專利名稱：制造氮化氧化硅柵極介質的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半導體器件的制造；更具體地說，它涉及制造氮化氧化硅柵極介質的方法。
背景技術：
集成電路趨向較高性能、較高速度和較低成本。相應地，要縮小器件的維度和元件的尺寸，并且必須相應地按比例縮放柵極介質。當柵極介質物理厚度減小時，出現(xiàn)了對較高介電常數(shù)和較低泄漏柵極介質的需求。在先進金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)中，用氧氮化硅(SiOxNy)層作柵極介質。MOSFET晶體管包括在硅襯底中形成的溝道區(qū)域，在薄柵極介質層頂上形成并在溝道區(qū)域上對準的N或P摻雜多晶硅柵極，以及在溝道區(qū)域的任意一側上的硅襯底中形成的源極/漏極區(qū)域。
然而，SiOxNy柵極介質的一個問題是經過晶片厚度和氮濃度的改變。柵極介質的經過晶片厚度和氮濃度的改變直接導致經過晶片閾值電壓的改變，特別地，在P-溝道場效應晶體管(PFET)中，引起來自相同晶片的各個分離集成電路芯片的性能的改變。因此，需要一種制造具有相對均勻的經過晶片厚度和氮濃度的SiOxNy層的方法。

發(fā)明內容
本發(fā)明的第一方面是一種制造柵極介質層的方法，包括以下步驟提供襯底；在所述襯底的上表面上形成二氧化硅層；在還原氣氛中執(zhí)行等離子體氮化以將所述二氧化硅層轉變?yōu)檠醯鑼印?br> 本發(fā)明的第二方面是一種制造MOSFET的方法，包括以下步驟提供具有至少最上硅層的半導體襯底；在所述半導體襯底的上表面上形成二氧化硅層；在還原氣氛中執(zhí)行等離子體氮化以將所述二氧化硅層轉變?yōu)檠醯鑼?；在所述氧氮化硅層上形成多晶硅柵極，所述多晶硅柵極在所述半導體襯底中的溝道區(qū)域上對準；以及在所述半導體襯底中形成源極/漏極區(qū)域，所述源極/漏極區(qū)域與所述多晶硅柵極對準。


在附加權利要求中闡明了本發(fā)明的特征。然而，通過參考后面示意性實施例的詳細描述并與附圖一起閱讀將會更好地理解發(fā)明本身，其中圖1至3是部分截面圖，示出了根據(jù)本發(fā)明制造氮化柵極介質層；圖4和5是部分截面圖，示出了根據(jù)本發(fā)明制造MOSFET；圖6是根據(jù)本發(fā)明用于制造在圖1至4中示出的介質層和MOSFET的工藝步驟的流程圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明的第一實施例用于執(zhí)行氮化步驟的遠程等離子體系統(tǒng)氮化系統(tǒng)的示意圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明氮化氧化硅柵極介質的經過晶片厚度的控制改善的圖表；圖9是根據(jù)本發(fā)明使用和不使用還原氣體，氮化二氧化硅厚度的不同的圖表；以及圖10是根據(jù)本發(fā)明的第二實施例用于執(zhí)行氮化步驟的遠程等離子體系統(tǒng)氮化系統(tǒng)的示意圖。
具體實施例方式
術語氮化二氧化硅指向SiO2層中引入氮以形成氧氮化硅(SiOxNy)。SiOxNy的范圍包括所有整數(shù)x和y(或其分數(shù))的組合，其中SiOxNy是穩(wěn)定的。還原氣氛限定為包括與氧反應的核素的氣態(tài)氣氛。
圖1至3是部分截面圖，示出了根據(jù)本發(fā)明制造氮化物柵極介質層。在圖1中，提供具有上表面105的襯底100。襯底100可以是本征、N-型或P-型體硅襯底，未摻雜或本征、N-型或P-型絕緣體上硅(SOI)襯底或藍寶石襯底或紅寶石襯底。
