專利名稱：利用具有氨的超低壓快速熱退火調(diào)節(jié)氧氮化硅的氮分布曲線的制作方法
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背景1).領(lǐng)域本發(fā)明一般涉及半導(dǎo)體加工領(lǐng)域。更具體地，本發(fā)明涉及形成氧氮化硅(SiON或SiOxNy)柵電介質(zhì)、以及利用快速熱處理工藝(RTP)將其集成為疊層?xùn)?gate stack)的方法。
2).相關(guān)技術(shù)介紹集成電路顧名思義是由數(shù)百萬有源和無源器件組成，所述器件例如為晶體管、電容器、和電阻器。晶體管100通常包括源極102、漏極104、和疊層?xùn)?06。疊層?xùn)?圖1)由襯底108(例如，通常由硅制成)組成，襯底頂上生長(zhǎng)有介質(zhì)110(通常由二氧化硅(SiO2)制成)，介質(zhì)上罩有電極112(用導(dǎo)電材料例如多晶硅制成)。
為了提供更強(qiáng)的計(jì)算能力，趨勢(shì)就是縮小器件的幾何尺寸從而按比例縮小晶體管。摩爾定律的比例化要求，為了增加晶體管速度必須增加?xùn)艠O驅(qū)動(dòng)電流(gate drive current)。柵極驅(qū)動(dòng)電流由等式(1)給出，可以通過增加?xùn)烹娙?Cox)來增加?xùn)艠O驅(qū)動(dòng)電流，而柵電容(由等式(2)示出)的增加可以通過降低介質(zhì)厚度(d)、或使用介電常數(shù)(k)高于現(xiàn)有介質(zhì)SiO2(k＝3.9)的介質(zhì)來實(shí)現(xiàn)。
(1)ID～μ/Lg*Cox(VDD-VTH)2(2)---Cox=kAd]]>其中ID是激勵(lì)電流；μ是載流子遷移率，Lg是柵長(zhǎng)，Cox是柵電容，VDD是開路電壓，VTH是閾值電壓，k是介電常數(shù)，d是電介質(zhì)厚度，A是器件面積。
為了避免復(fù)雜的集成和材料處理等問題，器件制造商會(huì)通過減小電介質(zhì)厚度來盡可能地比例化器件參數(shù)。然而，SiO2厚度降到20以下就會(huì)導(dǎo)致很差的柵可靠性，這是由于隧道效應(yīng)電流的增加、滲透到襯底中的硼的增加和對(duì)于很薄氧化物的不良工藝控制造成的。雖然理論上選擇使用較高k的柵電介質(zhì)是非常吸引人的，提供給SiO2的材料不能和與下面的Si襯底和多晶硅柵電極可相容的材料相匹配。另外，使用SiO2也消除了很多材料處理的污染問題，而如果使用稀土氧化物作為柵電介質(zhì)就必須處理這些污染問題。
將SiO2延伸到0.1μm的技術(shù)節(jié)點(diǎn)和更小所遇到的挑戰(zhàn)包括(1)在晶體管中，例如在具有P+摻雜硼(B)柵電極的PMOS器件中，硼會(huì)滲透到柵氧化物和下面的硅襯底內(nèi)。和(2)減小柵氧化物厚度的同時(shí)增加?xùn)判孤╇娏鳌?br> 氮化SiO2層形成氧氮化硅(SiOxNy或SiON)已經(jīng)演化成一種很有希望的待選方法，以將SiO2介質(zhì)縮小到0.1μm的一代器件。在電介質(zhì)薄膜內(nèi)引入氮會(huì)阻止硼并能增加?xùn)烹娊橘|(zhì)的介電常數(shù)。介電常數(shù)的增加意味著與純SiO2比較可以使用較厚的介質(zhì)，因而減少了柵極泄漏。因?yàn)榈?N)摻雜可以有效地避免上述在超薄(例如，12埃())柵電介質(zhì)中存在的挑戰(zhàn)，因此在電介質(zhì)薄膜中具有高(＜5％)濃度的氮是很重要的，氮濃度分布曲線的峰值是在柵電介質(zhì)的頂表面處。
傳統(tǒng)地，熱處理是在能夠一次處理多個(gè)晶片(5-100)的爐中進(jìn)行的。這些爐具有大容積因而難于泵出如此大的容積。這種情形和這個(gè)事實(shí)——大多數(shù)熱處理的生長(zhǎng)速度會(huì)隨著處理壓力的降低而減小，結(jié)合起來，從而在熱處理中導(dǎo)致了經(jīng)常以大氣壓(760托(Torr))和略低于大氣壓(＞500Torr)來進(jìn)行。
從0.2μm代到0.13μm代的器件，熱生長(zhǎng)的氧氮化硅被用作柵電介質(zhì)已經(jīng)若干年。隨著器件技術(shù)已經(jīng)從0.2μm發(fā)展到0.1μm，柵氧化物已經(jīng)從＞25埃()減薄到＜12埃()。因此，為了阻止硼并減少柵泄漏，薄膜中的氮含量必須從＜3％增加到5-10％。如果一氧化氮(NO)和一氧化二氮(N2O)用來生長(zhǎng)氧氮化物柵電介質(zhì)，隨著氧氮化物的生長(zhǎng)，N同時(shí)就進(jìn)入電介質(zhì)薄膜，因此氮可以均勻地分布在薄膜內(nèi)。如果通過在高溫下對(duì)已有的SiO2層進(jìn)行退火而利用NO和N2O來形成氧氮化硅，那么氮就是通過在硅襯底/氧化物界面處生長(zhǎng)SiON而被引入的。因此，氮在該界面處被引入。后一種情形的氮含量(＜2％)要小于前一種情形的氮含量(4-5％)。
