專利名稱：柵極氧化層的形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，尤其涉及一種柵極氧化層的形成方法。
背景技術(shù)：
集成電路尤其是超大規(guī)模集成電路中的主要器件是金屬氧化物半導(dǎo)體(Metal Oxide Semiconductor，簡稱M0S)。集成電路自發(fā)明以來，其在性能和功能上的進(jìn)步是突飛猛進(jìn)的，并且MOS器件的幾何尺寸一直在不斷縮小，目前其特征尺寸已經(jīng)進(jìn)入納米尺度。在MOS器件按比例縮小的過程中，漏極電壓并不隨之減小，這就導(dǎo)致源極、漏極間的溝道區(qū)電場的增大，在強(qiáng)電場作用下，電子在兩次碰撞之間會加速到比熱運動速度高出許多倍的速度，因此動能很大，這些電子被稱為熱電子，所述熱電子會向柵介質(zhì)層注入，從而引起熱電子效應(yīng)(hot electroneffect) 0該效應(yīng)屬于器件的小尺寸效應(yīng)，所述效應(yīng)會引起柵電極電流和半導(dǎo)體襯底電流，影響器件和電路的可靠性。上述熱電子效應(yīng)是影響MOS器件壽命(TTF)的一個關(guān)鍵因素?zé)犭娮有?yīng)越弱，器件壽命越長；反之，熱電子效應(yīng)越明顯，器件壽命越短。為了提高M(jìn)OS器件壽命，需要抑制熱電子效應(yīng)。對于NMOS器件，熱電子效應(yīng)尤為突出。因為NMOS的主要載流子是電子，而PMOS 的主要載流子是空穴，與空穴比較，電子更容易躍過半導(dǎo)體襯底與柵介質(zhì)層之間的界面勢壘，從而使得電子更容易注入柵介質(zhì)層，造成對柵介質(zhì)層的傷害。公開號為CN1393935A的中國專利申請中提供了一種具有口袋(pocket)摻雜結(jié)構(gòu)的NMOS器件，一定程度上抑制了熱電子效應(yīng)。所述結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括提供半導(dǎo)體襯底 001，在所述半導(dǎo)體襯底001上注入硼離子，形成P型阱002和溝道區(qū)(圖中未標(biāo)示)；在所述半導(dǎo)體襯底001表面上依次形成柵極氧化層003和柵電極004，所述柵電極004兩側(cè)的半導(dǎo)體襯底為源區(qū)和漏區(qū)；在所述源區(qū)和漏區(qū)內(nèi)注入銦離子，以形成口袋區(qū)域005 ；繼續(xù)在所述源區(qū)和漏區(qū)內(nèi)注入磷離子，形成輕摻雜區(qū)006 ；在柵介質(zhì)層003和柵電極004的兩側(cè)形成側(cè)壁007 ；最后，對所述源區(qū)和漏區(qū)進(jìn)行深摻雜，以形成源極008和漏極009。現(xiàn)有技術(shù)的改進(jìn)主要是集中于源漏結(jié)的改進(jìn)，如上述采用輕摻雜源漏(LDD)等。 上述改進(jìn)將有效降低溝道區(qū)漏端電場，減少被激發(fā)的載流子，從而改善熱電子效應(yīng)。但是這些改進(jìn)并不涉及減少載流子在氧化層中捕獲幾率，即如何有效改善柵極氧化層中的界面態(tài)，主要減少所述柵極氧化層內(nèi)的界面陷阱，以抑制熱電子效應(yīng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的問題是提供一種柵極氧化層的形成方法，以改善現(xiàn)有技術(shù)形成的半導(dǎo)體器件的熱電子效應(yīng)。為解決上述問題，本發(fā)明提供一種柵極氧化層的形成方法，包括提供襯底，采用熱氧化工藝在所述襯底上形成柵極氧化物層，其中，所述熱氧化工藝為至少包含有氘氣的混合氣體?？蛇x的，所述氘氣的流量范圍為Islm lOslm。