在圖2中，在襯底100的上表面105上形成具有厚度D1的基體SiO2層110。在表面105上形成基體SiO2層110之前，通過技術上已公知的多個清潔工藝的任意一個清潔該表面。例如，可以使用稀釋氫氟酸(BHF)清潔之后NH4OH清潔再之后HCl清潔來清潔表面105。如果襯底100是塊體硅襯底或SOI襯底，可以在第一實例中，通過在含氧氣氛的爐中，在約600到800℃溫度下熱氧化約0.5到30分鐘，形成基體SiO2層110。在第二實例中，可以通過在含氧氣氛中，在約800到1000℃溫度下快速熱氧化(RTO)約5到60秒，形成基體SiO2層110。如果襯底100是紅寶石或藍寶石襯底，可以通過在化學氣相沉積(CVD)裝置中沉積形成基體SiO2層110并且介質層可以是四乙氧基硅烷(TEOS)氧化物。TEOS還可以用于體硅或SOI襯底。TEOS還可以用于體硅或SOI襯底。在一個實例中，D1約8到23厚。對任意襯底，基體SiO2層110可以是自然氧化物，允許通過將清潔硅表面暴露在空氣或氧氣中形成，或基體SiO2層110可以通過“裸”硅表面的氧化清潔工藝形成。
在圖3中，執(zhí)行遠程等離子體氮化(RPN)工藝以將基體SiO2層110(見圖2)轉變?yōu)榈疭iO2(SiOxNy)層110A。下面參考圖6，7和9描述遠程等離子體氮化工藝。SiOxNy層110A具有厚度D2。在一個實例中，D2約8到24厚。在一個實例中，SiOxNy層110A約2到20％的氮原子。在第二實例中，在SiOxNy層110A中的氮的濃度在1E21和1E22atm/cm3之間。本發(fā)明的一個優(yōu)點是氮化后氧化物的介質厚度與氮化前氧化物的厚度相比增加很小。盡管厚度增加的數(shù)量是氮化前氧化物的厚度(D1)的函數(shù)，氮化后氧化物的厚度(D2)通常僅增加約0到5％。
圖4和5是部分截面圖，示出了根據(jù)本發(fā)明制造MOSFET。圖4延續(xù)圖3。在圖4中，在SiOxNy層110A的上表面上形成多晶硅層115。可以使用技術上已公知的如低壓化學氣相沉積(LPCVD)或快速熱化學氣相沉積(RTCVD)的許多沉積工藝的一種形成多晶硅層115。多晶硅層115可以是未摻雜或摻雜N-型或P-型。在一個實例中，多晶硅層115是1000到2000厚。
在圖5中，蝕刻多晶硅層115(參看圖4)；例如，通過反應離子蝕刻(RIE)工藝以形成柵極125。在柵極125的側壁135上形成隔離物130。源極/漏極140的形成(典型地通過一步或多步離子注入工藝)基本上完成MOSFET 145的形成，SiOxNy層110A作為MOSFET的柵極介質。如果多晶硅層115(參看圖4)在沉積期間未摻雜，形成隔離物后，柵極125可以與源極/漏極140的形成一起或通過分離步驟，通過離子注入摻雜N-型或P-型。
圖6是根據(jù)本發(fā)明，在圖1至5中示出的用于形成介質層和MOSFET的工藝步驟的流程圖。將以硅襯底為例。在步驟150中，通過技術上已公知的多個清潔工藝的任意一個清潔硅襯底的表面。在第一實例中，可以使用稀釋氫氟酸(BHF)清潔之后NH4OH清潔再之后HCl清潔，來清潔硅表面105?？蛇x地，在第二實例中，可以使用BHF之后O3清潔再之后干HCl清潔，來清潔硅表面。
在步驟155中，例如，通過在含氧氣氛的爐中，在約600到800℃溫度下熱氧化約0.5到30分鐘，通過在含氧氣氛中，在約800到1000℃溫度下RTO約5到60秒，或通過將清潔硅表面暴露于空氣或氧氣，來形成基體SiO2層。基體SiO2層約8到23厚。
在步驟160中，執(zhí)行遠程等離子體氮化工藝。在第一實例中，將氮和如氦的惰性氣體的混合氣體引入遠程等離子體氮化裝置的等離子體產生端口，并將如氫或氨的還原氣體通過第二、非等離子體產生端口引入，同時在處理反應室中旋轉將要處理的晶片(參看圖7)。典型的工藝條件是氮的流速約1到20slm(標準升/分)，氦(或其它惰性氣體)的流速約1到20slm，氫(氨或其它還原氣體)的流速約1到20slm，反應室氣壓約0.2到50Torr，微波功率1000到3000瓦特，晶片溫度約25到1000℃，持續(xù)約20到500秒。