利用N2O直接生長(zhǎng)氧氮化硅和用N2O通過對(duì)SiO2薄膜退火而形成氧氮化硅，是用于更高代(0.2μm)技術(shù)器件的優(yōu)選方法。如果用厚度＞25的柵電介質(zhì)，薄膜中＜2％的氮就足以改善器件性能。隨著技術(shù)發(fā)展到0.13μm，就必須用NO直接生長(zhǎng)和NO退火將薄膜中的氮從＜2％增加到4-5％，從而可以相比于未摻雜的SiO2減小泄漏電流，并防止硼透過更薄的介質(zhì)擴(kuò)散到襯底中。通過這些技術(shù)的任一種引入的氮含量都是不足的，而且如早先解釋的那樣，氮濃度分布曲線也不適于將SiON延伸到0.1μm代的器件中。降低處理壓力只會(huì)減小氮進(jìn)入薄膜的的速度，因此繼續(xù)在高壓下進(jìn)行氮化處理。
最近用等離子體氮化技術(shù)來氮化(將氮加入其中)柵氧化物。這種技術(shù)會(huì)在多柵極/氧化物界面處產(chǎn)生高濃度氮，從而防止硼滲入氧化物介質(zhì)。同時(shí)，在等離子體氮化處理期間，氧化物介質(zhì)整體可能被輕微地?fù)饺胛淳喓系牡瑥亩鴾p小了初始氧化物上的電氧化物厚度(EOT)。與針對(duì)前端處理優(yōu)化的傳統(tǒng)熱處理硬件相比，等離子體氮化處理需要的等離子體硬件會(huì)引起器件的金屬污染和等離子體破壞等問題，并難于維護(hù)。等離子體氮化現(xiàn)在面臨的挑戰(zhàn)是，為獲得高性能應(yīng)用用超薄的電介質(zhì)(初始氧化物＜10)比例化器件參數(shù)電氧化物厚度(EOT)到＜11、遷移率減退、和減小驅(qū)動(dòng)電流(Idsat)。
最近采取的另一個(gè)選擇方案就是熱氨(NH3)退火，已經(jīng)證明熱氨退火可以加入超過5％的氮，而且在某些工藝條件下可以在介質(zhì)表面產(chǎn)生比界面處更高的氮含量。由于幾個(gè)原因這種化學(xué)方法并不如NO和N2O化學(xué)方法流行。如果用熱爐來進(jìn)行熱氮化，NH3化學(xué)法是有生產(chǎn)上的價(jià)值的，因?yàn)榧幢阍趐pm水平下O2或水氣(H2O)污染會(huì)阻止氮進(jìn)入薄膜或給出不一致的結(jié)果。如果是爐處理，在加載晶片的過程中會(huì)有大量的空氣和水氣進(jìn)入爐中，而除掉這些空氣和水氣要用掉相當(dāng)數(shù)量的時(shí)間，從而造成了從爐邊到爐中心晶片薄膜中氮不一致的進(jìn)入。與NO和N2O化學(xué)方法不同，NH3退火會(huì)在介質(zhì)中結(jié)合入氫，導(dǎo)致熱電子和器件可靠性問題。已經(jīng)顯示，氧氮化硅薄膜中的氫可以這樣除去，即，在惰性(N2或Ar)或O2環(huán)境中以高溫進(jìn)行短時(shí)間的氮化后退火。
隨著快速熱處理(RTP)的出現(xiàn)以及它和其它處理室集成為群集型工具，NH3處理法成為生產(chǎn)上值得的方法，因?yàn)楸∧た梢栽诳煽刂频沫h(huán)境下被有效地氮化而不會(huì)有O2或H2O污染，而且薄膜中的氫也可以通過RTP退火除去。然而，界面峰值問題依然存在。在現(xiàn)有技術(shù)中，基底氧化物SiO2薄膜(在單個(gè)晶片RTP處理室中或在爐中長(zhǎng)成)要經(jīng)受這樣的環(huán)境，即，含有有純NH3或純NH3和惰性氣體(N2或Ar)的混合物、高溫(＞850℃)、大氣壓(760Torr)或亞大氣壓(＞500Torr)。然而已經(jīng)觀察到，這會(huì)導(dǎo)致在初始SiO2薄膜內(nèi)的雙峰分布，在氧氮化硅表面(或有時(shí)在多晶硅罩/氧氮化硅界面處)的一個(gè)氮峰值、和在氧氮化硅/襯底界面處的第二峰值。即使在反應(yīng)壓力低至100托(Torr)也會(huì)發(fā)現(xiàn)這種雙峰分布。第一峰值負(fù)責(zé)賦予器件良好的電特性，例如阻止硼和增加介電常數(shù)，因此與相似電厚的初始氧化物比較減小了泄漏電流。另一方面第二峰值賦予疊層?xùn)挪涣嫉慕缑嫣匦?，?dǎo)致更大的閾值電壓位移和晶體管中電荷載流子的遷移率減退。
已經(jīng)針對(duì)80-100的柵氧化物研究了利用NH3對(duì)柵氧化物進(jìn)行熱氮化的動(dòng)力學(xué)。對(duì)于用于0.1μm器件技術(shù)節(jié)點(diǎn)和更小的氧氮化硅電介質(zhì)薄膜而言，在低泄漏晶體管器件中，厚度必須＜25，而且為獲得高性能的晶體管厚度必須＜12?！，F(xiàn)在用于形成氧氮化硅的高壓NH3處理會(huì)在氧氮化硅/襯底界面引起高濃度的氮，從而導(dǎo)致不良的器件性能，限制了利用這種工藝方法比例化到0.1μm的技術(shù)或更小。

發(fā)明內(nèi)容
