栅介质氧化层的制备方法
【专利摘要】本发明提供了一种栅介质氧化层的制备方法，所述栅介质氧化层的制备方法至少包括下列步骤：对基底执行热氧化操作和热处理操作，以形成具有稳定和均匀的目标厚度的二氧化硅栅氧化层；通过等离子体氮化技术对所述二氧化硅栅氧化层进行氮的注入，使二氧化硅中的部分氧原子由氮原子取代形成硅-氮键，从而将所述二氧化硅栅氧化层调整为具有一定氮浓度的硅氧氮化合物栅氧化层；通过低热预算的尖峰退火技术对所述硅氧氮化合物栅氧化层进行快速热退火处理，以修复晶格损伤并形成稳定硅-氮键。采用本发明的栅介质氧化层的制备方法能够解决现有技术的PNA高温退火工艺中的不足之处，且具有低热预算的特性。
【专利说明】栅介质氧化层的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种半导体制程，特别是涉及一种栅介质氧化层的制备方法。
【背景技术】
[0002]随着半导体器件制造工艺水平的不断提升，目前的主流硅片制造尺寸已经达到300mm,主流技术节点也进入45纳米制程,并且向着更先进的28/20纳米制程迈进。
[0003]超大规模集成电路(VLSI)和特大规模集成电路(ULSI)的快速发展，对器件加工技术提出更多的特殊要求，其中MOS器件特征尺寸进入纳米时代对栅氧化层的要求就是一个明显的挑战。栅氧化层的制备工艺是半导体制造工艺中的关键技术，直接影响和决定了器件的电学特性和可靠性。
[0004]MOSFET器件的关键性能指标是驱动电流，驱动电流的大小取决于栅极电容。栅极电容与栅极表面积成正比，与栅介质厚度成反比。因此，通过增加栅极表面积和降低栅介质厚度均可提高栅极电容，而降低栅介质厚度就变成推进MOSFET器件性能提高的首要手段。
[0005]但当半导体技术进入45纳米时代以来，传统单纯降低栅介质厚度的方法遇到了前所未有的挑战。因为栅介质厚度已经很薄(〈20A)，栅极漏电流中的隧道穿透机制已经起到主导作用。随着栅介质厚度的进一步降低，栅极漏电流也会以指数形式增长。栅介质厚度每降低2A，栅极漏电流就会增加10倍。另一方面，栅极、栅介质和硅衬底之间存在杂质的浓度梯度，随着栅介质厚度的不断降低，栅极里掺入的硼等杂质会从栅极中扩散到硅衬底中或者固定在栅介质中，这会影响器件的阈值电压，从而影响器件的性能。增加栅介质厚度可以有效抑制栅极漏电流和栅极中杂质的扩散，但是晶体管驱动电流、翻转延迟时间等关键性能也会大打折扣。这种驱动电流和栅极漏电对栅介质厚度要求上的矛盾，对于传统的栅介质而言是无法回避的。
[0006]已知的栅极电容公式如下:
[0007]C = e0KA/t
[0008]其中，C =栅极电容；e0 =在空气中的电容率；K =材料的介电常数;Α =栅极表面积；t =栅介质厚度
[0009]从前述公式中可知，栅极电容不仅取决于栅极表面积和栅介质厚度，还取决于栅介质的介电常数，故减少栅介质厚度不是提高栅极电容的唯一方法。即使栅介质厚度保持不变，提高栅介质的介电系数K也可达到降低EOT及增加栅极电容的效果。因此，如何提高栅介质的介电系数K成为了当务之急。
[0010]根据现有技术，提高栅介质的介电系数的方法大致有两大类:
[0011]第一类是采用全新的高介电系数的材料作为栅介质，如氮氧化铪硅(HfS1N)等。但采用全新材料涉及到栅极材料的选择，晶格常数的匹配及曝光蚀刻等一系列工艺集成问题，技术开发周期相对较长，不能立即满足45纳米技术的迫切需求。同时全新材料在技术上与以前工艺有较大差异，技术更新的成本过高。
[0012]另一大类则仍保持Si02作为栅介质，通过Si02氧化膜里掺入氮使之成为致密的S1N来提高栅介质的介电系数。因为传统栅介质Si02的介电系数K值是3.9，而纯的Si3N4的介电系数K值可达到7，通过掺杂氮的多少可以实现对S1N栅介质介电系数K值的调整。氮原子的掺入还能有效的抑制硼等栅极掺杂原子在栅介质中的扩散。同时，该方法仍然采用Si02作为栅介质的主体，因此有良好的连续性和兼容性。
[0013]目前业界通常有以下三种主要的方法可实现Si02中的氮掺杂以形成S1N:
[0014]第一种方法是在Si02生长过程中通入NO等含氮气体，从而在生长过程中直接掺入氮。但这种方法掺杂的氮均匀性很难控制，不能适应半导体生产的要求。
[0015]第二种方法是在Si02生长完成后，采用在N0/N20等含氮气体环境中进一步退火的办法掺杂氮。这种方法掺入的氮原子容易聚积在Si02和沟道的界面处，从而对沟道中载流子的迁移速度产生负面影响。