在第二實例中，將氮、如氦的惰性氣體和如氫或氨的還原氣體的混合氣體引入遠程等離子體氮化裝置的等離子體產生端口，同時在處理反應室中旋轉將要處理的晶片(參看圖10)。典型的工藝條件是氮的流速約1到20slm，氦(或其它惰性氣體)的流速約1到20slm，氫的流速約1到20slm，反應室氣壓約0.2到50Torr，微波功率1000到3000瓦特，晶片溫度約25到1000℃，持續(xù)約20到500秒。
在這兩個實例中，氮的劑量約1E14到5E15atm/cm2并且最終SiOxNy層含有約2到20％的氮。
在步驟165中，執(zhí)行可選的退火步驟。通常不需要退火，因為在熱晶片上實施遠程等離子體氮化?？梢詧?zhí)行標準的快速熱退火(RTA)或峰值RTA。使用峰值退火以提高遷移率而不驅使氮進入SiO2/Si界面。峰值退火限定為晶片在最高晶片溫度的時間約60秒或更短的退火，而標準RTA限定為晶片在最高晶片溫度的時間大于約60秒的退火。
之后的步驟使用氮化SiO2介質作為MOSFET的柵極介質。
在步驟170中，使用技術上已公知的如LPCVD或RTCVD的多種沉積工藝的一種在氮化SiO2上形成多晶硅層。該多晶硅層可以未摻雜或摻雜N-型或P-型。在一個實例中，多晶硅層是1000到2000厚。
在步驟175中，基本上完成了MOSFET。蝕刻多晶硅層；例如，通過RIE工藝形成柵極，在柵極的側壁上形成隔離物并且在柵極的任意一側上的襯底中形成源極/漏極(典型地通過一步或多步離子注入工藝)。SiOxNy層是MOSFET的柵極介質。如果多晶硅層在沉積期間未摻雜，形成隔離物后，柵極可以與源極/漏極140的形成一起或通過分離的步驟，通過離子注入摻雜N-型或P-型。
圖7是根據(jù)本發(fā)明的第一實施例，用于執(zhí)行氮化步驟的遠程等離子體系統(tǒng)氮化系統(tǒng)的示意圖。在圖7中，遠程等離子體裝置180包括反應室185和在反應室中的可旋轉晶片卡盤190(用于夾持晶片195)。用于提供能量以啟動并維持等離子體205的微波線圈200包圍反應室185的內壁215中的第一入口210A。通過入口210A提供用于產生等離子體205的氣體(在本實例中，氦/氮混合氣體)。通過第二入口210B提供還原氣體(在本實例中，氫)。其它還原氣體包括氨，氫和氮的混合氣體，氨和氮的混合氣體，以及氫、氨和氮的混合氣體，氘，氘化氨，氘和氮的混合氣體，氘化氨和氮的混合氣體，氘、氘化氨和氮的混合氣體，以及氘、氨和氮的混合氣體。也在反應室185的內壁215中并與真空泵(未示出)相連的排氣口220移除廢核素并維持處理氣壓。排氣口220和第一入口210A位于室185的直徑相對側，并且第二入口210B位于第一入口和排氣口之間。
使用中，具有在晶片230上表面上的基體SiO2層(未示出)的晶片195從轉換反應室(未示出)放入反應室185中并且旋轉，通過第一入口210A將預定氮化氣體混合物(在本實例中，He/N2)以預定流速引入反應室，通過第二入口B將預定還原氣體混合物(在本實例中，H2/NH3)以預定流速引入反應室，并且反應室通過與排氣口220相連的真空泵維持預定氣壓。將預定瓦特數(shù)的微波功率施加到微波線圈200上，以激勵并維持等離子體205。在預定時間后，斷開微波功率熄滅等離子體205，切斷氣流并且反應室185的氣壓達到轉換反應室的氣壓。等離子體205主要是氮離子、氦離子、氫中性等離子體。
用于實踐本發(fā)明的合適裝置的一個實例是由Applied Materials Corp，Santa Clara，CA制造的AMAT model XE12反應室，具有也是由AppliedMaterials Corp提供的解耦等離子體單元。
圖8是根據(jù)本發(fā)明氮化氧化硅柵極介質的經過晶片厚度的控制改善的圖表。圖8示出了對于平均厚度相同的兩個氮化二氧化硅膜，RPN后氧化硅膜的厚度對與晶片中心的距離的函數(shù)。使用橢偏儀執(zhí)行測量。曲線225是如上述處理的SiOxNy層，但是沒有任何還原氣體流。曲線225的SiOxNy層的平均厚度是17.9，具有0.97的δ。曲線230是如上述處理的SiOxNy層，但是具有還原氣體流。曲線230的SiOxNy層的平均厚度是18.0，具有0.50的δ。因此，引入還原核素導致厚度不均勻的約雙倍的增加。
