CN100461341C - 使用调幅射频能量的栅极介电层的等离子体氮化方法和设备 - Google Patents
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Abstract
形成氮化栅极介电层的方法和设备。所述方法包括，通过平滑变化调制RF源功率，在处理室中产生含氮等离子体，减少电子温度尖峰。与方波调制比较，电源是平滑变化调制的时候，场效应晶体管沟道迁移率和栅极漏电流结果得到改进。
Description
发明背景
技术领域
本发明实施例一般涉及形成栅极介电层(gate dielectric)的方法和设备。更具体而言，本发明的实施例设计形成氮化的栅极介电层的方法。
背景技术
集成电路由多至例如上百万个器件组成，上述器件如为晶体管、电容器和电阻器。晶体管，例如场效应晶体管，通常包括源极、漏极和栅叠层(gate stack)。栅叠层通常包括衬底，如硅衬底、栅极介电层和栅极介电层上的栅电极(gate electrode)，如多晶硅。栅极介电层由介电材料，如二氧化硅(SiO2)或介电常数大于4.0的高K值介电材料，如氧氮化硅(SiON)、氮化硅(SiN)、氧化铪(HfO2)、硅酸铪(HfSiO2)、氧氮化硅铪(HfSiON)、氧化锆(ZrO2)、硅酸锆(ZrSiO2)、钛酸锶钡(BaSrTiO3或BST)、钛酸锆铅(Pb(ZrTi)O3或PZT)和类似物制成。然而，应当注意，膜叠层(film stack)可包括由其它材料制成的层。
图1显示嵌入栅极介电层104的FET(场效应晶体管)100的横截面。该图显示，在衬底102上装有栅极介电层104，栅电极106位于栅极介电层104上。侧壁衬垫(side wall spacer)108紧靠栅极介电层104和栅电极106的垂直侧壁。源极/漏极结(source/drain junctions)110形成于衬底102上，与栅电极106的相对垂直侧壁基本相邻。
随着集成电路尺寸和其上晶体管尺寸的减小，需用来提高晶体管速度的栅驱动电流得到提高。该驱动电流随着栅电容量的提高而增大，电容量＝kA/d，其中k是栅介电常数，d是介电层厚度，而A是器件面积。减小栅极介电层的介电层厚度以及提高其介电常数是提高栅电容量和驱动电流的方法。
已尝试将SiO2栅极介电层的厚度减小到20
以下。然而已发现，使用20
以下的SiO2栅极介电层经常会对栅性能和栅耐用性产生不期望有的影响。例如，掺硼栅电极中的硼可渗透通过薄SiO2栅极介电层，进入下面的硅衬底。同样，对于薄介电层，栅极漏电流即隧道电流(tunneling current)通常提高，这提高了栅极所耗功率量。薄SiO2栅极介电层容易受到NMOS热载流子退化(hot carrier degradation)的影响，其中经过介电层的高能载流子能损坏或破坏沟道。薄SiO2栅极介电层也容易受到PMOS负偏置温度不稳定性(NBTI)的影响，其中阈电压或驱动电流随着栅操作而漂移。
适于用作MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)中栅极介电层的介电层的形成方法包括，在含氮等离子体中氮化薄氧化硅膜。希望提高栅氧化物中净氮含量以提高介电常数，其原因有几方面。例如，在等离子体氮化工艺中氧化物介质体轻微地结合进氮，这相对于起始氧化物减小了等效氧化物厚度(equivalent oxide thickness)(EOT)。这导致栅极漏电流减小，这是由于在与未氮化氧化物介质相同的EOT下FET操作期间发生了隧道效应。同时，这种提高的氮含量也减小了在随后的处理操作期间因Fowler-Nordheim(F-N)隧道电流引起的破坏，假定介电层的厚度在F-N范围内。提高栅氧化物的净氮含量的另一个好处是氮化的栅极介电层更抗栅蚀刻底切(gate etchundercut)的问题，这反过来减小了缺陷态以及在栅边缘(gate edge)的电流泄漏。