[0016]第三种方法是在Si02生长结束后，通过等离子体实现氮掺杂。该方法掺入的氮原子浓度高，深度上主要分布在栅介质的上表面而远离Si02/沟道界面，是目前半导体业界广泛使用的提高栅介质介电系数的方法。
[0017]请参阅图1，其中显示了现有技术的制备S1N栅氧化层的工艺流程示意图。如图所示，现有技术的制备S1N栅氧化层的工艺流程包括下列步骤:
[0018]步骤S10,采用原位水蒸汽氧化法(In-Situ Steam Generat1n, ISSG)生长 Si02介质层；
[0019]步骤S12,米用去f禹电衆氮化法(DecoupledPlasma Nitridat1n,DPN)向 Si02介质中惨杂氣；
[0020]步骤S14,采用后氮化退火法(Post Nitridat1n Anneal, PNA)高温退火工艺稳定氮掺杂及修复介质中的等离子体损伤。
[0021]在上述制备工艺中，由于栅介质中掺入的氮原子浓度高且主要分布在栅介质的上表面，因此对后续PNA高温退火工艺的温度、气体氛围和时间间隔必须严格控制，以防止本征氧化层和有机吸附而对氮掺杂造成的影响，同时，PNA高温退火工艺既容易造成表面氮原子的挥发，又能使氮原子获得能量而继续扩散，造成部分氮原子聚积在Si02/Si界面处，从而造成沟道中载流子的迁移速度下降，栅介质氧化物中固定电荷增加等一系列负面的影响。
【发明内容】
[0022]本发明要解决的技术问题在于提供一种栅介质氧化层的制备方法，其能够解决现有技术的PNA高温退火工艺中的不足之处，且具有低热预算的特性。
[0023]本发明提供了栅介质氧化层的制备方法，所述栅介质氧化层的制备方法至少包括下列步骤:步骤1，对基底执行热氧化操作和热处理操作，以形成具有稳定和均匀的目标厚度的二氧化硅栅氧化层；步骤2，通过等离子体氮化技术对所述二氧化硅栅氧化层进行氮的注入，使二氧化硅中的部分氧原子由氮原子取代形成硅-氮键，从而将所述二氧化硅栅氧化层调整为具有一定氮浓度的硅氧氮化合物栅氧化层；步骤3，通过低热预算的尖峰退火技术对所述硅氧氮化合物栅氧化层进行快速热退火处理，以修复晶格损伤并形成稳定娃-氮键。
[0024]与现有技术相比，本发明利用毫秒级或微秒级热退火技术对S1N栅氧化层表面进行高温(1400°c <T<1100°C )非晶化退火处理，以去除本征氧化层，防止有机物吸附和表面氮原子挥发，同时利用其快速(t> = 200 μ sec)无扩散的特点来消除氮原子向Si02/Si界面扩散和聚集的可能，避免了热缺陷和杂质再分布等不利因素，使得所制备的S1N栅氧化层不仅具有稳定的氮含量，而且还能有效抑制硼等掺杂原子在栅介质中的扩散，降低了MOS器件阈值电压漂移和不稳定的风险，改善了栅介质的可靠性。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]以下结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细的说明，以使本发明的特性和优点更为明显。
[0026]图1所示为现有技术的制备S1N栅氧化层的工艺流程示意图；
[0027]图2所示为本发明一个实施例的栅介质氧化层的工艺流程示意图。
【具体实施方式】
[0028]以下将对本发明的实施例给出详细的说明。尽管本发明将结合一些【具体实施方式】进行阐述和说明，但需要注意的是本发明并不仅仅只局限于这些实施方式。相反，对本发明进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
[0029]另外，为了更好的说明本发明，在下文的【具体实施方式】中给出了众多的具体细节。本领域技术人员将理解，没有这些具体细节，本发明同样可以实施。在另外一些实例中，对于大家熟知的方法、流程、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。
[0030]图2所示是本发明的栅介质氧化层的制备方法的工艺流程示意图。如图所示，本发明的栅介质氧化层的制备方法至少包括以下步骤:步骤S20，对基底执行热氧化操作和热处理操作，以形成具有目标厚度的Si02栅氧化层；步骤S22，通过等离子体氮化技术对所述Si02栅氧化层进行氮的注入，使Si02中的部分O原子由N原子取代形成S1-N键，从而将所述Si02栅氧化层调整为具有一定氮浓度的S1N栅氧化层；步骤S24，通过低热预算的尖峰退火技术对所述S1N栅氧化层进行快速热退火处理，以修复晶格损伤并形成稳定S1-N 键。
