化生成栅极氧化层 220，使得所述栅极氧化层220中具有微量或痕量的氮元素，所述氮元素可以阻止后续掺杂的离子，如源漏区的掺杂离子扩散到栅极氧化层220内，对栅极氧化层220造成损伤，使得所述栅极氧化层220具有良好的薄膜特性，改善栅极氧化层220的漏电现象，提高半导体器件的电学性能。为了进一步说明本发明技术方案的效果，发明人将本发明形成的半导体器件与现有技术形成的半导体器件的相关性能进行比较，具体如下表所示
权利要求
1.一种栅极氧化层的形成方法，其特征在于，包括提供衬底，采用热氧化工艺在所述衬底上形成栅极氧化层，其中，所述热氧化工艺的反应气体至少包含有氧化亚氮。
2.根据权利要求1所述栅极氧化层的形成方法，其特征在于，所述氧化亚氮的流量范围为 Islm 20slm。
3.根据权利要求2所述栅极氧化层的形成方法，其特征在于，所述热氧化工艺的反应气体为氧化亚氮。
4.根据权利要求2所述栅极氧化层的形成方法，其特征在于，所述热氧化工艺的反应气体为氧化亚氮和氧气。
5.根据权利要求2所述栅极氧化层的形成方法，其特征在于，所述热氧化工艺的反应气体为氧化亚氮、氧气和惰性气体。
6.根据权利要求1所述栅极氧化层的形成方法，其特征在于，所述栅极氧化层的厚度范围为8埃 40埃。
7.根据权利要求1所述栅极氧化层的形成方法，其特征在于，所述热氧化工艺为快速热氧化。
8.根据权利要求7所述栅极氧化层的形成方法，其特征在于，所述热氧化工艺的温度范围为700 1100°C，腔室压力5 780托，反应时间约为5 60秒。
9.根据权利要求1所述栅极氧化层的形成方法，其特征在于，还包括对部分所述栅极氧化层进行氮化。
10.根据权利要求9所述栅极氧化层的形成方法，其特征在于，所述氮化为等离子体氮化或者热处理氮化。
11.根据权利要求9所述栅极氧化层的形成方法，其特征在于，所述热处理氮化的气体为一氧化氮或者氨气。
12.根据权利要求9所述栅极氧化层的形成方法，其特征在于，对所述栅极氧化层进行氮化后，还包括对所述栅极氧化层进行退火。
13.根据权利要求12所述栅极氧化层的形成方法，其特征在于，所述退火温度为900 1100°C。
全文摘要
本发明提供一种栅极氧化层的形成方法，包括提供衬底，通过热氧化工艺，在所述衬底上形成栅极氧化层，其中，所述热氧化工艺的反应气体至少包含有氧化亚氮。本发明通过热氧化工艺，在至少包含有氧化亚氮的气体中通过氧化工艺生成栅极氧化层，使得所述栅极氧化层中具有微量或痕量的氮元素，所述氮元素可以阻止后续注入的掺杂离子扩散到栅极氧化层内，避免扩散至栅极氧化层内的掺杂离子对栅极氧化层造成损伤，使得所述栅极氧化层具有良好的薄膜特性，改善栅极氧化层的漏电现象，提高半导体器件的电学性能。
文档编号H01L21/28GK102543704SQ20101062056
公开日2012年7月4日 申请日期2010年12月31日 优先权日2010年12月31日
发明者何永根 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司