在2003年8月26日公布的名称为“Plasma Nitridation For ReducedLeakage Gate Dielectric Layers”的美国专利6,610,615中，McFadden等比较了热氮化处理和等离子体氮化处理时氧化硅膜中氮的曲线(见图2)。氮化的氧化物膜被置于硅衬底上。图2进一步说明在氧化物膜下面的晶体硅中氮的曲线。热氮化氧化物的氮曲线数据202表明氮在氧化物层的顶部表面首先聚集；在氧化物较深处，其浓度一般下降；在氧化物-硅界面，氮在界面处聚集；最后，氮浓度梯度一般随着进入衬底的距离而逐渐下降。对比可见，等离子体氮化工艺产生氮曲线204，其基本上从氧化物层的顶部表面，通过氧化物-硅界面，直到进入衬底，单调地下降。热氮化工艺中不期望的氮界面聚集在氮等离子体的离子轰击(ionic bombardment)时并未发生。而且，在所有深度，衬底中氮浓度都低于热氮化工艺。
如前所述，在栅电极-栅氧化物界面提高氮浓度的好处是从多晶硅栅电极扩散出来进入或通过栅氧化物的掺杂剂例如硼被减少。这样就因栅氧化物体中缺陷态的减少而提高了器件可靠性，这种缺陷态例如是由从掺硼多晶硅栅电极扩散进的硼引起的。减少在栅氧化物-硅沟道界面的氮含量的另一个好处是固定电荷(fixed charge)和界面态密度的降低。这改善了沟道迁移率和跨导。因此，等离子体氮化工艺比热氮化工艺具有优势。
等离子体氮化工艺中的等离子体可由各种离子化电源形成，其例如包括感应耦合电源、电容耦合电源、表面波电源、电子回旋谐振源(ECR源)、磁控或改进磁控型源(magnetron or modifiedmagnetron-type sources)或其它可用于促进等离子体在处理室产生的离子化源。表面波电源是很高频率(100MHz到10GHz)的等离子体源，其中气体碰撞频率比电磁波频率小得多，这样电磁能通过“表面波”或“波加热(wave-heating)”为基础的能量传递机理被吸收进等离子体。该源通常包括很高频率的电源、将电源与室连接的波导(waveguide)、介电室壁以及邻近介电壁的孔排列或缝排列，其中很高频率的电源通过这些孔或缝被连接入室。微波离子化电源是一种表面波电源。
与电源类型无关，存在从电源到等离子体的大电容耦合，这形成比较大的等离子体电压，具有数十伏量级。这样大的等离子态电压可引起氮离子对二氧化硅层的过分轰击，造成二氧化硅层的破坏。大的等离子态电压甚至导致氮嵌入下面的硅，这削弱了氮嵌入栅氧化物的优势。
因此，本领域需要一种用于等离子体氮化工艺的方法和设备，其不会因氮离子造成二氧化硅层和硅衬底的过分破坏。
发明内容
本发明一般涉及栅极介电层的等离子体氮化方法和设备，其使用平滑变化调制功率源(smooth-varying modulated power source)，以消除等离子体电子温度尖峰。
本发明的实施例提供一种栅极介电层的等离子体氮化方法，其包括，将包括栅极介电层膜的衬底置于等离子体室中，并使衬底暴露于含氮等离子体在所述衬底上形成氮化栅极介电层，上述含氮等离子体是通过平滑变化调制功率源而被离子化的。
本发明的实施例还提供一种栅极介电层的等离子体氮化方法，其包括，将包括栅极介电层膜的衬底置于感应耦合等离子体室中，并使衬底暴露于含氮等离子体，在所述衬底上形成氮化栅极介电层，其中上述含氮等离子体是通过平滑变化调制功率源而被离子化的，其中平滑变化调制功率在频率处于约1kHz到约100kHz之间时，在约5％到约90％之间改变脉冲占空比(duty cycle)，并在最大功率(peak power)的约0％到约100％之间改变离子化功率，且含氮等离子体处理气体包括氮气(N2)和氨气(NH3)至少其中之一，其流速为约50sccm到约20slm。
本发明的实施例进一步提供栅极介电层的等离子体氮化方法，其包括，将包括栅极介电层膜的衬底置于等离子体室中，并使衬底暴露于含氮等离子体，在所述衬底上形成氮化栅极介电层，其中上述含氮等离子体是通过具有连续功率值时间导数的调制功率离子化的。