為獲得高性能和低泄漏的應(yīng)用，用NH3形成超薄氧氮化硅(SiON或SiOxNy)薄膜并集成為疊層?xùn)艁肀壤杂糜谙冗M(jìn)的0.1μm技術(shù)節(jié)點(diǎn)的器件和更小，現(xiàn)有的將氮加入電介質(zhì)薄膜例如SiO2的方法并不是有效的。從以下可以清楚的是，本發(fā)明的實(shí)施例將滿足現(xiàn)有技術(shù)長(zhǎng)期存在的需要和期望。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，一種形成電介質(zhì)薄膜的方法包括利用氮化氣體和快速熱退火處理將氮加入電介質(zhì)薄膜內(nèi)。等于或小于大約10Torr的超低壓用于快速熱退火處理。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，一種形成疊層?xùn)诺姆椒òㄔ谝r底上形成二氧化硅薄膜。然后用快速熱退火處理和氮化氣體將氮加入到二氧化硅薄膜中，其中快速熱退火處理是在大約或小于10Torr的壓力下發(fā)生的。加入氮后，二氧化硅薄膜成為氧氮化硅薄膜。用氮化氣體使快速熱退火處理繼續(xù)一段足夠長(zhǎng)的時(shí)間，以將氮加入到二氧化硅薄膜中從而形成氧氮化硅，而且氮濃度大約或大于5％。在氧氮化硅上形成覆層(cap layer)。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，一種形成疊層?xùn)诺姆椒òɡ玫瘹怏w和快速熱退火處理將氮加入到二氧化硅薄膜中。等于或小于大約10Torr的超低壓用于快速熱退火處理。將氮加入到電介質(zhì)薄膜中形成氧氮化硅薄膜。將足量的氮加入二氧化硅薄膜形成氧氮化硅后，對(duì)氧氮化硅進(jìn)行后退火處理。


本發(fā)明的實(shí)施例由示例來闡釋，并不限于附圖中所圖示說明的，其中相同的標(biāo)記表示相同的要素，而且其中表1比較了將氮加入二氧化硅薄膜的各種途徑；圖1示出了示例性的晶體管；圖2示出了氮濃度分布曲線，其中氧氮化硅薄膜是通過快速熱退化(RTA)處理、在存在氨(NH3)的情況下、以高壓(例如，大約100Torr或更高)形成的；圖3A-3E示出減小壓力對(duì)氮濃度分布曲線的影響，其中氧氮化硅薄膜是通過快速熱退化(RTA)處理、在存在氨(NH3)的情況下形成的；圖4A-4C示出了處理溫度對(duì)氮濃度分布曲線的影響，其中氧氮化硅薄膜是通過快速熱退化(RTA)處理、在存在氨(NH3)的情況下、以超低壓(例如，大約小于或等于10Torr)形成的；圖5A-5C比較了利用等離子體氮化和利用具有NH3的RTA所形成的氧氮化硅薄膜的氮濃度分布曲線；和圖6示出了可以用于本發(fā)明的某些實(shí)施例的群集工具。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明實(shí)施例包括一種形成包括氮——例如SiON或SiOxNy的電介質(zhì)薄膜的方法，該方法利用具有氨和超低處理壓力(例如，大約等于或小于10Torr)的快速熱退火處理。在下面的描述中，為了解釋起見，給出大量的具體細(xì)節(jié)以提供對(duì)本發(fā)明的透徹理解。然而，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)該清楚的是沒有這些具體細(xì)節(jié)也可以實(shí)踐本發(fā)明。在其它情況下，并沒有描述具體的裝置結(jié)構(gòu)和方法以避免遮蔽本發(fā)明。下面的描述和附圖是對(duì)本發(fā)明的闡釋，不能解釋為用于限制本發(fā)明。
在一個(gè)實(shí)施例中，提供了一種形成氧氮化硅電介質(zhì)薄膜的方法，其利用存在NH3的快速熱退火處理，這里稱為RTA-NH3。用于形成氧氮化硅薄膜的處理壓力是超低壓(大約等于或小于10Torr)。另外，改變處理壓力可以改變氧氮化硅薄膜中氮的數(shù)量和分布。
在另一個(gè)實(shí)施例中，提供了一種將氧氮化硅薄膜(SiON薄膜或SiOxNy薄膜)集成為疊層?xùn)乓孕纬删w管的方法，其中所速氧氮化硅薄膜使用RTA-NH3工藝方法形成的。
在一個(gè)實(shí)施例中，具有形成在其上的二氧化硅(SiO2)薄膜的襯底被置于單個(gè)晶片快速熱處理(RTP)室內(nèi)的氨氣中，該處理室被設(shè)計(jì)成能夠進(jìn)行快速熱退火(RTA)處理。襯底可以是單晶體硅晶片或通常在本技術(shù)領(lǐng)域用于制造半導(dǎo)體器件的硅晶片。在一個(gè)實(shí)施例中SiO2薄膜可以具有小于30的厚度。在一個(gè)實(shí)施例中，進(jìn)入RTP室的氨氣流速在大約100sccm到5slm的范圍。應(yīng)該理解的是根據(jù)處理室的尺寸氣體流速可以變化。例如上述氣體流速是針對(duì)200毫米單個(gè)晶片的反應(yīng)室。對(duì)于300毫米單個(gè)晶片的反應(yīng)室而言，因?yàn)榉磻?yīng)室體積的增大可以按比例增加氣體流速。在一個(gè)實(shí)施例中，處理溫度在900-1100℃C的范圍內(nèi)，處理壓力大約等于或小于10Torr，或可選地，可在0.010Torr到大約10Torr的范圍內(nèi)。該方法利用純氨氣或被惰性氣體例如氬氣或氮?dú)庀♂尩臍怏w。結(jié)果會(huì)形成SiON或SiOxNy。
