专利名称：一种氮化氧化膜的制备方法
技术领域：
本发明技术属于微电子超深亚微米CMOS器件及超大规模集成技术领域，具体地说涉及一种超薄氮化氧化膜的制备方法，也适用于一个芯片上需要同时生长多种厚度的氮化氧化膜的制备。
本发明的主要步骤为1.LOCOS(局部氧化)隔离或STI(浅槽)隔离；2.清洗；3.注前氧化；4.注入14N+能量15-30Kev，剂量(1-5)×1014cm-2；5.漂净注前氧化膜；6.清洗先用上述各步骤中的传统方法清洗，再用HF/IPA(异丙醇)/H2O室温下浸泡，去离子水冲洗，甩干立即进炉；7.栅氧化大流量N2保护下550℃进舟，慢推，大流量N2保护；升温至700-900℃，N2恒温；同一温度下，N2/O2＝5∶1气氛氧化，氧化时间1-120分钟；N2气氛，700-900℃退火，15-60分钟；N2保护下降温至550℃，再在大流量N2保护下慢拉出舟；8.化学汽相沉积(LPCVD)多晶硅温度620℃，压力0.2乇，SiH4200sccm，Ar800sccm。
图1给出了氮(14N+)注入硅再氧化生成的强化氮化氧化膜氧化速率降低的百分比随氮注入剂量的变化。
图2(a)给出了氮注入硅再氧化法(以下简称为强化氮化法)生成的20强化氮化膜的高分辨率透射电子显微镜照片(HRTEM)。
图2(b)给出了氮注入硅再氧化法(以下简称为强化氮化法)生成的15强化氮化膜的高分辨率透射电子显微镜照片(HRTEM)。
图3为不同类型氮化氧化栅介质抗B穿透能力的比较。
图4为新清洗法与常规清洗法对硅表面粗糙度的影响比较a) 3#-1#-HF/H2Odip表面微粗糙度(RMS)0.117nm；(b)3#-1#-HF/IPA/H2Odip表面微粗糙度(RMS)0.053nm。
图5为强化氮化法生长的栅介质膜表面及其与Si的界面的原子力显微镜照片(a)氮化氧化栅表面，表面微粗糙度(RMS)0.052nm；(b)剥去氮化氧化栅，表面粗微糙度(RMS)0.057nm。
图6为沟道长度42nm的CMOS器件的ID-VD输出特性(a)NMOS；(b)PMOS。
图7为沟道长度42nm的器件的亚阈值特性(a)NMOS；(b)PMOS。
2.预氧化厚150，850℃，干O2，170分+N2，退火30分钟。
3.化学汽相沉积(LPCVD)Si3N4厚1300，780℃。
4.清洗3#液10分钟，1#液5分，H2O/HF(1/20)，漂15秒钟。
5.Si3N4退火800℃，N2，退火30分钟。
6.光刻有源区9912胶，1.2μm。
7.反应离子刻蚀Si3N4有源区留SiO280，功率150W，压力400mtor，CHF/SF6/He＝7sccm/30sccm/100sccm。
8.去胶清洗同步骤1硅片清洗。
9.场氧化1000℃，90分(H2+O2)，4700。
10.湿法腐蚀Si3N4H3PO4，160℃，1小时。
11.除去预氧化层H2O∶HF＝10∶1，漂净有源区SiO2。
12.清洗同步骤4。
13.注前氧化厚200，900℃，干O2，150分+N2退火30分。
14.注入14N+能量20Kev，剂量3×1014cm2。
15.漂净注前氧化膜用H2O/HF＝10∶1溶液按250漂。
16.清洗3#液清洗10分钟，1#液5分钟，HF/异丙醇(IPA)，室温下浸渍5分钟，去离子水冲15遍，甩干两遍，立即进炉。
17.栅氧化膜厚15，大流量N2保护下550℃进舟，慢推10分钟，防止自然氧化膜生成；大流量N2保护下升温50分钟至800℃，N2(5L/分)恒温10分钟，使生长温度稳定，并改善表面状态；800℃下氧化，N2/O2＝5∶1(N2＝5L/分，O2＝1L/分)，2.5分钟，以减速慢氧化速率，使膜生长更为致密、可控、重复性好；N2退火，800℃，30分钟，改善界面态和氮的分布；N2保护下降温50分钟至550℃，以降低应力；大流量N2保护下出舟，慢拉10分钟，以防止自然氧化膜生成。
18.化学汽相沉积(LPCVD)多晶硅2000，温度620℃，压力0.2乇，SiH4200sccm，Ar800sccm。
由图1可见，氮注入样品明显地降低了氧化速率，且随14N+注入剂量增加，氧化延迟效应越明显。减慢的氧化速率有利于膜的均匀性、致密性和重复性提高。
图2清楚地显示了新方法形成的氮氧化硅/硅界面非常平整、光滑，这对器件电学性能改善是十分有利的。研究表明NMOS电容中20的强化氮化氧化栅介质比21纯氧化栅介质有低的多的隧穿电流，15的强化氧化栅在1.2V和1.5V下的隧穿电流分别为5.65×10-2A/cm2和2.2×10-1A/cm2。同时表明PMOS电容中同样20的强化氮化氧化栅介质的隧穿电流比21的纯氧化硅的要好，特别在低场下。这是由于纯氧化样品的穿透引起了大的低场漏电。在1.2V和1.5V下，15强化氮化氧化栅介质的隧穿漏电流分别为1.67×10-3A/cm2和2.57×10-2A/cm2。