本发明的实施例进一步提供栅极介电层的等离子体氮化方法，其包括，将包括栅极介电层膜的衬底置于等离子体室中，并使衬底暴露于含氮等离子体，在所述衬底上形成氮化栅极介电层，其中上述含氮等离子体是通过由电阻-电容滤波而变为平滑变化调制RF波形的方波调制RF波形离子化的。
本发明的实施例也提供栅极介电层等离子体处理设备，其包括等离子体氮化处理室以及产生平滑变化调制功率的功率发生器。
附图说明
为了本发明的上述特征能够得到详细理解，参看实施例，对上面简要概述的本发明进行更具体的描述，其中一些实施例在附图中加以说明。然而，应当注意，附图仅仅说明本发明的典型实施例，因此不能被认为是对其范围的限制，本发明允许其它等效的实施例。
图1(现有技术)为FET的示意剖面图，可根据本发明制造。
图2(现有技术)为传统热氮化工艺和等离子体氮化工艺的氮浓度曲线图，其建立在二次离子质谱数据基础上。
图3为根据本发明的工艺流程图。
图4A为按照本发明实施例的等离子体反应器的示意图。
图4B和图4C显示在射频(图4B)时的未调制离子化电源和在kHz频率(图4C)时的方波调制RF。在这些图表中，频率未标刻度。
图5A和图5B表示作为氮含量的函数，氮化栅极介电层相对于未氮化栅极介电层的NMOS(图5A)和PMOS(图5B)的最大跨导漂移。
图6表示未调制源功率情形和方波调制源功率情形的时间分辨(time-resolved)电子温度。
图7A和图7B表示方波调制源功率(图7A)和平滑变化调制源功率(图7B)时，作为每调制循环断开时间(off-time per modulating cycle)的函数，氮等离子体的最大电子温度(Max kTe)和时间平均电子温度(<kTe>)。
图8为平滑变化调制RF源功率的示意图。
图9A和图9B表示方波调制和平滑变化调制RF含氮等离子体在2kHz(图9A)和10kHz(图9B)脉冲频率时的时间分辨电子温度测定值。
图10A为通过RC滤波器，将方波调制RF源功率转变为平滑变化调制RF源功率的示意流程图。
图10B为形成平滑变化调制RF源功率的示意流程图。
图11A和图11B为平滑变化调制RF源功率的例子。
图12表示作为每调制循环断开时间的函数，平滑变化调制RF、方波调制RF以及未调制等离子体的时间平均kTe(<kTe>)。
图13表示作为每调制循环断开时间的函数，平滑变化调制RF、方波调制RF以及未调制等离子体的最大kTe。
图14A和14B表示对于NMOS(14A)和PMOS(14B)，未调制RF和平滑变化RF等离子体的沟道传导率与栅极漏电通量(gate leakageflux)关联。
具体实施方式
本发明实施例包括栅极介电层的等离子体氮化方法和设备。具体而言，本发明包括通过采用平滑变化调制(或脉冲化)电源来减小氮化等离子体的电子温度尖峰的方法和设备。
图3表示形成等离子体氮化栅极介电层的工艺流程举例。该工艺开始于在步骤300设置硅衬底。首先在步骤302，在炉子或快速热处理室中，在Si晶片上生长约5
到约40的热氧化物膜。这里以二氧化硅(SiO2)栅极介电层作为例子。本发明可应用于其它类型的栅极介电层，其可以是介电常数大于4.0的高K值介电材料，例如氧氮化硅(SiON)、氮化硅(SiN)、氧化铪(HfO2)、硅酸铪(HfSiO2)、氧氮化硅铪(HfSiON)、氧化锆(ZrO2)、硅酸锆(ZrSiO2)、钛酸锶钡(BaSrTiO3或BST)、钛酸锆铅(Pb(ZrTi)O3或PZT)和类似物。其次，在步骤304，将衬底传送到至少包含含氮气体的等离子体室，进行等离子体氮化。在步骤304，等离子体氮化过程持续大约2秒到约20分钟，以控制SiOxNy形成的氮化剂量。然后，在步骤306，将衬底传送到快速热处理室，对SiOxNy膜，任选地进行后氮化退火。后氮化退火在大约700-1100℃的温度下，惰性或氧化气氛中进行。可选地，任选的后氮化退火可包括两步处理，其中在氧化步骤之后进行惰性或还原步骤。形成栅极介电层之后，在步骤308，采用低压化学气相沉积法(LPCVD)沉积栅电极，如多晶硅。栅极电极也可以是金属层。