在一個(gè)實(shí)施例中，由應(yīng)用材料有限公司制造的商用減壓RTP室硬件例如XE、XE Plus或Radiance可以用來進(jìn)行RTA-NH3處理以形成SiON或SiOxNy薄膜。這樣的減壓RTP室可以提供超低處理壓力(例如，1Torr或小于10Torr)以利用RTA-NH3來形成SiON或SiOxNy薄膜。在一個(gè)實(shí)施例中，渦輪泵可以連到或加到RTP室以幫助降低RTP室的整體壓力到大約0.010Torr(或10mTorr)。
已經(jīng)觀察到的是，當(dāng)SiON或SiOxNy薄膜是由存在氨氣和高壓(例如，100Torr)的RTA形成的，SiON或SiOxNy薄膜中的氮濃度分布曲線表示該氮濃度分布曲線如圖2中所示的那樣具有兩個(gè)峰值202和204，其中所述氮濃度分布曲線是由稱為飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜測(cè)定法(Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry，TOF-SIMS)確定的。第一峰值204表示在氧化物表面氮濃度是高的(大約4×1021單位)，第二峰值202表示在襯底界面處也有相當(dāng)大的氮濃度(大約4×1021單位)。
發(fā)明者發(fā)現(xiàn)改變處理?xiàng)l件例如處理壓力、溫度、和時(shí)間可以改變這兩個(gè)峰值204和202的強(qiáng)度比。如圖3A-3E所示，處理壓力對(duì)峰值202和204的強(qiáng)度比具有很大的影響。如圖3A-3E所示，以固定溫度1000℃C將壓力從100Torr減到0.250Torr時(shí)，在襯底界面處的第二峰值202完全消失了。從圖3A可以看出，當(dāng)以大約100Torr的壓力用RTA-NH3形成SiON或SiOxNy薄膜，存在兩個(gè)峰值202和204。在圖3B中，當(dāng)以大約10Torr的壓力用RTA-NH3形成SiON或SiOxNy薄膜，峰值202減小意味著在襯底界面處的氮濃度減小。類似地，如圖3C-3E所示，峰值202在減小直到在大約0.25Torr的處理壓力時(shí)基本被消除掉。
另外，如圖4A-4C所示，以超低壓(例如，大約等于或小于大約10Torr)形成SiON或SiOxNy薄膜的同時(shí)提高溫度會(huì)提高表面處的氮濃度峰值204。例如，在圖3B中，當(dāng)用來形成SiON或SiOxNy薄膜的氮化是用大約10Torr和大約1000℃的RTA-NH3來完成的，峰值204大約為3.2×1021濃度單位。在圖4C中，當(dāng)用來形成SiON或SiOxNy薄膜的氮化是用大約10Torr和大約1100℃(高了100℃)的RTA-NH3來完成的，峰值204大約為6×1021濃度單位。
這樣，理想地是以超低壓(大約≤10Torr)和高溫(≥1000-1100℃)來形成SiON或SiOxNy薄膜。在第一峰值204(在SiON或SiOxNy薄膜的表面處)處具有高氮濃度而在襯底界面具有低或基本最小的氮濃度，這種情形為超薄柵電介質(zhì)提供了理想的分布以用于高級(jí)≤0.1μm的技術(shù)節(jié)點(diǎn)。
在低壓下，SiON或SiOxNy薄膜中的氮濃度大小也可以通過改變溫度、或者可選地通過保持處理溫度恒定而改變處理時(shí)間來實(shí)現(xiàn)。例如，用大約1000℃、10Torr、10秒鐘的RTA-NH3處理，或者用大約1000℃、1Torr、45秒鐘的RTA-NH3處理來氮化6的二氧化硅可以形成同樣品質(zhì)的SiON或SiOxNy薄膜。這樣，在恒定的溫度下降低壓力要求增加時(shí)間以在相等厚度的薄膜中獲得同樣的氮?jiǎng)┝俊?br> 圖5比較了利用具有RTA-NH3處理的等離子體氮化來生產(chǎn)的SiON或SiOxNy薄膜中的氮濃度分布曲線。在一個(gè)實(shí)施例中，所用的等離子體氮化處理是現(xiàn)有技術(shù)中已知的去耦等離子體氮化(Decoupled PlasmaNitridation，DPN)。DPN技術(shù)利用感應(yīng)耦合來產(chǎn)生氮等離子體并在氧化物薄膜上加入高水平氮。DPN使形成的氧氮化硅薄膜能夠在氧化物/襯底界面處具有較少的氮而在氧化物表面具有較高的氮濃度。在DPN中，用氮離子來轟擊表面，例如SiO2薄膜，所述氮離子打破SiO2薄膜并將氮離子結(jié)合到SiO2薄膜，從而形成SiON或SiOxNy薄膜。SiO2薄膜因此暴露于去耦氮等離子體。在一個(gè)實(shí)施例中，DPN是在這樣的處理室內(nèi)進(jìn)行的，該處理室具有在大約5-20mTorr或低于10Torr范圍內(nèi)的壓力、存在流速范圍在大約100-200sccm的氮?dú)夂痛蠹s300瓦的等離子體功率。