氮氧化硅绝缘结构及其制作方法
【专利摘要】本发明提供一种氮氧化硅绝缘结构及其制作方法，所述制作方法包括：提供硅衬底，在所述硅衬底上形成二氧化硅层；在所述二氧化硅层与硅衬底的界面形成第一氮氧化硅层；在所述二氧化硅层上方表面形成第二氮氧化硅层，所述第二氮氧化硅层的氮浓度高于第一氮氧化物硅层的氮浓度；进行退火工艺，对所述第二氮氧化硅层进行稳定处理，所述第二氮氧化硅层、二氧化硅层和第一氮氧化硅层构成所述氮氧化硅绝缘结构。本发明的氮氧化硅绝缘结构能够在防止硼扩散的同时，防止载流子的隧穿效应。
【专利说明】氮氧化硅绝缘结构及其制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体【技术领域】，特别涉及氮氧化硅绝缘结构及其制作方法。
【背景技术】
[0002]目前，二氧化硅是栅极绝缘层的主要材料，随着集成电路的集成度不断提高和关键尺寸不断减小，二氧化硅层的厚度越来越小。由于栅极绝缘层二氧化硅层变薄，栅电极的硼掺杂物容易穿透薄的二氧化硅层，以及容易发生载流子的隧穿效应。采用传统的纯二氧化硅层作为栅极绝缘层不再可行。为了克服上述问题，现有技术通常采用在二氧化硅层中掺氮，来降低掺杂物的扩散和提高其介电常数。
[0003]二氧化娃层掺氮后变为氮氧化娃层。一个氮原子周围会有三个娃原子，不同于一个氧周围有两个硅原子的二氧化硅结构，是一种致密稳定的结构，有效阻止硼扩散。氮氧化硅的介电常数会随着氮原子浓度的增加而增加，介于二氧化硅的3.8和氮化硅的7.9之间，使等效二氧化硅的厚度增大。
[0004]现有技术中利用氮氧化硅绝缘结构作为绝缘材料的制作方法有多种，第一种请结合图1所示的现有技术第一实施例的氮氧化硅绝缘结构示意图。现有技术利用在硅衬底10进行高温热氧化后获得二氧化硅层11，然后通入NO气体，在二氧化硅层11与硅衬底10的界面形成氮氧化硅层12，由于氮氧化硅层12主要形成在二氧化硅层11与硅衬底10的界面，二氧化硅层11的表面氮浓度较低或几乎没有，不利于防止硼扩散。或者现有技术利用硅衬底10获得二氧化硅层11，然后利用N2O气体，在二氧化硅层11与硅衬底10的界面形成氮氧化硅层12，利用该方法仍然无法解决二氧化硅层11表面氮浓度较低或几乎没有的问题，不利于防止硼扩散。
[0005]请参考图2所示现有技术第二实施例的氮氧化硅绝缘结构示意图。在硅衬底20上形成有二氧化硅层22，利用射频电压或电流，产生氮离子，在二氧化硅层22表面形成氮氧化硅层23，可有效提高二氧化硅层22表面的氮含量，但是无法改善二氧化硅层22与硅衬底20之间的载流子的隧穿效应。
[0006]因此，有必要对现有技术的氮氧化硅绝缘结构及其制作方法进行改进。
【发明内容】
[0007]本发明解决的问题是提供一种氮氧化硅绝缘结构及其制作方法，能够在防止硼扩散的同时，防止载流子的隧穿效应。
[0008]为解决上述问题，本发明提供一种氮氧化硅绝缘结构的制作方法，包括:
[0009]提供硅衬底，在所述硅衬底上形成二氧化硅层；
[0010]在所述二氧化硅层与硅衬底的界面形成第一氮氧化硅层；
[0011]在所述二氧化硅层上方表面形成第二氮氧化硅层，所述第二氮氧化硅层的氮浓度高于第一氮氧化物硅层的氮浓度；
[0012]进行退火工艺，对所述第二氮氧化硅层进行稳定处理，所述第二氮氧化硅层、二氧化娃层和第一氮氧化娃层构成所述氮氧化娃绝缘结构。
[0013]可选地，所述二氧化硅层利用低压自由氧化工艺制作。
[0014]可选地，所述低压自由氧化工艺采用的气体包括氢气和氧气。
[0015]可选地，所述低压自由氧化工艺的压力不超过lTorr。
[0016]可选地，所述第一氮氧化硅层利用掺氮工艺进行，所述掺氮工艺的温度范围为800-1000摄氏度。
[0017]可选地，所述掺氮工艺利用N20气体进行。
[0018]可选地，所述第二氮氧化硅层利用含氮的离子体与二氧化硅层的表面反应形成。
[0019]可选地，所述含氮的离子体利用氮气制作，所述含氮的离子体为氮离子。
[0020]可选地，所述氮离子利用射频电压或电流对氮气进行离子化形成。
[0021]可选地，形成所述第二氮氧化物硅层的压力范围为10-80mTorr。