在等离子体氮化处理期间，由高能离子碰撞引起的对栅极氧化物和硅沟道的破坏可归因于沟道迁移率下降。电子温度(kTe)是一种能量标度，其描述等离子体中自由电子的能量分布。较低的电子温度意味着较少的高能电子，结果是较少的高能氮离子。当等离子体具有较低的电子温度时，具有等离子体氮化SiOxNy栅极介电层的晶体管沟道迁移率得以提高。通过“调制”(或脉冲化)离子化电源，或者在kHz频率接通和关闭离子化电源，可能降低电子温度。
在2003年6月12日提交、名称为“Plasma Method and Apparatus forProcessing a Substrate”的共同被转让的美国专利申请10/461,083中，描述了通过等离子体调制程序控制含氮等离子体的发明，产生了比传统等离子体处理低的电子温度。对等离子体的控制用于提供较低的电子温度，这例如可用于栅极氮化处理以改善器件特征，即在栅极介电层类型器件中提供跨导的较小退化，这反映改进的沟道迁移率。
美国专利申请10/461,083描述了等离子体调制(或脉冲化)程序，其一般用于在短时间内增强含氮等离子体，然后使等离子体松弛或耗散一段时间。该耗散时间(或余辉期间)允许电子温度下降，同时维持含氮等离子体。在离子化源调制的中断或松弛部分期间，等离子体中的电子自由扩散。但是，已知，电子扩散多快直接与电子能量相关。因此，与低能电子相比，高能电子即较热电子更快地扩散出等离子体，这导致等离子体组分(constituents)的较低平均能量，即低电子温度和低温等离子体。在该专利申请中也公开了，离子化源提供的调制(或脉冲化)占空比也对等离子体组分的平均温度有影响。占空比定义为，RF源功率处于各个循环的时间所占百分比。具体而言，较大占空比对应于较长调制接通(modulation-on)(或脉冲接通(pulse-on))时间，产生较热的等离子体，这是因为在调制接通时间期间，等离子体中的电子被激发较长的时间。
图4A为解耦等离子体氮化工艺反应器400的示意剖视图，此反应器系由位于Santa Clara，California的应用材料有限公司制造。这是一种可用于实践本发明的感应等离子体源反应器的例子。反应器400包括处理室410以及控制器440，处理室具有位于导电体(壁)430内的晶片支撑基座416。处理室410具有一个基本平坦的介电顶板420。室410的其它修改类型可以具有其它类型的顶板，例如圆屋顶形顶板。在顶板420上方放置天线，其包括至少一个感应线圈元件412(图示为两个共轴的元件412)。该感应线圈元件412通过第一匹配网络(matchingnetwork)419与等离子体电源418连接。该等离子体源418通常能够以可调频率产生3000W以上功率，该可调频率在50kHz到13.56kHz范围内。
支撑基座(阴极)416通过第二匹配网络424与偏置电源422连接。该偏置电源422通常能够产生RF信号，其具有50kHz到13.56kHz的可调频率和0到5000瓦的功率。但是，在处理期间，它是断开的。任选地，偏置电源422可以是DC或脉冲DC电源。控制器440包括中央处理单元(CPU)444、存储器442以及CPU 444的辅助电路(supportcircuit)，用以控制处理室410的各组件，并由此控制氮化工艺的组件，正如所述。
操作时，半导体晶片414被放置在基座416上，通过入口426，从气体面板438供给处理气体，从而形成气体混合物450。该气体混合物450通过应用等离子体源418的电源被触发而进入室410中的等离子体455。通过节流阀427和真空泵436控制室410内部的压力。通常室壁430与电接地434相连。通过穿过壁430的含有液体的管道(未图示)控制壁430的温度。
晶片414的温度是通过稳定支撑基座416的温度来控制的。在一实施例中，通过气体管道449，将来自气源448的氦气供给晶片414下方基座表面上形成的沟道(未图示)。氦气用于促进基座416与晶片414之间的传热。处理期间，通过基座内的电阻加热器(未图示)，将基座416加热到稳定温度，然后氦气促进晶片414的均匀加热。使用这种热控制，将晶片414维持在约20℃到350℃的温度。