層225和230的第二離子質譜分析(SIMS)分布說明氮濃度均勻性的提高與SiOxNy厚度均勻性的提高軌跡復合很好，如表I所示。注意氮的劑量和濃度之間是一一對應的。
表I

在表I中，在沒有還原氣體存在的反應室中，由遠程等離子體氮化處理的晶片中，氮濃度從中心到邊緣的改變超過50％。在具有還原氣體存在的反應室中，由遠程等離子體氮化處理的晶片的兩個實例中，在晶片中氮濃度從中心到邊緣的改變不超過25％。
因此，SiOxNy厚度的均勻性和氮濃度的均勻性都有約兩倍因子的提高。
圖9是根據(jù)本發(fā)明使用和不使用還原氣體，氮化二氧化硅厚度的不同的圖表。如上所述，在執(zhí)行RPN處理時不使用還原氣體的另一個問題是，如所示的在基體SiO2層和完成的SiOxNy層之間介質厚度有不可接受的增加。如圖9所示，向RPN反應室中引入還原氣體大大降低了此厚度的增加。圖9繪出了自然氧化(曲線235)、RPN后自然氧化膜無還原氣體處理(曲線240)和RPN后自然氧化膜有還原氣體處理(曲線245)的厚度對與晶片中心的距離的函數(shù)。使用橢偏儀執(zhí)行測量。曲線240是SiOxNy層，由約10厚的自然氧化層經上述處理制備，但是沒有任何還原氣體流。曲線240的SiOxNy層的平均厚度約25到27.5。曲線245是如上述處理的SiOxNy層，但是具有還原氣體流。曲線245的平均厚度約13到13.5。因此，引入還原核素明顯減小了介質層厚度在RPN處理期間的增加。厚度的增加限定在約35％。在一些實例中厚度的增加接近于零。
圖10是根據(jù)本發(fā)明的第二實施例用于執(zhí)行氮化步驟的遠程等離子體系統(tǒng)氮化系統(tǒng)的示意圖。圖10類似于圖7，除了沒有氣體從第二入口210B提供而所有的氣體(氮，氦和氫)都通過第一入口210A提供。等離子體205主要是氮離子、氦離子、氫離子等離子體。
因此，本發(fā)明滿足了對具有相對均勻的經過晶片厚度的SiOxNy層的制造方法的需求。
上面給出的本發(fā)明的實施例的描述用于理解本發(fā)明。應該明白，本發(fā)明不僅僅限于這里描述的特殊的實施例，而是現(xiàn)在對于本領域的技術人員明白的是，在不脫離本發(fā)明的范圍內可以進行各種修改，重新布置以及替代。因此，旨在隨后的權利要求覆蓋落入本發(fā)明的真正精神和范圍內的所有這樣的修改和變換。
權利要求
1.一種制造柵極介質層的方法，包括以下步驟提供襯底；在所述襯底的上表面上形成二氧化硅層；在還原氣氛中執(zhí)行等離子體氮化以將所述二氧化硅層轉變?yōu)檠醯鑼印?br> 2.根據(jù)權利要求1的方法，其中使用遠程等離子體氮化工藝執(zhí)行所述等離子體氮化步驟。
3.根據(jù)權利要求1的方法，其中使用通過遠程等離子體氮化裝置的第一入口引入的氮和惰性氣體等離子體和通過所述遠程等離子體氮化裝置的第二入口引入的中性還原氣體執(zhí)行所述等離子體氮化步驟。
4.根據(jù)權利要求3的方法，其中所述惰性氣體是氦，并且所述還原氣體是氫，氨，氫和氮的混合氣體，氨和氮的混合氣體，以及氫、氨和氮的混合氣體，氘，氘化氨，氘和氮的混合氣體，氘化氨和氮的混合氣體，氘、氘化氨和氮的混合氣體，或氘、氨和氮的混合氣體。
5.根據(jù)權利要求1的方法，其中使用包括氮，惰性氣體和還原氣體的等離子體執(zhí)行所述等離子體氮化步驟。
6.根據(jù)權利要求5的方法，其中所述惰性氣體是氦，所述還原氣體是氫。
7.根據(jù)權利要求1的方法，其中所述襯底包括體硅或絕緣體上硅襯底，并且通過選自如下的工藝形成所述二氧化硅層在空氣或氧氣中自然氧化生長、熱氧化、快速熱氧化、化學氣相沉積和氧化清潔工藝。
8.根據(jù)權利要求1的方法，其中所述二氧化硅層具有約8到23的厚度。
9.根據(jù)權利要求1的方法，其中所述氧氮化硅具有約8到24的厚度。