[0022]可选地，所述退火工艺为快速热退火工艺，所述快速热退火工艺的温度范围为950-1050摄氏度。
[0023]相应地，本发明还提供一种氮氧化硅绝缘结构，包括:
[0024]硅衬底；
[0025]第一氮氧化硅层，位于所述硅衬底上；
[0026]二氧化硅层，位于所述第一氮氧化物硅层上；
[0027]第二氮氧化硅层，位于所述二氧化硅层上，所述第二氮氧化物硅层的氮浓度高于所述第一氮氧化硅层的氮浓度，所述第二氮氧化硅层、二氧化硅层和第一氮氧化硅层构成所述氮氧化硅绝缘结构。
[0028]与现有技术相比，本发明具有以下优点:
[0029]本发明在二氧化硅层与硅衬底之间形成第一氮氧化硅层，在二氧化硅层上形成第二氮氧化硅层，第二氮氧化硅层的氮含量高于第一氮氧化硅层的氮含量，在二氧化硅层与硅衬底之间的第一氮氧化硅层的氮含量低，可有效防止载流子的隧穿效应，而在二氧化硅层表面的第二氮氧化硅层的氮含量高，能有效防止硼扩散。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]图1是现有技术第一实施例的氮氧化硅绝缘结构示意图；
[0031]图2是现有技术第二实施例的氮氧化硅绝缘结构示意图；
[0032]图3是本发明一个实施例的氮氧化硅绝缘结构的制作方法方法流程示意图；
[0033]图4-图5是本发明一个实施例的氮氧化硅绝缘结构的制作方法剖面结构示意图。
【具体实施方式】
[0034]本发明解决的问题是提供一种氮氧化硅绝缘结构及其制作方法，能够在防止硼扩散的同时，防止载流子的隧穿效应。
[0035]为解决上述问题，本发明提供一种氮氧化硅绝缘结构的制作方法，请参考图3所示的本发明一个实施例的氮氧化硅绝缘结构的制作方法方法流程示意图，所述方法包括:
[0036]步骤SI，提供硅衬底，在所述硅衬底上形成二氧化硅层；
[0037]步骤S2，在所述二氧化硅层与硅衬底的界面形成第一氮氧化硅层；[0038]步骤S3，在所述二氧化硅层上方表面形成第二氮氧化硅层，所述第二氮氧化硅层的氮浓度高于第一氮氧化物硅层的氮浓度；
[0039]步骤S4，进行退火工艺，对所述第二氮氧化硅层进行稳定处理，所述第二氮氧化硅层、二氧化硅层和第一氮氧化硅层构成所述氮氧化硅绝缘结构。
[0040]下面结合具体实施例对本发明的技术方案进行详细的说明，请结合图4-图5所示的本发明一个实施例的氮氧化硅绝缘结构的制作方法剖面结构示意图。
[0041]首先，请参考图4，提供硅衬底100，在所述硅衬底100上形成二氧化硅层110。作为一个实施例，所述二氧化硅层利用低压自由氧化工艺制作。本实施例中，所述低压自由氧化工艺采用的气体包括氢气和氧气。作为优选的实施例，所述低压自由氧化工艺的压力不超过ITorr,比如所述低压自由氧化工资的压力可以为0.1Torr,0.35Torr,0.75Torr或ITorr,本领域技术人员可以根据实际需要进行具体设置。所述低压自由氧化工艺的温度范围为800-1000摄氏度。
[0042]然后，请继续参考图4，在所述二氧化硅层110与硅衬底100的界面形成第一氮氧化硅层120。所述第一氮氧化硅层利用掺氮工艺进行，所述掺氮工艺的温度范围为800-1000摄氏度。所述掺氮工艺利用N2O气体进行。所述N2O气体气体在常压下通入，在硅衬底100与二氧化硅层110之间形成第一氮氧化硅层120，其氮浓度比现有技术利用NO掺氮获得的氮氧化硅层的氮浓度低，可有效防止载流子的隧穿效应。
[0043]接着，请参考图5，在所述二氧化硅层110上方表面形成第二氮氧化硅层130，所述第二氮氧化硅层130的氮浓度高于第一氮氧化物硅层120的氮浓度。所述第二氮氧化硅层130利用含氮的离子体与二氧化硅层110的表面反应形成。作为一个实施例，所述含氮的离子体利用氮气制作，所述含氮的离子体为氮离子。所述氮离子利用射频电压或电流对氮气进行离子化形成。作为优选的实施例，形成所述第二氮氧化物硅层130的压力范围为10-80mTorr。氮离子与二氧化硅层110表面反应，在二氧化硅层110上表面形成浓度较高的第二氮氧化硅层130，可有效防止硼扩散。