为便于控制上述的处理室410，控制器440可以是在工业装置(industrial setting)中用于控制各种室和次级处理器的任何形式的多用途计算机处理器之一。存储器442或CPU 444的计算机可读媒介可以是一个或多个便于使用的存储器，例如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、软盘、硬盘或其它任何形式的数字存储器，可以是本地的或远程的。辅助电路346与CPU 444连接，以传统的方式支持处理器。这些电路包括，高速缓存、电源、同步脉冲电路、输入/输出电路以及辅助系统和类似物。本发明方法一般作为软件程序存储在存储器442中。该软件程序也可由第二个CPU(未图示)储存和/或执行，第二个CPU的位置远离由CPU 444控制的硬件。
图4B描绘未调制离子化电源波形的一个例子，此波形系由图4A中等离子体电源418产生。该电源以射频(RF)工作。图4C描绘方波调制(或脉冲化)离子化电源波形的一个例子。该电源调制频率通常在kHz频率进行接通和关闭。图4B和4C中AC电源的振荡频率(RF)未标刻度。最大RF功率通常设置为约50瓦到约3000瓦。调制(或脉冲化)占空比可以为约5％到约90％，离子化电源可在约0％到约100％之间变化，以产生期望的等离子体组分平均温度。等离子体氮化工艺通常在约1mTorr到约1Torr的压力下进行。含氮气体如N2或NH3的流速为约50sccm到约20slm。除了含氮气体，处理气体还包括惰性气体，如He、Ar、Ne(氖)、Kr(氪)或Xe(氙)，以维持等离子体和修正电子温度。惰性气体流速为约0sccm到约20slm。可用于进行该过程的等离子体反应器的例子是由Santa Clara，California的应用材料有限公司制造的解耦等离子体氮化(DPN)室，如上面图4A所示。然而，应当注意，等离子体氮化工艺的等离子体可由各种离子化电源形成，其例如可以包括感应耦合电源、电容耦合电源、表面波电源、电子回旋谐振源(ECR源)、磁控或改进磁控型源(magnetron or modifiedmagnetron-type sources)或其它可用于促进等离子体在处理室产生的离子化源。表面波电源是很高频率(100MHz到10GHz)的等离子体源，其中气体碰撞频率比电磁波频率小得多，故电磁能通过“表面波”或“波加热(wave-heating)”为基础的能量传递机理被吸收进等离子体。该源通常包括很高频率的电源、将电源与室连接的波导(wave guide)、介电室壁以及邻近介电壁的孔排列或缝排列，其中很高频率的电源通过这些孔或缝被连接入室。微波离子化电源是一种表面波电源。
图5A表示的是，对NMOS(n-沟道金属氧化物半导体)，作为膜中氮百分比的函数，最大沟道跨导(gmmax)变化的数据示意图(相对于未掺杂SiO2)。应当注意，在晶体管制造时，期望最低可能变化或漂移的跨导。然而，因为已知氮减小晶体管栅极泄漏，一般将氮引入晶体管制造工艺，以阻止硼从多晶硅栅电极扩散，并减小电厚度(electricalthickness)，从而提供改进的断态控制(off-state control)。因此，期望较高浓度的氮嵌入。虽然最大沟道跨导漂移(或退化)可因消除氮而减小，但氮的消除对栅极泄漏、扩散以及断态控制会急剧地产生不利影响。因此，目的是减小最大沟道跨导漂移，同时保持足够的氮嵌入以及由氮嵌入提供的益处。