如現(xiàn)有技術(shù)中已知的那樣，可以根據(jù)處理室尺寸和電介質(zhì)薄膜的體積厚度來調(diào)整DPN處理參數(shù)。DPN產(chǎn)生的SiON或SiOxNy薄膜不會(huì)在襯底界面處有第二峰值202。另外，在兩種工藝方法中，即DPN和RTA-NH3處理，SiON或SiOxNy薄膜的特點(diǎn)就是在電介質(zhì)薄膜的頂表面處具有最大的氮濃度(Ny)，“y”隨著深度減小。然而，如圖5B-5C中所示，與以超低處理壓力進(jìn)行的RTA-NH3處理相比，用于DPN處理的氮濃度分布曲線的尾部似乎向Si襯底延伸得更近。這在下述情形中反映出來，即當(dāng)器件加入了用RTA-NH3方法形成的SiON或SiOxNy薄膜，比起加入用等離子體氮化方法形成的SiON或SiOxNy薄膜的器件，其驅(qū)動(dòng)電流會(huì)增加。另外，用RTA-NH3方法形成的SiON或SiOxNy薄膜也不會(huì)有未締合的氮。與DPN方法相比，RTA-NH3方法的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它可以利用同樣的針對(duì)前端退火和SiO2生長(zhǎng)所開發(fā)和優(yōu)化的RTP反應(yīng)器。RTP室是為了達(dá)到超低金屬污染等問題而優(yōu)化的，因此消除了或最小化了對(duì)器件完整性和可靠性的任何影響。
在一個(gè)實(shí)施例中，包括RTA-NH3處理的SiON或SiOxNy薄膜的疊層?xùn)攀怯扇杭ぞ咧瞥傻?，例如由?yīng)用材料有限公司生產(chǎn)的集成GateStack Centura，用來形成柵極，該柵極具有上述針對(duì)改進(jìn)器件性能所形成的SiON或SiOxNy薄膜。圖6所示為群集工具的一個(gè)實(shí)例。
圖6示出一種群集工具600，其包括幾個(gè)處理室，例如，加載鎖定室(loadlock chamber)602和604、RTP室606、608、610、沉積室612(例如用以沉積多晶硅薄膜)、和冷卻室614。群集工具600也包括晶片操縱工具616用以將襯底618(例如，晶片)送入或取出特定處理室。晶片操縱工具616通常置于傳遞室內(nèi)，傳遞室與所有的處理室相通。加載鎖定室602和604容納被處理的襯底(例如，晶片)。沉積室612可以是常規(guī)的化學(xué)或物理蒸汽沉積，如本領(lǐng)域已知的那樣可以用來形成薄膜或?qū)?。在一個(gè)實(shí)施例中，沉積室612是一種設(shè)計(jì)成能夠形成多晶硅薄膜或其它電極薄膜的沉積室。室606、608、和610是被設(shè)計(jì)成能夠以減壓或超低壓(例如，大約等于或小于10Torr)來進(jìn)行快速熱退火(RTA)處理的室。室606、608、和610中的任一個(gè)都可以被用來執(zhí)行上述的RTA-NH3工藝以形成SiON或SiOxNy薄膜。
在一個(gè)實(shí)施例中，利用減壓RTP室例如群集工具600(圖6)中的RTP室606生長(zhǎng)SiO2電介質(zhì)薄膜，該薄膜的物理厚度大約為4-15。SiO2電介質(zhì)薄膜可以由快速熱氧化形成，快速熱氧化是一種氧化工藝，其中處理室利用燈在存在氧的情形下快速加熱和干燥襯底表面以形成氧化層。對(duì)硅襯底(或晶片)的快速熱氧化可以在存在O2、O2+N2、O2+Ar、N2O、或N2O+N2氣體混合物的情形下用干燥處理快速熱氧化進(jìn)行。氣體或氣體混合物可以具有大約1-5slm的總流速?？蛇x地，對(duì)硅襯底的快速熱氧化可以用濕處理方法例如現(xiàn)場(chǎng)蒸汽生成法(In-Situ SteamGeneration，ISSG)在存在O2+H2、O2+H2+N2、或N2O+H2氣體的情況下進(jìn)行，這些氣體具有例如含1-13％H2的大約1-5slm的總流速。在一個(gè)實(shí)施例中，快速熱氧化工藝形成SiO2電介質(zhì)薄膜是在大約800-1000℃的處理溫度、大約0.5-50Torr的處理壓力下進(jìn)行大約5-90秒鐘形成的，產(chǎn)生厚度在4-15范圍內(nèi)的SiO2電介質(zhì)薄膜。
在一個(gè)實(shí)施例中，在RTP室606中形成SiO2電介質(zhì)薄膜后，襯底被傳遞到另一RTP室，例如群集工具600中的RTP室608，處于惰性(例如，N2或Ar)環(huán)境中而且傳遞室壓力小于或大約為10Torr從而將氮加入到SiO2電介質(zhì)薄膜中形成SiON或SiOxNy薄膜。RTP室608可以是減壓室反應(yīng)器例如應(yīng)用材料有限公司的反應(yīng)器XE、XE Plus、或Radiance。RTP室608設(shè)計(jì)成可以將NH3、N2、或Ar引入從而形成如先前討論的SiON或SiOxNy。在一個(gè)實(shí)施例中，具有SiO2電介質(zhì)薄膜的襯底被加熱到大約900-1100℃的高溫，并向處理室例如RTP室608通入純NH3或NH3+惰性氣體(例如，N2或Ar)。處理室內(nèi)的壓力降到小于或大約等于10Torr。在這種條件下形成的SiON或SiOxNy具有類似圖3C-3D中所示的那些分布的氮濃度分布曲線。SiON或SiOxNy的氮濃度等于或大于5％。SiO2薄膜內(nèi)的氮峰值濃度出現(xiàn)在SiO2薄膜的頂表面。