[0044]最后，请继续参考图5，进行退火工艺，对所述第二氮氧化硅层130进行稳定处理，所述第二氮氧化硅层130、二氧化硅层110和第一氮氧化硅层120构成所述氮氧化硅绝缘结构。所述退火工艺为快速热退火工艺，所述快速热退火工艺的温度范围为950-1050摄氏度。经过所述快速热退火工艺，能使得第二氮氧化硅层130的氮浓度略降低，形成稳定的氮-硅键，使得第二氮氧化硅层130更加稳定。
[0045]基于上述制作方法形成的氮氧化娃绝缘结构,请参考图5所示,所述结构包括:
[0046]硅衬底100 ；
[0047]第一氮氧化娃层120,位于所述娃衬底100上；
[0048]二氧化硅层110，位于所述第一氮氧化物硅层120上；
[0049]第二氮氧化硅层130，位于所述二氧化硅层110上，所述第二氮氧化物硅层130的氮浓度高于所述第一氮氧化硅层120的氮浓度，所述第二氮氧化硅层130、二氧化硅层110和第一氮氧化硅层120构成所述氮氧化硅绝缘结构。
[0050]综上，本发明在二氧化硅层与硅衬底之间形成第一氮氧化硅层，在二氧化硅层上形成第二氮氧化硅层，第二氮氧化硅层的氮含量高于第一氮氧化硅层的氮含量，在二氧化硅层与硅衬底之间的第一氮氧化硅层的氮含量低，可有效防止载流子的隧穿效应，而在二氧化硅层表面的第二氮氧化硅层的氮含量高，能有效防止硼扩散。
[0051]因此，上述较佳实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种氮氧化硅绝缘结构的制作方法，其特征在于，包括: 提供硅衬底，在所述硅衬底上形成二氧化硅层； 在所述二氧化硅层与硅衬底的界面形成第一氮氧化硅层； 在所述二氧化硅层上方表面形成第二氮氧化硅层，所述第二氮氧化硅层的氮浓度高于第一氮氧化物硅层的氮浓度； 进行退火工艺，对所述第二氮氧化硅层进行稳定处理，所述第二氮氧化硅层、二氧化硅层和第一氮氧化硅层构成所述氮氧化硅绝缘结构。
2.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述二氧化硅层利用低压自由氧化工艺制作。
3.如权利要求2所述的制作方法，其特征在于，所述低压自由氧化工艺采用的气体包括氢气和氧气。
4.如权利要求2所述的制作方法，其特征在于，所述低压自由氧化工艺的压力不超过ITorr0
5.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述第一氮氧化硅层利用掺氮工艺进行，所述掺氮工艺的温度范围为800-1000摄氏度。
6.如权利要求5所述的制作方法，其特征在于，所述掺氮工艺利用N2O气体进行。
7.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述第二氮氧化硅层利用含氮的离子体与二氧化硅层的表面反应形成。
8.如权利要求7所述的制作方法，其特征在于，所述含氮的离子体利用氮气制作，所述含氮的离子体为氮离子。
9.如权利要求8所述的制作方法，其特征在于，所述氮离子利用射频电压或电流对氮气进行离子化形成。
10.如权利要求7所述的制作方法，其特征在于，形成所述第二氮氧化物硅层的压力范围为 10-80mTorr。
11.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述退火工艺为快速热退火工艺，所述快速热退火工艺的温度范围为950-1050摄氏度。
12.—种氮氧化硅绝缘结构，其特征在于，包括: 娃衬底； 第一氮氧化娃层，位于所述娃衬底上； 二氧化硅层，位于所述第一氮氧化物硅层上； 第二氮氧化硅层，位于所述二氧化硅层上，所述第二氮氧化物硅层的氮浓度高于所述第一氮氧化硅层的氮浓度，所述第二氮氧化硅层、二氧化硅层和第一氮氧化硅层构成所述氮氧化硅绝缘结构。
【文档编号】H01L29/51GK103489771SQ201310432056
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年9月22日 优先权日:2013年9月22日
【发明者】江润峰 申请人:上海华力微电子有限公司