具体而言，图5A表明，由未调制RF配置(501)和方波调制RF源功率(502)产生的含氮等离子体相比，最大沟道跨导的差别。未调制配置(501)和方波调制配置(502)的各个数据点使用一致的压力(20mTorr)、功率(500瓦到750瓦)、时间(10秒)、N2流速(50sccm到20slm)和占空比(50％)进行采集。数据表明，使用方波调制RF源功率的含氮等离子体(空心圆圈和线502)比通过未调制配置产生的含氮等离子体(实心圆圈和线501)，减小(或改进)了最大沟道跨导退化。对于阈电压漂移及饱和漏电流，也已获得如图5A所示的gmmax变化的类似改进，这在共同被转让的美国专利申请10/461,083中被描述，其名称为“Plasma Method and Apparatus for Processing a Substrate”，于2003年6月12日提交。如图5B所示，对PMOS(p-沟道金属氧化物半导体)晶体管，可获得类似的改进(实心圆圈和线503为未调制的，空心圆圈和线504为方波调制的)。
虽然对NMOS和PMOS，在给定的栅极氧化物中氮浓度时，通过方波调制(或脉冲化)电源比起通过未调制源功率进行的等离子体氮化显示了最大跨导退化的改进，其为沟道迁移率的测定值，分别如图5A和5B所示，但当使用方波调制源功率时，作为时间函数的电源功率的突然变化导致电子温度短暂而大幅度的尖峰。对于方波调制源功率的等离子体氮化工艺，作为时间函数的电子温度测定值如图6所描绘(曲线602)。在图6中作为参考绘出的是其它条件相同时未调制源功率情况的电子温度测定值(曲线601)。电子温度测定通过在感应耦合RF等离子体反应器中使用Langmuir探针而进行。Langmuir探针可以测定等离子体中带电物种的密度和能量。探针被放在室中央，位于晶片上方大约4cm处。探针采集的时间要足够长，以便对脉冲RF情形的RF接通和RF关闭期间进行平均。方波调制工艺的时间平均电子温度比未调制工艺低，但方波调制工艺具有明显的电子温度尖峰。对于方波调制源功率，图6所描绘的过冲(overshoot)归因于RF源功率的突然变化。对于RF源功率的时间导数，电子温度尖峰遭遇不连续。由于高电子温度反映高能离子，因此电子温度的这些尖峰可对沟道迁移率造成破坏。在典型的10kHz的调制频率，晶片每秒经历10,000个这样的尖峰。累积的破坏会更严重。
而且图7A显示，当使用方波调制源功率时，时间平均电子温度(<kTe>)随着较长的断开时间而期望地下降(例如，通过在固定频率减小脉冲工作)。这里，<kTe>按通常方式由方程(1)定义，脉冲期间为τ。
然而，如图7A所示，对于各种方波调制参数，最大电子温度尖峰不能被减小。具体而言，图7A表明，当使用方波调制源功率时，采用较长的断开时间(例如，通过在固定频率减小调制工作周期)导致较大的电子温度尖峰(较高的最大kTe值)。图7A中数据是在10mTorr室压、100瓦有效功率、10kHz调制频率和10-50％占空比下采集。N2流速为50sccm到20slm。有效功率通过占空比与最大功率相乘来计算。
对方波调制(或脉冲化的)电源的改进会减小电子温度尖峰。本发明包括通过采用平滑变化调制(或脉冲化的)电源，减小电子温度尖峰的方法和设备，以提高沟道迁移率和减小跨导漂移退化。
如图8所示的平滑变化调制射频(RF)波形被用作离子化电源，以产生氮等离子体。图7B显示，使用平滑变化调制RF波形，作为电源断开时间百分比(percent power off time)(或1减占空比)的函数而采集的最大电子温度(Max kTe)和时间平均电子温度(<kTe>)。结果表明，除了低<kTe>的益处，最大电子温度随电源断开时间的延长仍保持不变。图7A中数据也是在与图7B中数据相似的工艺条件进行采集的。
在2kHz脉冲频率以及50％占空比条件下，平滑变化和方波调制RF等离子体的时间分辨电子温度测定值示于图9A中。曲线901描绘方波调制RF等离子体时的测定值，显示当电源以大约100μs接通时的大尖峰。曲线902描绘平滑变化调制RF等离子体时的测定值，显示当电源接通时小得多的尖峰。结果表明平滑变化调制源功率等离子体时的较小最大kTe值。在10kHz脉冲频率以及50％占空比，方波调制RF等离子体与平滑变化调制RF等离子体之间的类似比较如图9B所示。曲线903描绘方波调制RF等离子体时的测定值，而曲线904描绘平滑变化调制RF等离子体时的测定值。图9B的结果也表明，与方波调制RF等离子体比较，平滑变化调制RF等离子体具有较小的电子温度尖峰。