[0031]在一个实施例中，所述步骤1(即Si02栅氧化层的制备工艺)可以是快速热处理(Rapid Thermal Process,RTP)工艺和/或垂直炉管(Furnace)工艺。其中，RTP工艺可以是原位水蒸汽氧化方法(In-Situ Steam Generat1n, ISSG)和/或快速热氧化方法(RapidThermal Oxidat1n, RT0)。更详细地，ISSG工艺可以是氧化二氮ISSG (即反应气体为N20和H2)和/或氧化ISSG (即反应气体为02和H2)。
[0032]在一个实施例中，所述步骤2 (即S1N栅氧化层的氮化工艺)可以是去耦等离子体氮化(Decoupled Plasma Nitridat1n, DPN),远程等离子体氮化(Remote PlasmaNitridat1n, RPN)和/或垂直扩散设备的氮化(NO，N20或NH3等)。
[0033]在一个实施例中，所述步骤3中的低热预算(thermal budget)的尖峰退火技术包括毫秒级热退火技术和/或微秒级热退火技术。更详细地，所述的毫秒级热退火技术和/或微秒级热退火技术包括激光脉冲退火(Laser Spike Anneal, LSA,其波长10.6 μ m)、闪光灯退火(Flash Lamp Anneal, FLA,其波长0.5_0.8 μ m)以及二极管激光退火(D1deLaser Anneal, DLA,即波长0.8 μ m)工艺的其中之一。在一个例子中，所述的毫秒级热退火技术和/或微秒级热退火技术中，其工艺温度为1400°c〈T〈1100°C，反应时间为200 μ sec〈t〈0.lsec。
[0034]上文【具体实施方式】和附图仅为本发明之常用实施例。显然，在不脱离权利要求书所界定的本发明精神和发明范围的前提下可以有各种增补、修改和替换。本领域技术人员应该理解，本发明在实际应用中可根据具体的环境和工作要求在不背离发明准则的前提下在形式、结构、布局、比例、材料、元素、组件及其它方面有所变化。因此，在此披露之实施例仅用于说明而非限制，本发明之范围由后附权利要求及其合法等同物界定，而不限于此前之描述。
【权利要求】
1.一种栅介质氧化层的制备方法，其特征在于，所述栅介质氧化层的制备方法至少包含下列步骤: 步骤I，对基底执行热氧化操作和热处理操作，以形成具有稳定和均匀的目标厚度的二氧化硅栅氧化层； 步骤2，通过等离子体氮化技术对所述二氧化硅栅氧化层进行氮的注入，使二氧化硅中的部分氧原子由氮原子取代形成硅-氮键，从而将所述二氧化硅栅氧化层调整为具有一定氮浓度的硅氧氮化合物栅氧化层； 步骤3，通过低热预算的尖峰退火技术对所述硅氧氮化合物栅氧化层进行快速热退火处理，以修复晶格损伤并形成稳定硅-氮键。
2.根据权利要求1所述的栅介质氧化层的制备方法中，其特征在于，在所述步骤I可以是快速热处理工艺和/或垂直炉管工艺。
3.根据权利要求2所述的栅介质氧化层的制备方法中，其特征在于，所述快速热处理工艺可以是原位水蒸汽氧化方法和/或快速热氧化方法。
4.根据权利要求3所述的栅介质氧化层的制备方法中，其特征在于，所述原位水蒸汽氧化方法可以是氧化二氮化合物原位水蒸汽氧化方法和/或氧化原位水蒸汽氧化方法。
5.根据权利要求1所述的栅介质氧化层的制备方法中，其特征在于，所述步骤2可以是去耦等离子体氮化工艺、远程等离子体氮化工艺和/或垂直扩散设备的氮化处理工艺。
6.根据权利要求1所述的栅介质氧化层的制备方法中，其特征在于，所述步骤3中的低热预算的尖峰退火技术可以是毫秒级热退火技术和/或微秒级热退火技术。
7.根据权利要求6所述的栅介质氧化层的制备方法中，其特征在于，所述毫秒级热退火技术和/或微秒级热退火技术可以是激光脉冲式退火技术、闪光灯退火技术、和二极管激光退火技术其中之一。
8.根据权利要求7所述的栅介质氧化层的制备方法中，其特征在于，所述毫秒级热退火技术和/或微秒级热退火技术中，其工艺温度为1400°C〈T〈1100°C，反应时间为.200 μ sec〈t〈0.lsec。
【文档编号】H01L21/28GK104201098SQ201410491319
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年9月23日 优先权日:2014年9月23日
【发明者】张红伟 申请人:上海华力微电子有限公司