專利名稱：改善硅介質(zhì)界面的均勻性和降低表面粗糙度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及改善硅和氧化硅界面的硅表面均勻性和降低表面粗糙度的方法。
(2)背景技術(shù)隨著器件尺寸的減小，柵氧化物的厚度降低到小于2nm。在這種厚度范圍內(nèi)，表面粗糙度和不均勻性對(duì)于器件特性有顯著的影響。圖1表示一種典型的MOS晶體管。如前所述，柵介質(zhì)(gate dielectric)20的厚度能夠小于2nm。對(duì)于大部分MOS晶體管來說，柵介質(zhì)20包括在硅表面上形成的氧化硅。柵極30、側(cè)壁構(gòu)造40、漏極區(qū)域50和源極區(qū)域60也構(gòu)成MOS晶體管。使用標(biāo)準(zhǔn)的眾所周知的工藝技術(shù)能夠形成圖1所示的MOS晶體管。在動(dòng)作中，將適當(dāng)?shù)碾妷菏┘釉跂艠O30、漏極50、源極60和襯底區(qū)域10上，以便形成耗盡型區(qū)域70和反轉(zhuǎn)(inversion)區(qū)域80。反轉(zhuǎn)區(qū)域80形成在硅襯底/柵介質(zhì)界面90上形，并具有自由載流子。正是由于這些反轉(zhuǎn)區(qū)域80中的自由載流子從源極區(qū)域60到漏極區(qū)域50的運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致產(chǎn)生晶體管的漏/源電流。對(duì)于給定的施加電壓所產(chǎn)生的晶體管電流量，依賴于這些自由載流子流過反轉(zhuǎn)區(qū)域80的比例。
圖2表示用于說明圖1中部分100的硅襯底/柵介質(zhì)界面的放大圖。其中，硅襯底/柵介質(zhì)界面90不是光滑的，而是以階梯狀畫出的粗糙的界面。自由載流子在流過反轉(zhuǎn)區(qū)域時(shí)，在這種反轉(zhuǎn)區(qū)域110中與這些階梯(或者表面粗糙度)碰撞。這些碰撞阻礙了載流子110的流動(dòng)。在薄柵介質(zhì)(即小于2nm)的場合，由于存在于反轉(zhuǎn)區(qū)域80中的使得自由載流子110撞擊界面90的高電場而加強(qiáng)這些碰撞。此外，由于存在表面粗糙度，導(dǎo)致柵介質(zhì)層20的厚度不均勻。隨著柵介質(zhì)層的厚度減小，這種不均勻性變得越來越重要。
在<100>硅表面上實(shí)現(xiàn)原子量級(jí)上的平坦表面是極其困難的，并且隨著圓片直徑的增加而變得更加具有挑戰(zhàn)性。因此，需要一種方法來產(chǎn)生原子量級(jí)上的平坦的硅襯底/柵介質(zhì)界面。
(3)發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供用于在硅襯底和介質(zhì)層之間形成原子量級(jí)上的平滑界面的方法。在形成介質(zhì)層前，在硅襯底的表面上形成薄非晶區(qū)域。使用眾所周知的熱生長或者薄膜淀積技術(shù)，形成介質(zhì)層。特別，這種方法包括提供具有上表面的硅襯底，通過將所述上表面暴露在鹵核素(halogen species)中，在所述上表面形成非晶區(qū)域，并在所述非晶區(qū)域上形成介質(zhì)層。
(4)


為了更加完整地理解本發(fā)明及其優(yōu)點(diǎn)，下面參照附圖進(jìn)行說明，其中相同的參照標(biāo)號(hào)表示相同的特征。
圖1表示一種典型的MOS晶體管的剖視圖。
圖2表示圖1所示的MOS晶體管的硅襯底/柵介質(zhì)界面的部分放大剖視圖。
圖3表示用于說明本發(fā)明方法的流程圖。
圖4表示形成非晶區(qū)域的硅襯底區(qū)域部分的剖視圖。
圖5表示形成在圖4的剖視部分上的非晶區(qū)域的剖視圖。
圖6表示形成在圖5的剖視部分上的柵介質(zhì)層的剖視圖。
圖7(a)表示按照已知的方法形成硅/氧化硅界面的TEM微觀圖。
圖7(b)表示按照本發(fā)明的方法形成硅/氧化硅界面的TEM微觀圖。
(5)具體實(shí)施方式
下面，參照附圖對(duì)實(shí)施本發(fā)明的最佳實(shí)施形態(tài)進(jìn)行說明。
實(shí)施例1本發(fā)明包括在形成介質(zhì)層前，在硅表面上形成非晶區(qū)域。如圖2所示，形成非晶區(qū)域能夠消除如圖2所示的表面粗糙性。形成形成非晶區(qū)域的方法包括將裸露的硅表面暴露在鹵核素中。下面，將參照MOS晶體管進(jìn)行描述。應(yīng)該注意到能將在硅襯底表面和介質(zhì)層之間形成平滑的界面的方法，用于需要這種界面的任何半導(dǎo)體器件中。