在两种情况下，将平滑变化调制工艺与方波调制工艺比较，电子温度的过冲或尖峰都发生较大的减小。特别地，本发明显示控制电子温度过冲的能力，甚至在相对较长的电源断开时间情况下，例如在250μs电源断开时间，如曲线902所示2kHz数据的情况。通过使用较低的脉冲频率或使用较低的占空比或使用二者，可期望达到长的电源断开时间，以取得最小的平均电子温度(<kTe>)。不采用平滑变化调制时，对于2kHz工艺，最大电子温度(Max kTe)很高(见曲线901)。平滑变化调制能够达到长的断开时间，以降低<kTe>而不增大Max kTe。
通过发送方波调制RF波形通过RC(电阻器-电容器)滤波器，削弱高频，使波形平滑，从而成为平滑变化调制RF波形(见图10A)，可在图4A所示的等离子体电源418中，产生类似如图8所示的平滑变化调制源功率波形。通过调节滤波器的电阻(R)和电容(C)，可产生平滑变化脉冲射频波形。平滑变化调制RF波形也可通过函数发生器或与RC滤波器和/宽带放大器结合而产生。用于产生平滑变化调制RF源功率的元件例子如图10B所示。通过函数发生器、RC滤波器和宽带放大器产生的平滑变化调制RF源功率被送至RF匹配装置和线圈。函数发生器、RC滤波器和宽带放大器是图4A中的等离子体电源418的组件。
注意，图8所示的平滑变化调制波形不是唯一能改进未调制波形或方波调制波形的波形。其它通常的波形属性也可提供重大的改进。一般而言，缺乏离子化电源功率值时间导数不连续性，使得作为时间函数的离子化功率值分段平滑，这可以阻止电子温度尖峰。而且，具有离子化功率值为零的有限部分的平滑变化调制RF波形可以降低电子温度的平均值。其它类型的平滑变化调制RF波形的两个例子如图11A和11B所示。图11A和11B中上升时间和下降时间以及斜率可以相同或不同。图11A和11B中的电源断开时间比电源接通时间可长可短。
图12绘制出三种情况下，作为每周期断开时间函数的时间平均电子温度(<kTe>)，其中其它处理条件相同，这三种情况是：未调制、方波调制和平滑变化调制RF源功率。两种调制的RF工艺都具有比未调制工艺低的<kTe>。与图7A所示方波调制RF工艺的结果相似，图12也表明，对平滑变化调制RF工艺，<kTe>也随断开时间的提高而降低。然而，图13表明，方波调制RF工艺与平滑变化调制RF工艺比较，具有大约大两倍的最大电子温度(Max kTe)。图12和13中关于平滑变化调制RF工艺的虚趋势线表明，随断开时间的提高，其具有降低的<kTe>和大致恒定的最大电子温度。按照这些趋势，对于平滑变化调制RF工艺，在较长的电源断开时间，可预期具有改进的沟道迁移率。
图14A和14B显示出，对于NMOS(13A)和PMOS(13B)，沟道传导率(Ko)对栅极漏电通量(Jg)的数据点图，其中介电层具有1.2nm的固定EOT(有效氧化物厚度)。沟道传导率(Ko)等于迁移率除以EOT，为沟道迁移率的度量值。EOT固定时传导率(Ko)的提高反映迁移率的提高。对NMOS和PMOS，数据显示，平滑变化调制RF波形比方波调制RF工艺提高了沟道迁移率(较高)。至于栅极漏电通量(Jg)，NMOS和PMOS结果都显示，平滑变化调制工艺比方波调制工艺有轻微的改进(较低的栅极漏电流)。
虽然以上描述涉及本发明的实施例，但是可设想本发明的其它和进一步的实施例，而并不偏离其基本范围，且本发明的范围是由权利要求书限定的。
Claims (45)
1.一种栅极介电层的等离子体氮化方法，包括：
将包括栅极介电层膜的衬底放在等离子体室中；和
