一种用于制备氮化栅极介质层的装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于制备氮化栅极介质层的装置及方法，通过对DPN工艺腔增设相配套的冷却单元，可在DPN工艺腔内部或外部将硅片冷却到-100～0℃，并在制备氮化栅极介质层时的DPN工艺前，对硅片进行冷却，使所述硅片可在低于室温的工艺温度下进行DPN工艺，因而降低了氮离子的扩散效应，使更多的氮离子聚集在二氧化硅介质层的上表面，能够打断更多的Si-O键来与氮离子键合，因此可以掺入更多的氮离子，提高等离子氮化栅极介质层的上表面氮含量，并因此提高了等效氧化物厚度，抑制了硼离子从栅极多晶硅扩散到栅氧中，实现既能降低漏电流密度，增加驱动电流，又能提供高的栅极电容，从而提高了器件的可靠性。
【专利说明】一种用于制备氮化栅极介质层的装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体集成电路制造设备及【技术领域】，更具体地，涉及一种用于制备氮化栅极介质层的装置及方法。
【背景技术】
[0002]集成电路是由数百万个基础构件所组成，而这些基础构件包括晶体管、电容器及电阻器。晶体管通常包括源极(Source)、漏极(Drain)以及栅极堆迭，而栅极堆迭的组成是先在衬底(硅)上方形成一介质层(通常为二氧化硅)，然后在介质层上覆盖一层作为电极的薄膜(如:多晶硅)。
[0003]随着超大规模集成电路(VLSI)和特大规模集成电路(ULSI)的飞速发展，MOS器件的尺寸不断地减小。为增加器件的反应速度、提高驱动电流与存储电容的容量，器件中二氧化硅栅极介质层的厚度不断地降低。
[0004]然而，随着二氧化硅栅极介质层厚度的降低，会出现一些降低器件性能的效应。例如，在形成薄介质层的情况下，由于隧道效应(tunneling effect),通常亦会出现栅极漏电流(gate leakage)升高的情形；硼掺杂(boron doped)的栅极电极中的硼会通过薄的二氧化硅栅极介质层渗透到下方的硅衬底，不仅会引起阈值电压的漂移，而且会对二氧化硅栅极介质层造成损伤和降低二氧化硅栅极介质层的可靠性；薄的二氧化硅栅极介质层容易受到热载流子伤害(hot carrier damage)的影响,移动穿过介质层的高能载流子则会伤害或破坏栅极；另外，薄的二氧化硅栅极介质层亦容易受到负偏压温度不稳定性(NBTI)的影响，其中阈值电压或驱动电流则会随着栅极的操作过程而漂移。
[0005]驱动电流和栅电容之间具有以下关系公式:
[0006]ID ?μ /Lg*Cox (VDD-VTH)2
[0007]Cox = kA/d
[0008]其中ID为驱动电流，μ为载流子迁移率，Lg为栅极长度，Cox为栅电容，Vdd为工作电压，Vth为阈值电压，k为栅极介质层介电常数，A为器件面积，d为栅极介质层厚度。
[0009]从上述公式可知，栅电容越大，驱动电流也越大；而栅极介质层介电常数越大，栅电容也越大。因此，需要寻找一种替代的栅极介质层材料，其不但要有足够厚的实际厚度来降低漏电流密度，而且能提供高的栅极电容以增加驱动电流。
[0010]为了达到上述目的，替代的栅极介质层材料所具有的介电常数需要高于二氧化硅的介电常数。一种解决方法是将氮注入二氧化硅层中以形成氮氧化硅(S1xNy)栅极介质层，氮氧化硅层既能够阻止硼渗透至下方的硅衬底中，又能够提高了栅极介质层的介电常数，进而允许使用较厚的介电层。
[0011]近年来,等离子氮化(Decoupled Plasma Nitridat1n,DPN)被用于氮化栅极氧化层的制备，该技术能够在多晶硅栅极/氧化层界面获得高的氮含量，从而防止硼渗透至氧化物介质层中。其具体工艺由三步组成:
[0012]I)在硅衬底上生长S12介质层；
[0013]2)采用DPN工艺向S12介质中掺杂氮，工艺温度为室温；
[0014]3)采用PNA (Post Nitridat1n Anneal)高温退火工艺稳定氮掺杂及修复介质中的等离子体损伤。
[0015]其中，上述DPN工艺中所需的设备如图1所示，图1是现有的一种DPN工艺腔的结构示意图。DPN工艺腔例如可以是美国应用材料公司的商用DPN设备。在DPN工艺腔I内设有一基座2，用于放置硅片，DPN工艺腔I提供氮气等离子体，在工艺腔内的室温条件下向娃衬底上的S12介质中掺杂氮。
[0016]但是，采用上述现有的DPN工艺，在多晶硅栅极/S12氧化层界面获得的氮含量还是不够高，不足以降低氧化物的等效厚度，因此，不能有效降低栅极漏电及增加驱动电流。究其原因，是由于现有的DPN工艺是在室温条件下进行的，由于在室温条件下，氮离子的扩散效应相对较高，使得较多的氮离子得以向S12氧化层的深处继续扩散，造成氮离子难以更多地在多晶硅栅极/3102氧化层界面聚集，因而降低了多晶硅栅极/5102氧化层界面的氮含量，无法有效阻止硼离子的渗透，使得氧化物的等效厚度未能得到有效降低，以致不能有效降低栅极漏电及增加驱动电流。
[0017]同时，现有的DPN工艺腔也无法提供不同于室温的工艺温度，只能在室温条件下进行氮掺杂。在现有的设备状况下，虽然也可以通过增加DPN工艺时间或功率的方式来提高氮含量，但是通过这种方式来提高氮含量的副作用是会增加氮原子对栅氧/硅的界面的损伤，而这种损伤即使通过后续的PNA退火工艺也无法修复。理论上，氮含量是越高越好，可以降低氧化物等效厚度(即在相同的等效氧化物厚度下，可以具有较高的物理厚度)。但是采用现有的DPN工艺腔和室温工艺，获得的氮含量越高，氮掺入时形成的损伤也将越难于修复。
【发明内容】
[0018]本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种用于制备氮化栅极介质层的装置及方法，通过对DPN工艺腔增设相配套的冷却单元，在制备氮化栅极介质层时的DPN工艺前，对硅片进行冷却，使所述硅片在低于室温的工艺温度下进行DPN工艺，可获得近表面具有高氮含量的栅极氮氧化硅介质层，实现提高等效氧化物厚度，有效降低栅极漏电及增加驱动电流。
[0019]为实现上述目的，本发明提供一种用于制备氮化栅极介质层的装置及方法的技术方案如下:
[0020]一种用于制备氮化栅极介质层的装置，包括DPN工艺腔，所述DPN工艺腔内设有第一基座，用于放置硅片，所述第一基座连接冷却单元，所述冷却单元提供低于室温的冷却介质，对所述第一基座及其放置的所述硅片进行冷却，以在制备氮化栅极介质层时，使所述硅片在低于室温的工艺温度下进行DPN工艺。
[0021]优选地，还包括第二基座，设于所述DPN工艺腔外，用于放置等待进行DPN工艺的硅片，所述冷却单元连接所述第二基座，并提供低于室温的冷却介质，对所述第二基座及其放置的所述硅片进行冷却，在制备氮化栅极介质层时，将经过冷却后的所述硅片从所述第二基座移入所述DPN工艺腔，使所述硅片在所述第一基座上处于低于室温的工艺温度状态进行DPN工艺。
[0022]优选地，所述冷却单元包括制冷机组和冷却管路，所述制冷机组通过所述冷却管路连接所述基座，并通过向所述冷却管路通入循环冷却介质，对所述基座及其放置的所述娃片进行冷却。
[0023]优选地，所述冷却管路连接所述基座的下端面，并在所述基座的下端面形成盘管状与所述基座相贴合。
[0024]优选地，所述冷却单元通过所述冷却介质向所述基座提供-100?0°C的冷却温度。
[0025]优选地，所述冷却介质为液氮或氟化液。