可選的，所述熱氧化環(huán)境中包含有氘氣和氧氣。可選的，所述熱氧化環(huán)境中包含有氘氣和氧化亞氮?？蛇x的，所述熱氧化環(huán)境的溫度范圍為650 1100°C，腔室壓力0. 5 780Torr， 反應(yīng)時間約為3 90秒?？蛇x的，還包括對所述柵極氧化物層進(jìn)行氮化?？蛇x的，對所述柵極氧化物層進(jìn)行氮化后，還包括對所述柵極氧化物層進(jìn)行退火?？蛇x的，所述退火氛圍中至少包含有氘氣?？蛇x的，所述氘氣的流量范圍為Islm lOslm。可選的，所述退火溫度為900 1100°C。與現(xiàn)有技術(shù)相比，上述方案具有以下優(yōu)點本發(fā)明通過在熱氧化環(huán)境中引入氘氣， 用于飽和位于界面態(tài)內(nèi)的硅懸掛鍵，以形成的硅-氘鍵，或者取代硅氫鍵的氫，以形成硅氘鍵。在半導(dǎo)體工藝中，所述硅-氘鍵不易因外部的應(yīng)力造成所述硅-氘鍵的斷裂，減少硅懸掛鍵，進(jìn)一步減少位于柵極氧化層內(nèi)的界面缺陷，抑制熱電子效應(yīng)；進(jìn)一步地，在熱氧化工藝后的退火環(huán)境中引入氘氣，用于飽和位于界面態(tài)內(nèi)的硅懸掛鍵，以形成的硅-氘鍵，或者取代硅氫鍵的氫，以形成硅氘鍵。在半導(dǎo)體工藝中，所述硅-氘鍵不易因外部的應(yīng)力造成所述硅-氘鍵的斷裂，減少硅懸掛鍵，進(jìn)一步減少位于柵極氧化層內(nèi)的界面缺陷，抑制熱電子效應(yīng)。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明一個實施例的柵極氧化層形成方法流程示意圖。圖3至圖8為本發(fā)明一個實施例的柵極氧化層形成方法結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式當(dāng)器件尺寸縮小時，柵極氧化層的厚度同時相應(yīng)地變薄。然而，當(dāng)厚度縮減到達(dá)某一程度時，柵極氧化層因太薄而無法提供柵極導(dǎo)電材料與位于其下方的半導(dǎo)體襯底足夠的電學(xué)絕緣。更重要是，較薄的柵極氧化層易于讓注入的摻雜離子擴(kuò)散到柵極氧化層內(nèi)。進(jìn)一步地，通過半導(dǎo)體工藝環(huán)境，所述柵極氧化層與硅襯底界面中含有大量的硅懸鍵，在所述柵極氧化層內(nèi)形成界面缺陷，使得硅懸掛鍵易于俘獲電子，造成熱電子效應(yīng)；所述硅懸掛鍵還可能與如熱氧化工藝中的氫鍵合，所述硅氫鍵較弱，在外界應(yīng)力環(huán)境下容易斷鍵，仍會在所述柵極氧化層內(nèi)形成硅懸掛鍵。針對上述發(fā)現(xiàn)，發(fā)明人從減少柵極氧化物層內(nèi)的界面缺陷，以抑制熱電子效應(yīng)的角度，提供一種柵極氧化層的形成方法，包括提供襯底，采用熱氧化工藝在所述襯底上形成柵極氧化物層，其中，所述熱氧化工藝的反應(yīng)氣體為至少包含有氘氣的混合氣體。下面以柵極的形成方法為實施例，對本發(fā)明柵極氧化層的形成方法進(jìn)行說明。如圖2所示，為本發(fā)明一個實施例的柵極的形成方法，包括步驟Si,提供襯底，對所述襯底離子注入形成N型阱或P型阱，并對所述襯底進(jìn)行預(yù)清洗；步驟S2，通過熱氧化工藝，在所述襯底上形成柵極氧化層，所述熱氧化工藝的反應(yīng)氣體中包含有氘氣和氧氣的混合氣體，或者是氘氣和氧化亞氮的混合氣體；步驟S3，對位于所述襯底上的柵極氧化層進(jìn)行氮化；步驟S4,對所述柵極氧化層進(jìn)行退火，所述退火氣體至少包含有氘氣體；步驟S5，在所述柵極氧化層上形成多晶硅層；步驟S6，圖案化刻蝕位于襯底上的多晶硅層和柵極氧化層，以形成柵極。為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更為明顯易懂，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