在一個(gè)實(shí)施例中，SiON或SiOxNy薄膜置于另一個(gè)RTP室例如群集工具600(圖6)中的RTP室610，進(jìn)行后氮化退火(PNA)處理。PNA方法的化學(xué)成分可以是純N2或O2+N2氣體混合物。當(dāng)使用的是純N2化學(xué)成分，PNA可以在與用來形成SiON或SiOxNy薄膜的RTA-NH3工藝相同的RTP室(例如，RTP室600)內(nèi)進(jìn)行。在一個(gè)實(shí)施例中，PNA包括以小于或等于大約5Torr的總壓力將具有SiON或SiOxNy薄膜的襯底加熱到1000-1100℃的高溫。在一個(gè)實(shí)施例中，向RTP室(例如，RTP室608或610)內(nèi)通入大約1slm的純N2氣大約60秒鐘。接著N2流向RTP室，通入1slm的O2或O2+N2氣體混合物大約15秒鐘。應(yīng)該理解的是，上述的流速僅僅是針對(duì)特定的反應(yīng)室或處理室尺寸(例如，200毫米反應(yīng)室)的實(shí)例。因?yàn)轶w積的不同可以為其它尺寸的反應(yīng)室按比例調(diào)節(jié)(增加或減小)流速。
在一個(gè)實(shí)施例中，接著PNA處理工藝，將含氮的柵電介質(zhì)(SiON或SiOxNy)薄膜罩上導(dǎo)電層，例如多晶硅薄膜。多晶硅薄膜可以在沉積室中形成，例如群集工具600(圖6)中的沉積室612。這就完成了疊層?xùn)诺男纬?。然后襯底可以被傳送到冷卻室例如冷卻室614，再被傳遞到儲(chǔ)存區(qū)域例如加載鎖定室614以進(jìn)行進(jìn)一步的測(cè)試、或其它本領(lǐng)域已知的工藝。
應(yīng)該理解的是，除了上述的群集工具600，包括柵電介質(zhì)薄膜和多晶硅覆膜的疊層?xùn)趴梢栽谝粋€(gè)處理室或幾個(gè)處理室中形成。例如，首先在一個(gè)室內(nèi)形成SiO2電介質(zhì)薄膜。然后，為快速熱退火而調(diào)節(jié)同一個(gè)處理室從而以超低壓進(jìn)行氮化處理以形成SiON或SiOxNy薄膜。然后，調(diào)節(jié)同一個(gè)處理室以針對(duì)SiON或SiOxNy薄膜進(jìn)行PNA。而且，在同一個(gè)處理室內(nèi)形成SiON或SiOxNy薄膜上的多晶硅薄膜。
在一個(gè)實(shí)施例中，用這里描述的疊層?xùn)判纬傻木w管具有優(yōu)化的性能，這是因?yàn)橛捎谑褂萌杭ぞ?00所帶來的連續(xù)一致的處理環(huán)境或周圍環(huán)境。對(duì)疊層?xùn)诺奶幚硎窃跊]有任何處理之間中斷的情況下進(jìn)行的。這樣，與在各種處理之間存在中斷的處理相比，在減小的電氧化物厚度、泄漏、或驅(qū)動(dòng)電流方面，可以獲得更好的比例化。
表1概括了各種將氮加入到SiO2薄膜的處理，包括常規(guī)處理和本發(fā)明示例性實(shí)施例的處理。表1顯示出，利用本發(fā)明示例性實(shí)施例將氮加到SiO2薄膜中會(huì)給出較好的氮濃度分布曲線。另外，如上述的那樣，本發(fā)明的示例性實(shí)施例允許調(diào)節(jié)氮濃度分布曲線從而為特定的應(yīng)用獲得理想的SiON或SiOxNy薄膜。
如表1所示，當(dāng)?shù)幚硎褂肗O、或NO+O2的氣體混合物用混合生長(zhǎng)工藝來進(jìn)行，從而以熱方式生長(zhǎng)SiON或SiOxNy薄膜。遍及SiO2薄膜的加入氮的濃度([N])分布在襯底界面處具有高氮濃度。當(dāng)?shù)に囀褂肗2O退火用常規(guī)工藝來進(jìn)行，加入的氮會(huì)鄰近Si襯底-SiO2界面。另外，加入的氮濃度不足以阻止硼進(jìn)入電介質(zhì)薄膜或減小0.1μm器件中的泄漏。當(dāng)?shù)に囀褂肗O退火用常規(guī)工藝來進(jìn)行，加入的氮在Si襯底-SiO2界面處的氮濃度略高于N2O退火工藝。然而，已經(jīng)觀察到硼易于陷入SiO2薄膜內(nèi)，導(dǎo)致不良的界面性質(zhì)，而且泄漏電流的減小并不顯著。
當(dāng)?shù)に嚾绫绢I(lǐng)域目前實(shí)施的那樣，是利用等于或大于100Torr的高壓NH3退火工藝進(jìn)行的，加入到SiO2薄膜內(nèi)的氮具有雙峰氮濃度分布。如先前討論的那樣，氮濃度分布曲線包括在薄膜表面處的氮峰值和在襯底-SiO2界面處的氮峰值。以高壓NH3退火處理產(chǎn)生的氮濃度高于NO退火處理產(chǎn)生的氮濃度。薄膜表面處的氮易于捕獲硼，但是襯底SiO2界面處的氮會(huì)引起不良的界面性質(zhì)，從而導(dǎo)致晶體管中較大的閾值電壓位移和電荷載流子的遷移率減退。當(dāng)?shù)に囀褂玫入x子體氮化來進(jìn)行的，就會(huì)產(chǎn)生可接受的氮濃度分布分布曲線。高氮濃度產(chǎn)生在SiO2薄膜的表面。表面的氮可以阻止硼。等離子體氮化可以形成超薄電介質(zhì)薄膜(＜10)，但顯示出會(huì)在這樣的超薄薄膜中引起驅(qū)動(dòng)電路減弱。