圖3表示用于說明本發(fā)明方法概略的流程圖。在形成包含MOS晶體管的集成電路中，在形成包括MOS晶體管的柵極的介質(zhì)層前，執(zhí)行一些已知的工藝步驟，這些工藝步驟包括隔離形成、n-阱形成和p-阱形成，但并不受此限制。圖4表示包含介質(zhì)隔離結(jié)構(gòu)140、各種n-阱區(qū)域150和p-阱區(qū)域160的硅襯底10的剖視圖。在這種硅襯底10上形成柵介質(zhì)層。如圖3所示，本發(fā)明的方法的第1步是從硅襯底表面170去除任何薄介質(zhì)層。在大部分情況下，這種薄介質(zhì)層包括氧化硅。除氧化硅外，在表面170上還可以有包括氮化硅和氮氧化硅的其它的介質(zhì)膜。在氧化硅的場合，能用濕式或者干式的方法去除薄介質(zhì)膜。在本發(fā)明的實(shí)施例中，使用稀釋HF溶液能去除氧化硅膜。這種稀釋溶液包括在室溫下49％HF的1∶100的稀釋，用于完全去除氧化硅層的持續(xù)時(shí)間。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，使用包括無水HF和異丙基乙醇的混合物的干式工序，去除氧化硅層。
在從襯底的表面去除介質(zhì)層后，如圖3步驟120所述和圖5所示，表面形成薄非晶區(qū)域。通過將硅襯底表面170暴露在鹵核素中，形成圖5所示的薄非晶區(qū)域180。較佳的是，鹵原子或者分子處于能量被激勵(lì)的狀態(tài)和/或者硅襯底被加熱。在本發(fā)明的實(shí)施例中，使用紫外線(UV)輻射使用含氯氣體來產(chǎn)生被激勵(lì)的氯(C1)核素。本發(fā)明中的氯核素涉及在暴露在UV輻射后，與氯核素相關(guān)的某些電子占有具有高能狀態(tài)的氯核素。還能用UV輻射來加熱硅襯底170的表面，根據(jù)所要的非晶體化程度溫度在50℃到250℃的范圍。含氯氣體的流動(dòng)能在150sccm到600sccm的范圍變化，其典型值為350sccm。處理室內(nèi)的壓力設(shè)置在1torr到25torr之間，其典型值為6torr。使用前述的方法建立的非晶區(qū)域180是自限的，其典型層厚度為幾埃。形成非晶區(qū)域180能夠消除如圖2所示的表面的粗糙度，并能改善柵介質(zhì)層厚度的均勻性。
除氯核素外，還能使用其它的鹵核素來形成非晶區(qū)域。這些核素包括溴、碘和氟。雖然前述方法用UV激勵(lì)進(jìn)行描述，但也能用產(chǎn)生被激勵(lì)的鹵核素的任何合適的方法。這種方法可以包括等離子和微波激勵(lì)。除前述的UV方法外，能使用任何合適的方法來加熱圓片表面。這種方法可以包括利用對(duì)圓片保持器進(jìn)行接觸加熱來實(shí)現(xiàn)。
在許多情況下，本發(fā)明的方法的優(yōu)點(diǎn)是以多處理室的成群設(shè)備方式進(jìn)行。在這種處理設(shè)備中，下述的某些或者全部工序步驟在可被控制的環(huán)境下進(jìn)行a)去除薄介質(zhì)層，b)形成非晶層，c)順序地形成氧化層或者介質(zhì)層。這種優(yōu)點(diǎn)是因?yàn)槟懿槐貙⒎蔷^(qū)域暴露在氧化環(huán)境就形成介質(zhì)層，而如在硅制造工廠的環(huán)境中圓片必須從一處理設(shè)備運(yùn)送到另一處理設(shè)備，非晶還會(huì)暴露在氧化環(huán)境中。
在形成非晶區(qū)域180后，能用低溫自限處理在非晶區(qū)域180上形成可選擇的保護(hù)氧化硅覆蓋。圖3說明這種可選擇的步驟125。在本發(fā)明的實(shí)施例中，利用UV輻射，通過自限處理用含氧氣體混合物生長大約6A的氧化硅。在本發(fā)明的實(shí)施例中使用氧氣。形成這種保護(hù)的氧化硅覆蓋層是可選擇的步驟。是否形成這種保護(hù)覆蓋層取決于包括是否使用群型處理設(shè)備等因素。
如圖6所示，在形成非晶區(qū)域180(并且如果形成氧化硅覆蓋層)后，形成介質(zhì)層190。圖3表示形成這種介質(zhì)層的步驟130。使用熱生長或者薄膜淀積技術(shù)，形成介質(zhì)層190。在本發(fā)明的實(shí)施例中，介質(zhì)層包括氧化硅，并通過對(duì)包含非晶區(qū)域的硅襯底的表面進(jìn)行加熱和將被加熱的表面暴露在包含氧核素的氧化環(huán)境內(nèi)，形成氧化硅層。以往已有眾所周知的利用熱氧化方法形成氧化硅介質(zhì)層。在形成介質(zhì)層190后，利用已知的處理方法能實(shí)現(xiàn)MOS晶體管(或者任何其它的器件)。