做詳細(xì)的說明。在以下描述中闡述了具體細(xì)節(jié)以便于充分理解本發(fā)明。但是本發(fā)明能夠以多種不同于在此描述的其它方式來實施，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不違背本發(fā)明內(nèi)涵的情況下做類似推廣。因此本發(fā)明不受下面公開的具體實施的限制。圖3至圖8為本發(fā)明一個實施例的柵極氧化層的形成方法結(jié)構(gòu)示意圖。如圖3所示，首先提供襯底200，所述襯底200為N型襯底或P型襯底，本實施例中，所述襯底為N型襯底。對所述襯底200進(jìn)行離子注入工藝，在所述襯底200內(nèi)形成N型阱或P型阱(未圖示)，通過淺溝道隔離制程(STI)形成溝道(未圖示)并填充隔離介質(zhì) 210隔離出有源區(qū)。接著，采用稀釋的氫氟酸(HF)溶液對襯底200進(jìn)行預(yù)清洗，除掉襯底200表面的污染物和氧化層。如圖4所示，通過熱氧化工藝，在所述襯底200上形成柵極氧化層220，所述熱氧化環(huán)境300為至少包含有氘氣的混合氣體。所述氘氣的流量為Islm lOslm。所述熱氧化工藝可以為蒸汽原位生成(situ stream-generated, ISSG)或者是快速熱氧化工藝(RTO)，形成所述柵極氧化層220的溫度范圍為650 1100°C，所述柵極氧化層220的厚度為1 18埃。本實施例中，所述熱氧化工藝為快速熱氧化工藝(RTO)。在RTO腔室內(nèi)，利用照射器快速加熱并干燥襯底200表面，以在氧氣環(huán)境下形成柵極氧化層220。所述熱氧化環(huán)境中除氧氣外，至少還包含有氘氣。 所述熱氧化環(huán)境中除氧氣、氘氣外，還可以包含有氧化亞氮。本實施例中，為包含有氧氣和氘氣的混合氣體，所述混合氣體具有ι ^lm的總流速。所述熱氧化環(huán)境的溫度范圍為650 1100°C，腔室壓力0. 5 780Torr，反應(yīng)時間約為3 90秒。作為其他實施例，所述襯底200的快速熱氧化反應(yīng)也可以利用濕法制程進(jìn)行，如 蒸汽原位生成(situ stream-generated, ISSG)，并伴隨有例如總流速為1 klm的含氘氣的混合氣體，所述混合氣體中還包含有氫氣或氧化亞氮中的一種或組合。本實施例中，所述熱氧化環(huán)境的溫度范圍為650 1100°C，腔室壓力為0. 5 780Torr，反應(yīng)時間約為3 90秒。本發(fā)明通過在柵極氧化層220的熱氧化生長過程中引入氘元素，飽和界面態(tài)內(nèi)的硅懸掛鍵，形成結(jié)合較強(qiáng)的硅氘鍵能鍵，以減小位于界面態(tài)內(nèi)的硅懸掛鍵，或者取代硅氫鍵的氫，以形成硅氘鍵。同時硅-氘鍵能大于所述硅-氫鍵能，在半導(dǎo)體工藝環(huán)境下，所述硅-氘鍵不易因外部的應(yīng)力造成斷鍵，進(jìn)一步減少位于界面態(tài)內(nèi)的硅懸掛鍵，減少界面缺陷，進(jìn)而抑制熱電子效應(yīng)。如圖5所示，在氮化環(huán)境310中，對位于襯底200上的柵極氧化層220進(jìn)行氮化，在所述柵極氧化層220表面形成氮氧化硅。與具有相同厚度但沒有氮氧化硅的柵極氧化層220比較，具有氮氧化硅的柵極氧化層220具有較大的電學(xué)絕緣能力。此外，氮氧化硅也具有阻止摻雜離子擴(kuò)散到柵極氧化層220的能力。所述氮化工藝可以通過去耦合等離子體氮化(decoupled plasmanitridation, DPN)工藝完成，利用DPN工藝所形成的氮氧化硅可作為摻雜離子的阻障，因此在離子注入后的熱處理步驟中，氮氧化硅將阻擋摻雜離子擴(kuò)散至柵極氧化層220中。