當(dāng)?shù)に囀褂帽景l(fā)明示例性實(shí)施例的超低壓(例如，≤10Torr)RTA NH3處理進(jìn)行，氮濃度分布分布曲線在SiO2薄膜的表面處具有高氮濃度，并且沒有雙峰分布。同樣，超低壓RTA-NH3工藝可以形成減小到小于11的電氧化物厚度。
雖然描述了氨(NH3)用于很多示例性實(shí)施例中，但可以理解的是任何氮化或滲氮?dú)怏w都可以使用或代替氨氣。例如，可以用超低壓(例如，等于或小于大約10Torr)的快速熱退火處理來使用NO或N2O以形成SiON或SiOxNy。關(guān)于使用超低壓RTA-NH3實(shí)施例特征的討論因此也適用于使用其它合適氮化或滲氮?jiǎng)?例如，NO和N2O)在超低壓用RTA進(jìn)行氮化處理。
雖然幾個(gè)示例性實(shí)施例被表述和以附圖示出，應(yīng)該理解的是這樣的實(shí)施例僅僅是闡釋性的，并不是用于限制本發(fā)明，而且本發(fā)明并不局限于所示和所描述的特定結(jié)構(gòu)和裝置，因?yàn)閷?duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言可以進(jìn)行改進(jìn)。
在一個(gè)實(shí)施例中，從柵氧化物形成到N摻雜介質(zhì)層和柵極形成，整個(gè)疊層?xùn)攀窃诰哂卸鄠€(gè)室(例如，群集工具)、在不破壞真空的單個(gè)工具內(nèi)制造的。先進(jìn)的技術(shù)節(jié)點(diǎn)(≤0.1μm)具有若干單層氧化物薄膜作為柵電介質(zhì)。在單個(gè)工具內(nèi)以可控制的環(huán)境、在不破壞真空和無人進(jìn)行的操作/干擾的條件下處理疊層?xùn)艜?huì)消除對(duì)器件完整性的任何危害，這種危害是由多次暴露到處理環(huán)境和操縱晶片而產(chǎn)生的污染或損壞造成的。
雖然幾個(gè)示例性實(shí)施例被表述和以附圖示出，應(yīng)該理解的是這樣的實(shí)施例僅僅是闡釋性的，并不是用于限制本發(fā)明，而且本發(fā)明并不局限于所示和所描述的特定結(jié)構(gòu)和裝置，因?yàn)閷?duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言可以進(jìn)行改進(jìn)。
權(quán)利要求
1.一種形成電介質(zhì)薄膜的方法，包括利用氮化氣體和快速熱退火處理將氮加入電介質(zhì)薄膜內(nèi)，其中用于用于快速熱退火處理的超低壓等于或小于大約10Torr。
2.如權(quán)利要求1所述的形成電介質(zhì)薄膜的方法，其中，加入到所述電介質(zhì)薄膜中的氮在所述電介質(zhì)薄膜的頂表面處形成氮濃度峰值。
3.如權(quán)利要求1所述的形成電介質(zhì)薄膜的方法，其中，加入到所述電介質(zhì)薄膜中的氮具有等于或大于5％的氮濃度。
4.如權(quán)利要求1所述的形成電介質(zhì)薄膜的方法，其中，所述電介質(zhì)薄膜等于或小于約12埃。
5.如權(quán)利要求1所述的形成電介質(zhì)薄膜的方法，其中，氮化劑包括氨NH3、一氧化氮NO、和一氧化二氮N2O中的任何一種。
6.如權(quán)利要求1所述的形成電介質(zhì)薄膜的方法，其中，所述電介質(zhì)薄膜是二氧化硅SiO2。
7.如權(quán)利要求1所述的形成電介質(zhì)薄膜的方法，其中，加入氮后，形成氧氮化硅。
8.一種形成疊層?xùn)诺姆椒ǎㄔ谝r底上形成二氧化硅薄膜；用快速熱退火處理和氮化氣體將氮加入到二氧化硅薄膜中，其中，快速熱退火處理是在大約或小于10Torr的壓力下發(fā)生的，加入氮后，在所述襯底上形成氧氮化硅薄膜；用氮化氣體使快速熱退火處理繼續(xù)一段足量的時(shí)間，以將氮加入到所述二氧化硅薄膜中從而形成氧氮化硅，其中氮濃度大約為或大于5％；和在所述氧氮化硅上形成覆層。
9.如權(quán)利要求8所述的形成疊層?xùn)诺姆椒?，其中，所述快速熱退火處理發(fā)生的溫度在大約900-1100℃之間。
10.如權(quán)利要求8所述的形成疊層?xùn)诺姆椒?，進(jìn)一步包括形成所述氧氮化硅后，對(duì)氧氮化硅進(jìn)行后退火處理，其中所述后退火處理發(fā)生的溫度在大約1000-1100℃之間。
11.如權(quán)利要求10所述的形成疊層?xùn)诺姆椒?，其中，后退火處理發(fā)生的壓力小于或等于約5Torr。