[0026]一种用于制备氮化栅极介质层的方法，包括:
[0027]步骤一:提供一半导体硅片，经过酸槽清洗后，采用原位水蒸汽氧化或炉管氧化方法生长二氧化硅栅极介质层；
[0028]步骤二:对所述硅片进行冷却，使所述硅片具有低于室温的工艺温度；
[0029]步骤三:利用一 DPN工艺腔，对经过冷却后的所述硅片采用氮气等离子体向所述二氧化硅栅极介质层中掺杂氮，以获得近表面具有高氮含量的栅极氮氧化硅介质层；
[0030]步骤四:采用PNA工艺，对所述硅片进行高温退火，以稳定氮掺杂及修复所述二氧化硅栅极介质中的等离子体损伤。
[0031]优选地，所述硅片的冷却温度为-100?0°C。
[0032]优选地，所述硅片的冷却时间为I?20分钟。
[0033]优选地，在所述DPN工艺腔内部或外部对所述硅片进行冷却。
[0034]从上述技术方案可以看出，本发明通过对DPN工艺腔增设相配套的冷却单元，可在DPN工艺腔内部或外部将硅片冷却到-100?O°C，并在制备氮化栅极介质层时的DPN工艺前，对硅片进行冷却，使所述硅片可在低于室温的工艺温度下进行DPN工艺；由于硅片经过预冷却，因而在DPN工艺时降低了氮离子的扩散效应，使更多的氮离子聚集在二氧化硅介质层的上表面，能够打断更多的S1-O键来与氮离子键合，因此可以掺入更多的氮离子，提高等离子氮化栅极介质层的上表面氮含量，获得近表面具有高氮含量的栅极氮氧化硅介质层，并因此提高了等效氧化物厚度，抑制了硼离子从栅极多晶硅扩散到栅氧中。本发明既能降低漏电流密度，增加驱动电流，又能提供高的栅极电容，从而提高了器件的可靠性。
【专利附图】
【附图说明】
[0035]图1是现有的一种DPN工艺腔的结构示意图；
[0036]图2是本发明一实施例的一种用于制备氮化栅极介质层的装置的结构示意图；
[0037]图3是本发明另一实施例的一种用于制备氮化栅极介质层的装置的结构示意图。
【具体实施方式】
[0038]下面结合附图，对本发明的【具体实施方式】作进一步的详细说明。
[0039]需要说明的是，在下述的【具体实施方式】中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。
[0040]在本发明的下述【具体实施方式】中，先请参阅图2，图2是本发明一实施例的一种用于制备氮化栅极介质层的装置的结构示意图。如图2所示，本发明的用于制备氮化栅极介质层的装置包括一 DPN工艺腔1，DPN工艺腔可采用现有的商用DPN设备，例如可以采用美国应用材料公司的商用DPN设备。本发明是对现有DPN设备的改进，工艺腔是DPN设备的组成部分。在DPN工艺腔I内设有第一基座2，用于放置硅片3。在制备氮化栅极介质层时，其中一个工艺步骤是对硅片3衬底上的二氧化硅栅极介质层采用DPN工艺腔I进行掺杂氮。DPN工艺腔I提供受激发的氮气等离子体，向所述硅片3上的二氧化硅栅极介质层中进行氮的掺杂，以在多晶硅栅极/氧化层界面获得高的氮含量，从而防止硼渗透至氧化物介质层中。
[0041]请继续参阅图2。所述第一基座2与一冷却单元4?6相连接。所述冷却单元4?6可向所述第一基座2提供低于室温的冷却介质，并在DPN工艺前，对所述第一基座2及其放置的所述硅片3进行冷却，以在制备氮化栅极介质层时，使所述硅片3在低于室温的工艺温度下进行DPN工艺。
[0042]请继续参阅图2。所述冷却单元4?6包括制冷机组6和冷却管路5、4，所述制冷机组6通过所述冷却管路5、4连接至所述第一基座2。所述冷却管路5、4是循环管路，所述制冷机组6可通过所述冷却管路5、4的入口(图示省略)向所述冷却管路5、4通入经过冷却的冷却介质，冷却介质经过所述冷却管路5、4的循环后，从出口(图示省略)回到所述制冷机组6，所述制冷机组6对冷却介质再次进行冷却，并循环往复地对所述第一基座2及其放置的所述硅片3进行冷却。