所述氮氧化硅可保持柵極氧化層220的電學(xué)絕緣特性以及防止電學(xué)效能降低的問題。尤其地，當(dāng)工藝技術(shù)推進(jìn)到60納米以下技術(shù)門檻后，DPN工藝已成為制作半導(dǎo)體元件不可或缺的工藝技術(shù)。如圖6所示，在退火環(huán)境320中，對襯底200進(jìn)行退火，退火的目的是消除膜層內(nèi)部，包括柵極氧化層220的缺陷和內(nèi)應(yīng)力，減小電阻率。其原理是薄膜內(nèi)的原子會在熱作用下進(jìn)行重新分布而使得缺陷消失。繼續(xù)參考圖6，所述退火氛圍320中至少包含有氘氣，引入所述氘氣至退火環(huán)境中的原因如下通過在退火氛圍320中引入氘元素，飽和界面態(tài)內(nèi)的硅懸掛鍵，形成結(jié)合較強(qiáng)的硅氘鍵，以減小位于界面態(tài)內(nèi)的硅懸掛鍵，或者取代硅氫鍵的氫，以形成硅氘鍵。同時硅-氘鍵能大于所述硅-氫鍵能，在半導(dǎo)體工藝環(huán)境下，所述硅-氘鍵不易因外部的應(yīng)力造成斷鍵，進(jìn)一步減少位于界面態(tài)內(nèi)的硅懸掛鍵，減少界面缺陷，進(jìn)而抑制熱電子效應(yīng)。本實施例中，所述退火為一步完成，所述退火氛圍320中除氘氣外，還可以包含有氮氣或惰性氣體，所述退火溫度為900 1100°C，退火時間為60 120S。較佳地，所述退火溫度為1000°C，退火時間為100S。本實施例中，所述退火工藝為一步退火完成，作為其他實施例，所述退火工藝還可以分為兩步進(jìn)行首先在溫和的退火氛圍中進(jìn)行退火，以加密氮化后的柵極氧化層220，所述退火氛圍至少包含有氘氣，所述退火溫度為900 1050°C ；接著升高退火溫度至1000 1100°C，進(jìn)行第二次退火，所述退火氛圍中至少包含有氘氣。作為較佳實施例，氮化工藝與退火工藝在原位(in situ)機(jī)臺的連續(xù)兩個反應(yīng)室中進(jìn)行。這樣可以節(jié)省將半導(dǎo)體器件從只能進(jìn)行氮化工藝的設(shè)備傳送到只能進(jìn)行退火工藝的設(shè)備的傳送間隔時間。因此原位機(jī)臺退火可提高產(chǎn)量，并滿足在氮化工藝后與下一個工藝(如多晶硅沉積)間的等待時間的限制。如圖7所示，在氮化后的柵極氧化層220上形成多晶硅層M0，所述多晶硅240形成方法可以為化學(xué)氣相沉積法。如圖8所示，對所述柵極氧化層220及多晶硅層240圖案化，并依次刻蝕所述所述柵極氧化層220及多晶硅層M0，形成柵極。具體地，在所述多晶硅層240上形成圖案化的光刻膠層(未圖示)，以所述光刻膠層為掩膜，依次刻蝕所述所述柵極氧化層220及多晶硅層MO，形成柵極。本發(fā)明通過在熱氧化環(huán)境中引入氘氣，用于飽和位于界面態(tài)內(nèi)的硅懸掛鍵，以形成的硅-氘鍵，或者取代硅氫鍵的氫，以形成硅氘鍵。在半導(dǎo)體工藝中，所述硅-氘鍵不易因外部的應(yīng)力造成所述硅-氘鍵的斷裂，減少硅懸掛鍵，進(jìn)一步減少位于柵極氧化層內(nèi)的界面缺陷，抑制熱電子效應(yīng)；進(jìn)一步地，在熱氧化工藝后的退火工藝中引入氘氣，用于飽和位于界面態(tài)內(nèi)的硅