圖7(a)表示按照已知的方法在硅表面上形成硅/氧化硅界面的TEM微觀圖。界面區(qū)域200示出了可見的表面粗糙度。圖7(b)表示按照本發(fā)明的方法在硅表面上形成硅/氧化硅界面的TEM微觀圖。特別，在氧化處理前利用UV激勵(lì)含氯氣體，在表面上形成非晶區(qū)域。界面區(qū)域210示出了看不見表面粗糙度痕跡地準(zhǔn)確地確定過渡區(qū)域。
實(shí)施例2在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，利用已知的淀積方法在非晶區(qū)域上淀積氧化硅的柵介質(zhì)層。除氧化硅外，其它合適的柵介質(zhì)層包括氮化硅、氮氧化硅和例如硅酸鹽的高介質(zhì)常數(shù)膜。
雖然參照MOS晶體管對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但這種方法不限于MOS晶體管。0這種方法能用于在任何其它的半導(dǎo)體器件、例如MOS電容器、存儲(chǔ)器單元、檢測器、電荷耦合器件、薄膜晶體管等中，形成原子量級(jí)上的平滑的硅/介質(zhì)硅界面。
上面，雖然參照實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但這種描述不是進(jìn)行限制。當(dāng)然，可以對(duì)說明的實(shí)施例進(jìn)行各種修改和組合，并且對(duì)于本專業(yè)的技術(shù)人員來說，顯然能夠參照上述說明進(jìn)行本發(fā)明的其它實(shí)施。因此，任何這種修改和實(shí)施都包括在本發(fā)明的權(quán)利要求書中。
權(quán)利要求
1.一種在硅表面和介質(zhì)層之間形成平滑界面的方法，其特征在于，包括給硅襯底提供上表面，通過將所述上表面暴露在鹵核素中，在所述上表面形成非晶區(qū)域，和在所述非晶區(qū)域上形成介質(zhì)層。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括在形成所述非晶區(qū)域前，從所述上表面去除薄介質(zhì)層。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述形成非晶區(qū)域還包括將含氯氣體暴露在紫外線(UV)輻射中，以便形成被激勵(lì)的氯核素，將所述上表面的溫度加熱到50℃和250℃之間，將所述加熱的上表面暴露在所述被激勵(lì)的氯核素中。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，使用選自氧化硅、氮化硅、氮氧化硅和硅酸鹽構(gòu)成的一組材料，形成所述介質(zhì)層。
5.一種在硅表面和介質(zhì)層之間形成界面的方法，其特征在于，包括給硅襯底提供上表面，通過將所述上表面暴露在鹵核素中，在所述上表面形成非晶區(qū)域，在所述非晶區(qū)域上形成覆蓋層，和在所述覆蓋層上形成介質(zhì)層。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括在形成所述非晶區(qū)域前，從所述上表面去除薄介質(zhì)層。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括所述鹵核素選擇自氯、溴、碘和氟構(gòu)成的一組材料。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括所述形成非晶區(qū)域還包括將含氯氣體暴露在紫外線(UV)輻射中，以便形成被激勵(lì)的氯核素，將所述上表面的溫度加熱到50℃和250℃之間，將所述加熱的上表面暴露在所述被激勵(lì)的氯核素中。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，使用選自氧化硅、氮化硅、氮氧化硅和硅酸鹽構(gòu)成的一組材料，形成所述介質(zhì)層。
全文摘要
本發(fā)明揭示一種在硅表面和介質(zhì)層之間形成平滑界面的方法,包括在硅上表面上形成介質(zhì)層前,在硅襯底的上表面(170)上形成薄非晶區(qū)域(180)。
文檔編號(hào)H01L21/31GK1357906SQ01137420
公開日2002年7月10日 申請(qǐng)日期2001年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2000年11月10日
發(fā)明者A·L·P·羅通達(dá)龍 申請(qǐng)人:德克薩斯儀器股份有限公司