由图3可见，2.0nm氮化氧化栅介质PMOS电容的平带电压(VFB)随快速热退火(RTA)温度变化很缓慢，而同样厚度的纯SiO2栅介质PMOS电容的平带电压(VFB)随快速热退火温度漂移很厉害，且随快速热退火温度的变化很激烈，N2O退火样品次之，15强化氮化氧化样品比21N2O退火样品还要好。这充分表明本项技术有极好的防B穿透能力，这是由于N注入硅再氧化，除膜质好以外，其N浓度峰值离SiO2/Si界面较N2O退火样品要更接近表面，故有更强的对B的势垒阻挡作用。
同时实验表明，氧化前的清洗对改善硅表面的质量至关重要，原子力显微镜(AFM)分析表明，用HF/IPA/H2O漂洗比HF/H2O漂洗有好得多的表面微粗糙度，如图4所示。由图可见，用HF/H2O溶液清洗的硅表面为微粗糙度(RMS)为0.117nm，而用HF/IPA/H2O清洗的硅表面为粗糙度(RMS)为0.053nm，表面质量得到了成倍的改善。
为更进一步弄清楚氮注入硅再氧化方法的优越的原因，除对样品进行高分辨率透射显微镜(HRTEM)和二次离子质谱(SIMS)分析外，本发明对样品表面进行原子力显微镜(AFM)分析，分析其表面的微粗糙度，如图5所示。表明氮化氧化栅介质表面及它与Si之间的界面都有极小的微粗糙度(RMS)，表面及界面极光滑。
本发明制备的氮化氧化膜在纳米器件中应用的结果采用20强化氮化氧化栅介质沟道长度为42nm的高性能CMOS器件，在1.5V电源电压下，NMOS和PMOS的驱动电流Ion分别为745μA/μm和-530μA/μm，相应的NMOS和PMOS的关态电流Ioff分别为3.5nA/μm和-15nA/μm。NMOS和PMOS的亚阈值斜率分别为的分别为72mV/Dec和82mV/Dec。如图6和7所示。以上结果表明本方法形成的强化氮化氧化膜具有优良的特性，使器件的关态漏电流很小。
权利要求
1.一种氮化氧化膜的制备方法，主要步骤为·局部氧化隔离或浅槽隔离；·清洗；·注前氧化；·注入14N+能量15-30 Kev，剂量(1-5)×1014cm-2；·漂净注前氧化膜；·清洗先用上述各步骤中的传统方法清洗，再用氢氟酯/异丙醇/水＝(0.2-0.7)％/(0.01-0.04)％/1溶液室温下浸泡1-10分钟，去离子水冲洗，甩干立即进炉；·栅氧化大流量氮气保护下400-600℃进舟，慢推，大流量氮气保护；升温至700-900℃，氮气恒温；同一温度下，氮气/氧气＝3-7∶1气氛氧化，氧化时间1-120分钟；氮气气氛，700-900℃退火，15-60分钟；氮气保护下降温至550℃，再在大流量氮气保护下慢拉出舟；·化学汽相沉积多晶硅1600-2200，温度620℃，压力0.2乇，SiH4200sccm，Ar800sccm。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，注前氧化膜为200；
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述注入14N+的能量为20-22Kev，剂量3×1014cm-2。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述氢氟酯/异丙醇/水＝0.5％/0.02％/1％。
5.如权利要求1或4所述的制备方法，其特征在于，所述氢氟酯/异丙醇/水溶液室温下浸泡5分钟。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述栅氧化步骤为大流量氮气保护下550℃推舟10分钟；氮气保护下升温50分至800-830℃，氮气恒温10分钟；同一温度下，氮气/氧气＝5∶1气氛氧化，氧化时间2.5-4.5分钟；氮气气氛，800-830℃退火30分钟；氮气保护下降温50分钟至550℃，在大流量氮气保护下慢拉10分钟出舟；氮化氧化膜厚度为14-20。
7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述化学汽相沉积多晶硅为2000。
全文摘要
一种氮化氧化膜的制备方法，将氮离子注入到硅衬底中再氧化。步骤为在完成隔离的硅片上清洗后生长注前氧化膜，然后对有源区进行
文档编号H01L21/02GK1404113SQ0214723
公开日2003年3月19日 申请日期2002年10月18日 优先权日2002年10月18日
发明者徐秋霞, 侯瑞兵, 高文方, 韩郑生 申请人:中国科学院微电子中心