6懸掛鍵，以形成的硅-氘鍵，或者取代硅氫鍵的氫，以形成硅氘鍵。在半導(dǎo)體工藝中，所述硅-氘鍵不易因外部的應(yīng)力造成所述硅-氘鍵的斷裂，減少硅懸掛鍵，進(jìn)一步減少位于柵極氧化層內(nèi)的界面缺陷，抑制熱電子效應(yīng)。 雖然本發(fā)明已以較佳實施例披露如上，但本發(fā)明并非限定于此。任何本領(lǐng)域技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，均可作各種更動與修改，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)以權(quán)利要求所限定的范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種柵極氧化層的形成方法，其特征在于，包括提供襯底，采用熱氧化工藝在所述襯底上形成柵極氧化物層，其中，所述熱氧化工藝的反應(yīng)氣體為至少包含有氘氣的混合氣體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述柵極氧化層的形成方法，其特征在于，所述氘氣的流量范圍為 Islm IOslm0
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述柵極氧化層的形成方法，其特征在于，所述熱氧化環(huán)境中包含有氧氣和氘氣。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述柵極氧化層的形成方法，其特征在于，所述熱氧化環(huán)境中包含有氧化亞氮和氘氣。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述柵極氧化層的形成方法，其特征在于，所述熱氧化環(huán)境的溫度范圍為650 1100°C，腔室壓力0. 5 780Torr，反應(yīng)時間約為3 90秒。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述柵極氧化層的形成方法，其特征在于，還包括對所述柵極氧化物層進(jìn)行氮化。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述柵極氧化層的形成方法，其特征在于，對所述柵極氧化物層進(jìn)行氮化后，還包括對所述柵極氧化物層進(jìn)行退火。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述柵極氧化層的形成方法，其特征在于，所述退火氛圍中至少包含有氘氣。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述柵極氧化層的形成方法，其特征在于，所述氘氣的流量范圍為 Islm IOslm0
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述柵極氧化層的形成方法，其特征在于，所述退火溫度為900 1100°C。
全文摘要
本發(fā)明提供一種柵極氧化層的形成方法，包括提供襯底，通過熱氧化工藝，在所述襯底上形成柵極氧化物層，其中，所述熱氧化工藝的反應(yīng)氣體為至少包含有氘氣的混合氣體。本發(fā)明通過在柵極氧化層的熱氧化生長過程中引入氘元素，飽和界面態(tài)內(nèi)的硅懸掛鍵，形成結(jié)合較強(qiáng)的硅氘鍵，以減小位于界面態(tài)內(nèi)的硅懸掛鍵，或者取代硅氫鍵的氫，以形成結(jié)合較強(qiáng)的硅氘鍵。同時硅-氘鍵能大于所述硅-氫鍵能，在半導(dǎo)體工藝環(huán)境下，所述硅-氘鍵不易因外部的應(yīng)力造成斷鍵，進(jìn)一步減少位于界面態(tài)內(nèi)的硅懸掛鍵，減少界面缺陷，進(jìn)而抑制熱電子效應(yīng)。
文檔編號H01L21/316GK102486999SQ20101056935
公開日2012年6月6日 申請日期2010年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月1日
發(fā)明者何永根 申請人:中芯國際集成電路制造(北京)有限公司