[0043]请继续参阅图2。可选地，所述冷却管路5、4连接在所述第一基座2的下端面；优选地，所述冷却管路5、4在位于所述第一基座2的部位可形成螺旋盘管4状，并与所述第一基座2的下端面相贴合，可增加冷却面积，起到对第一基座2均匀良好的冷却效果。作为其他可选形式，所述冷却管路在位于所述第一基座的部位也可以形成整体的冷却盘形态结构与所述第一基座相贴合进行冷却，还可以形成冷却浴槽的形态结构，使所述第一基座的下端浸没在浴槽的冷却介质中进行冷却。
[0044]作为本发明的一可选实施例，请参阅图3,图3是本发明另一实施例的一种用于制备氮化栅极介质层的装置的结构示意图。如图3所示，在DPN工艺腔I外还设有第二基座7。所述第二基座7作为一个预备部件，用于放置在DPN工艺腔I外等待进行DPN工艺的硅片3。所述第二基座7可与DPN工艺腔I固定连接安装。为了保证设备的利用率，工艺生产最好不要产生停滞。当DPN工艺腔I内正在进行DPN工艺时，预先在DPN工艺腔I外准备好已冷却的下一个硅片3，可以在前一个硅片工艺结束后，立即对下一个硅片3进行DPN工艺。也可以在DPN机台另外设计一个冷却副腔，将所述第二基座安装在冷却副腔内，冷却副腔与DPN工艺腔之间可通过自动传输系统进行硅片的输送。
[0045]请继续参阅图3。在上述情况下，所述冷却单元4?6就不再与DPN工艺腔I内的所述第一基座2连接，而是连接所述第二基座7。所述冷却单元4?6可向所述第二基座7提供低于室温的冷却介质，并在DPN工艺前，对所述第二基座7及其放置的等待进行DPN工艺的所述硅片3进行冷却。在制备氮化栅极介质层时，将经过冷却后的所述硅片3从所述第二基座7移入所述DPN工艺腔1，并放置在所述第一基座2上，使所述硅片3在所述第一基座2上处于低于室温的工艺温度状态进行DPN工艺。
[0046]请继续参阅图3。在上述情况下，具体来说，也就是所述冷却单元4?6的所述制冷机组6通过所述冷却管路5、4连接至所述第二基座7。所述冷却管路5、4是循环管路，所述制冷机组6可通过所述冷却管路5、4的入口(图示省略)向所述冷却管路5、4通入经过冷却的冷却介质，冷却介质经过所述冷却管路5、4的循环后，从出口(图示省略)回到所述制冷机组6，所述制冷机组6对冷却介质再次进行冷却，并循环往复地对所述第二基座7及其放置的所述硅片3进行冷却。
[0047]请继续参阅图3。可选地，所述冷却管路5、4连接在所述第二基座7的下端面；优选地，所述冷却管路5、4在位于所述第二基座7的部位可形成螺旋盘管4状，并与所述第二基座7的下端面相贴合，可增加冷却面积，起到对第二基座7均匀良好的冷却效果。作为其他可选形式，所述冷却管路在位于所述第二基座的部位也可以形成整体的冷却盘形态结构与所述第二基座相贴合进行冷却，还可以形成冷却浴槽的形态结构，使所述第二基座的下端浸没在浴槽的冷却介质中进行冷却。
[0048]作为另一可选实施例，所述第二基座7及与其连接配合提供冷却的所述冷却单元4?6可在所述DPN工艺腔I外设置多套。可以根据DPN工艺的需要，对不同的基座提供区别的冷却温度进行冷却，使各个基座上分别放置的硅片具有各自所需的工艺温度；并通过对各个硅片冷却时间的调节，使不同的硅片之间按照一定的冷却次序进行冷却。这样可以提高工艺效率，并节约能源消耗。