10.根據(jù)權利要求1的方法，其中所述氧氮化硅膜包括約2到20百分比的氮。
11.根據(jù)權利要求1的方法，其中在所述氧氮化硅層中的氮的濃度在約1E21和1E22atm/cm3之間。
12.根據(jù)權利要求1的方法，其中所述執(zhí)行等離子體氮化的步驟將約1E14到5E14atm/cm2劑量的氮賦予所述二氧化硅層。
13.根據(jù)權利要求1的方法，其中所述氧氮化硅層的厚度比所述二氧化硅層的厚度厚約0到35％。
14.根據(jù)權利要求1的方法，其中所述氧氮化硅層的厚度從所述襯底的中心到邊緣改變不大于約0.5埃δ。
15.根據(jù)權利要求1的方法，其中所述氧氮化硅層的氮濃度從所述襯底的中心到邊緣改變不大于約25％。
16.一種制造MOSFET的方法，包括以下步驟提供具有至少最上硅層的半導體襯底；在所述半導體襯底的上表面上形成二氧化硅層；在還原氣氛中執(zhí)行等離子體氮化以將所述二氧化硅層轉變?yōu)檠醯鑼?；在所述氧氮化硅層上形成多晶硅柵極，所述多晶硅柵極在所述半導體襯底中的溝道區(qū)域上對準；以及在所述半導體襯底中形成源極/漏極區(qū)域，所述源極/漏極區(qū)域與所述多晶硅柵極對準。
17.根據(jù)權利要求16的方法，其中使用遠程等離子體氮化工藝執(zhí)行所述等離子體氮化步驟。
18.根據(jù)權利要求16的方法，其中使用通過遠程等離子體氮化裝置的第一入口引入的氮和惰性氣體等離子體和通過所述遠程等離子體氮化裝置的第二入口引入的中性還原氣體執(zhí)行所述等離子體氮化步驟。
19.根據(jù)權利要求18的方法，其中所述惰性氣體是氦，并且所述還原氣體是氫，氨，氫和氮的混合氣體，氨和氮的混合氣體，以及氫、氨和氮的混合氣體，氘，氘化氨，氘和氮的混合氣體，氘化氨和氮的混合氣體，氘、氘化氨和氮的混合氣體，或氘、氨和氮的混合氣體。
20.根據(jù)權利要求16的方法，其中使用包括氮，惰性氣體和還原氣體的等離子體執(zhí)行所述等離子體氮化步驟。
21.根據(jù)權利要求20的方法，其中所述惰性氣體是氦，所述還原氣體是氫。
22.根據(jù)權利要求16的方法，其中所述襯底包括體硅或絕緣體上硅襯底，并且通過選自如下的工藝形成所述二氧化硅層在空氣或氧氣中自然氧化生長、熱氧化、快速熱氧化、化學氣相沉積和氧化清潔工藝。
23.根據(jù)權利要求16的方法，其中所述二氧化硅層具有約8到23的厚度。
24.根據(jù)權利要求16的方法，其中所述氧氮化硅具有約8到24的厚度。
25.根據(jù)權利要求16的方法，其中所述氧氮化硅膜包括約2到20百分比的氮。
26.根據(jù)權利要求16的方法，其中在所述氧氮化硅層中的氮的濃度在約1E21和1E22atm/cm3之間。
27.根據(jù)權利要求16的方法，其中所述執(zhí)行等離子體氮化的步驟將約1E14到5E14atm/cm2劑量的氮賦予所述二氧化硅層。
28.根據(jù)權利要求16的方法，其中所述氧氮化硅層的厚度比所述二氧化硅層的厚度厚約0到35％。
29.根據(jù)權利要求16的方法，其中所述氧氮化硅層的厚度從所述襯底的中心到邊緣改變不大于約0.5埃δ。
30.根據(jù)權利要求16的方法，其中所述氧氮化硅層的氮濃度從所述襯底的中心到邊緣改變不大于約25％。
全文摘要
一種制造柵極介質層的方法，包括以下步驟提供襯底(100)；在襯底的上表面(105)上形成二氧化硅層(110)；在還原氣氛中執(zhí)行等離子體氮化以將二氧化硅層轉變?yōu)檠醯鑼?110A)。這樣形成的介質層可以用于制造MOSFET(145)。
文檔編號H01L21/469GK1894781SQ200480024395
公開日2007年1月10日 申請日期2004年8月26日 優(yōu)先權日2003年8月26日
發(fā)明者J·S·伯納姆, J·S·納科斯, J·J·昆利萬, B·小羅克, S·M·尚克, B·A·沃德 申請人:國際商業(yè)機器公司