12.一種形成電介質(zhì)薄膜的方法，包括用快速熱退火處理和氮化氣體將氮加入到二氧化硅薄膜中，其中用于快速熱退火處理的超低壓等于或小于大約10Torr，將氮加入到所述電介質(zhì)薄膜中形成氧氮化硅薄膜；和當(dāng)足夠數(shù)量的氮被加入所述二氧化硅薄膜后，對(duì)所述氧氮化硅薄膜進(jìn)行后退火處理。
13.如權(quán)利要求12所述的形成電介質(zhì)薄膜的方法，其中，加入到所述電介質(zhì)薄膜中的氮在所述二氧化硅薄膜的頂表面處形成氮濃度峰值。
14.如權(quán)利要求12所述的形成電介質(zhì)薄膜的方法，其中，加入到所述二氧化硅薄膜中的氮具有等于或大于5％的氮濃度。
15.如權(quán)利要求12所述的形成電介質(zhì)薄膜的方法，其中，所述二氧化硅薄膜等于或小于約12埃。
16.如權(quán)利要求12所述的形成電介質(zhì)薄膜的方法，其中，所述氮化劑包括氨NH3、一氧化氮NO、和一氧化二氮N2O中的任何一種。
17.如權(quán)利要求12所述的形成電介質(zhì)薄膜的方法，進(jìn)一步包括形成所述二氧化硅薄膜。
18.一種形成疊層?xùn)诺姆椒?，包括將襯底放入群集工具中的第一處理室中，所述群集工具具有多個(gè)處理室；在所述第一處理室內(nèi)在硅晶片上形成二氧化硅；在不破壞真空的情況下，將襯底從所述第一處理室傳遞到第二處理室，所述第二處理室可以在降低的壓力下進(jìn)行快速熱退火處理；將氮化氣體引入到所述第二處理室中，同時(shí)將所述第二處理室的壓力保持在大約為或小于10Torr以形成氧氮化硅薄膜；和繼續(xù)將所述氮化氣體通入所述第二處理室一段足夠長(zhǎng)的時(shí)間，以將氮加入到所述二氧化硅薄膜中到氮濃度大約為或大于5％
19.如權(quán)利要求18所述的形成疊層?xùn)诺姆椒?，包括在引入氮化氣體的同時(shí)保持溫度在大約900-1100℃之間。
20.如權(quán)利要求18所述的形成疊層?xùn)诺姆椒?，包括形成所述氧氮化硅后，?duì)襯底進(jìn)行后退火處理，其中所述后退火處理發(fā)生的溫度在大約1000-1100℃之間。
21.如權(quán)利要求20所述的形成疊層?xùn)诺姆椒?，其中，所述后退火處理發(fā)生在第三處理室中。
22.如權(quán)利要求20所述的形成疊層?xùn)诺姆椒?，其中，所述后退火處理發(fā)生的壓力大約為5Torr。
23.一種氧氮化硅薄膜，其中，所述氧氮化硅薄膜中的氮濃度在薄膜的頂表面最大并隨著深度減小，所述氧氮化硅薄膜沒有未締合的氮。
24.一種處理電介質(zhì)薄膜的方法，包括將所述電介質(zhì)薄膜暴露到壓力等于或小于大約10Torr的氮化氣體中；在將所述電介質(zhì)薄膜暴露到所述氮化氣體期間對(duì)電介質(zhì)薄膜進(jìn)行快速熱退火處理，從而將氮加入到所述電介質(zhì)薄膜中形成氧氮化硅薄膜。
25.如權(quán)利要求24所述的處理電介質(zhì)薄膜的方法，其中，所述氮化氣體包括氨NH3、一氧化氮NO、和一氧化二氮N2O中的任何一種。
26.如權(quán)利要求24所述的處理電介質(zhì)薄膜的方法，其中，所述電介質(zhì)薄膜是二氧化硅(SiO2)。
27.如權(quán)利要求24所述的處理電介質(zhì)薄膜的方法，其中，加入氮后，形成氧氮化硅。
28.如權(quán)利要求24所述的處理電介質(zhì)薄膜的方法，其中，所述快速熱退火處理發(fā)生的溫度在大約900-1100℃之間。
29.如權(quán)利要求27所述的處理電介質(zhì)薄膜的方法，進(jìn)一步包括形成所述氧氮化硅后，對(duì)所述氧氮化硅進(jìn)行后退火處理，其中所述后退火處理發(fā)生的溫度在大約1000-1100℃之間。
30.如權(quán)利要求29所述的處理電介質(zhì)薄膜的方法，其中，所述后退火處理發(fā)生的壓力小于或等于約5Torr。
31.如權(quán)利要求24所述的處理電介質(zhì)薄膜的方法，其中，繼續(xù)對(duì)所述電介質(zhì)薄膜進(jìn)行快速熱退火處理，直到在所述電介質(zhì)薄膜中加入的氮濃度至少約為5％。
32.如權(quán)利要求27所述的處理電介質(zhì)薄膜的方法，進(jìn)一步包括對(duì)所述氧氮化硅薄膜進(jìn)行后退火處理，其中在所需濃度的氮被加入到所述電介質(zhì)薄膜后，所述氧氮化硅是在無氮的氣氛下進(jìn)行后退火的。
全文摘要
一種形成包括氮的電介質(zhì)薄膜的方法。該方法包括利用氮化氣體和快速熱退火處理將氮加入到電介質(zhì)薄膜中，其中用于快速熱退火處理的超低壓等于或小于10Torr。
文檔編號(hào)H01L21/318GK1757098SQ200480005652
公開日2006年4月5日 申請(qǐng)日期2004年2月4日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月4日
發(fā)明者P·K·納萬卡, G·邁納, A·萊波特 申請(qǐng)人:應(yīng)用材料有限公司