[0049]上述冷却单元4?6(即所述制冷机组6)可提供经过冷却的-100?0°C的冷却介质，并向所述冷却管路5、4通入冷却介质，通过所述冷却介质向所述基座2或7提供-100?0°C的冷却温度，可使所述基座2或7及硅片3被冷却到-100?0°C的DPN工艺温度。优选地，所述冷却介质可为液氮或氟化液，可以被冷却至零下的温度成为流动性良好的液体状，通过所述冷却管路5、4与所述基座2或7的贴合，充分进行热能传导，因而具有优良的制冷效果。所述制冷机组6可选用现有的商用设备来实现，例如可采用德国劳达公司(Niki Lauda company)的制冷机(Chiller)或 ATS 公司(Advanced Thermal Sciencescorporat1n, ATS)的制冷机，可控温度范围为零下100至(TC，控温精度小于+/_1°C。
[0050]如果将所述冷却单元4?6的温控模块与DPN设备的控制系统相连并耦合，可实现在DPN工艺过程中对硅片冷却的一体化自动控制作业。
[0051 ] 本发明的下述【具体实施方式】还提供了一种用于制备氮化栅极介质层的方法，包括以下步骤:
[0052]步骤一:提供一半导体硅片，经过酸槽清洗后，采用原位水蒸汽氧化(In-SituSteam Generat1n:1SSG)或炉管氧化(Furnace Oxidat1n)方法生长二氧化娃栅极介质层。
[0053]在步骤一中，不限于上述方法生长二氧化硅栅极介质层。
[0054]步骤二:对所述硅片进行冷却，使所述硅片具有低于室温的工艺温度。
[0055]作为一可选的实施例，所述硅片的冷却温度为-100?0°C，即将所述硅片冷却至-100 ?(TC。
[0056]作为另一可选的实施例，对所述娃片的冷却时间控制在I?20分钟,将所述娃片冷却至-100?(TC。
[0057]步骤三:利用一 DPN工艺腔，对经过冷却后的所述硅片采用氮气等离子体向所述二氧化硅栅极介质层中掺杂氮，以获得近表面具有高氮含量的栅极氮氧化硅介质层。
[0058]可选地，对所述硅片的冷却，可以在上述图2所示的所述DPN工艺腔I的内部进行。例如，可通过将DPN工艺腔I内放置硅片3的基座2与一冷却单元4?6连接，通过冷却单元4?6对基座2进行冷却，使基座2上放置的硅片3同时被冷却，并通过控制冷却温度及时间，将硅片3冷却至预定的工艺温度后进行DPN工艺。
[0059]也可以在上述图3所示的所述DPN工艺腔I的外部对所述硅片3进行冷却。例如，可在DPN工艺腔I外部设置相配合的另一个基座7作为一个预备部件，用于放置在DPN工艺腔I外等待进行DPN工艺的硅片3。为了保证设备的利用率，工艺生产最好不要产生停滞。当DPN工艺腔I内正在进行DPN工艺时，预先在DPN工艺腔I外准备好已冷却的下一个硅片3，可以在前一个硅片工艺结束后，立即对下一个硅片3进行DPN工艺。在此情况下，将冷却单元4?6连接该DPN工艺腔I外的另一个基座7，并在DPN工艺前，对该基座7及其放置的等待进行DPN工艺的硅片3进行冷却。在制备氮化栅极介质层时，将经过冷却后的硅片3从该基座7移入所述DPN工艺腔1，并放置在DPN工艺腔I内的基座2上，使硅片3在腔内基座2上处于低于室温的工艺温度状态进行DPN工艺。
[0060]步骤四:采用PNA工艺，对所述硅片进行高温退火，以稳定氮掺杂及修复所述二氧化硅栅极介质中的等离子体损伤。
[0061]上述本发明的用于制备氮化栅极介质层的方法与现有技术的主要区别点在于在DPN工艺前，对硅片进行预冷，并将硅片冷却至室温以下，避免按照现有技术的方式在室温状态进行DPN工艺。由于硅片经过预冷却，掺入的N离子对二氧化硅栅极介质的非晶化效果将高于室温条件的效果，在相同功率(Power)和占空比(Duty Cycle)条件下,不仅可降低N离子的扩散效应，来使掺入的N离子的峰值更接近二氧化硅栅极介质层的表面，而且可提供更多的Si离子来与N离子键合。因此，得以通过增加DPN步骤的工艺时间或功率来掺入更多的N离子，以进一步提高氮含量。
[0062]综上所述，本发明通过在DPN工艺腔内部或外部增设相配套的冷却单元，可在DPN工艺腔内部或外部将硅片冷却到-100?(TC，并在制备氮化栅极介质层时的DPN工艺前，对硅片进行冷却，使所述硅片可在低于室温的工艺温度下进行DPN工艺。由于硅片经过预冷却，因而在DPN工艺时降低了氮离子的扩散效应，使更多的氮离子聚集在二氧化硅介质层的上表面，能够打断更多的S1-O键来与氮离子键合，因此可以掺入更多的氮离子，提高等离子氮化栅极介质层的上表面氮含量，获得近表面具有高氮含量的栅极氮氧化硅介质层，并因此提高了等效氧化物厚度，抑制了硼离子从栅极多晶硅扩散到栅氧中。因此，采用本发明既能降低漏电流密度，增加驱动电流，又能提供高的栅极电容，从而提高了器件的可靠性。
[0063]以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。
【权利要求】
1.一种用于制备氮化栅极介质层的装置，包括DPN工艺腔，所述DPN工艺腔内设有第一基座，用于放置硅片，其特征在于，所述第一基座连接冷却单元，所述冷却单元提供低于室温的冷却介质，对所述第一基座及其放置的所述硅片进行冷却，以在制备氮化栅极介质层时，使所述硅片在低于室温的工艺温度下进行DPN工艺。
2.根据权利要求1所述的用于制备氮化栅极介质层的装置，其特征在于，还包括第二基座，设于所述DPN工艺腔外，用于放置等待进行DPN工艺的硅片，所述冷却单元连接所述第二基座，并提供低于室温的冷却介质，对所述第二基座及其放置的所述硅片进行冷却，在制备氮化栅极介质层时，将经过冷却后的所述硅片从所述第二基座移入所述DPN工艺腔，使所述硅片在所述第一基座上处于低于室温的工艺温度状态进行DPN工艺。
3.根据权利要求1或2所述的用于制备氮化栅极介质层的装置，其特征在于，所述冷却单元包括制冷机组和冷却管路，所述制冷机组通过所述冷却管路连接所述基座，并通过向所述冷却管路通入循环冷却介质，对所述基座及其放置的所述硅片进行冷却。
4.根据权利要求3所述的用于制备氮化栅极介质层的装置，其特征在于，所述冷却管路连接所述基座的下端面，并在所述基座的下端面形成盘管状与所述基座相贴合。
5.根据权利要求1或2所述的用于制备氮化栅极介质层的装置，其特征在于，所述冷却单元通过所述冷却介质向所述基座提供-100?o°c的冷却温度。
6.根据权利要求1或2所述的用于制备氮化栅极介质层的装置，其特征在于，所述冷却介质为液氮或氟化液。
7.一种用于制备氮化栅极介质层的方法，其特征在于，包括: 步骤一:提供一半导体硅片，经过酸槽清洗后，采用原位水蒸汽氧化或炉管氧化方法生长二氧化硅栅极介质层； 步骤二:对所述硅片进行冷却，使所述硅片具有低于室温的工艺温度； 步骤三:利用一 DPN工艺腔，对经过冷却后的所述硅片采用氮气等离子体向所述二氧化硅栅极介质层中掺杂氮，以获得近表面具有高氮含量的栅极氮氧化硅介质层； 步骤四:采用PNA工艺，对所述硅片进行高温退火，以稳定氮掺杂及修复所述二氧化硅栅极介质中的等离子体损伤。
8.根据权利要求7所述的用于制备氮化栅极介质层的方法，其特征在于，所述硅片的冷却温度为-100?(TC。
9.根据权利要求7或8所述的用于制备氮化栅极介质层的方法，其特征在于，所述硅片的冷却时间为I?20分钟。
10.根据权利要求7所述的用于制备氮化栅极介质层的方法，其特征在于，在所述DPN工艺腔内部或外部对所述硅片进行冷却。
【文档编号】H01L21/67GK104392948SQ201410686538
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年11月25日 优先权日:2014年11月25日
【发明者】肖天金, 邱裕明 申请人:上海华力微电子有限公司