使所述衬底暴露于通过平滑变化调制功率源波形而被离子化的含氮等离子体，以在所述衬底上形成氮化栅极介电层。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述栅极介电层选自：二氧化硅、氧氮化硅、氮化硅、氧化铪、硅酸铪、氧氮化硅铪、氧化锆、硅酸锆、钛酸锶钡和钛酸锆铅。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述等离子体是通过对等离子体电源供应能量来提供的，所述等离子体电源选自：感应耦合电源、电容耦合电源、表面波电源、微波电源、电子回旋谐振源及磁控或改进磁控型源。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述平滑变化调制功率源缺乏离子化电源功率值的时间导数的不连续性，以使得离子化功率值作为时间函数是分段平滑的。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述等离子体处理是在1mTorr到1Torr的压力下进行的。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述含氮等离子体的处理气体包括氮气和氨气至少其中之一，其流速为50sccm到20slm。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述含氮等离子体的处理气体包括惰性气体，其流速为0slm到20slm。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述功率源为RF电源，调制频率在1kHz到100kHz。
9.一种栅极介电层的等离子体氮化方法，包括：
将包括栅极介电层膜的衬底放在感应耦合等离子体室中；和
使所述衬底暴露于通过平滑变化调制功率源波形而被离子化的含氮等离子体，以在所述衬底上形成氮化栅极介电层；其中所述平滑变化调制功率源波形在1kHz到100kHz的循环频率下、在5％到90％之间改变脉冲占空比，且在最大功率的0％到100％之间改变离子化功率；且所述含氮等离子体的处理气体包括氮气和氨气至少其中之一，其流速为50sccm到20slm。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述平滑变化调制功率源在5kHz到20kHz的频率下，在5％到50％之间改变脉冲占空比。
11.如权利要求9所述的方法，其中所述最大功率为50瓦到3000瓦。
12.一种栅极介电层的等离子体氮化方法，包括：
将包括栅极介电层膜的衬底放在等离子体室中；和
使所述衬底暴露于通过缺乏功率值的时间导数不连续性的调制功率源波形而被离子化的含氮等离子体，以在所述衬底上形成氮化栅极介电层。
13.如权利要求12所述方法，其中所述栅极介电层选自：二氧化硅、氧氮化硅、氮化硅、氧化铪、硅酸铪、氧氮化硅铪、氧化锆、硅酸锆、钛酸锶钡和钛酸锆铅。
14.如权利要求12所述方法，其中所述等离子体是通过对等离子体电源供应能量来提供的，所述等离子体电源选自：感应耦合电源、电容耦合电源、表面波电源、微波电源、电子回旋谐振源及磁控或改进磁控型源。
15.如权利要求12所述方法，其中所述功率源波形是平滑变化调制功率源波形，并且功率值的时间导数作为时间函数是分段平滑的。
16.如权利要求12所述方法，其中所述等离子体处理是在1mTorr到1Torr的压力下进行的。
17.如权利要求12所述的方法，其中所述含氮等离子体的处理气体包括氮气和氨气至少其中之一，其流速为50sccm到20slm。
18.如权利要求12所述的方法，其中所述含氮等离子体的处理气体包括惰性气体，其流速为0slm到20slm。
19.如权利要求12所述的方法，其中所述功率源为RF电源，调制频率为1kHz到100kHz。
20.一种栅极介电层的等离子体氮化方法，包括：
将包括栅极介电层膜的衬底放在感应耦合等离子体室中；和
使所述衬底暴露于通过缺乏功率值的时间导数不连续性的调制功率源波形而被离子化的含氮等离子体，以在所述衬底上形成氮化栅极介电层；其中所述调制功率源波形在1kHz到100kHz的循环频率下，在5％到90％之间改变脉冲占空比，且在最大功率的0％到100％之间改变离子化功率；且所述含氮等离子体的处理气体包括氮气和氨气至少其中之一，其流速为50sccm到20slm。
21.如权利要求20所述方法，其中所述功率源在5kHz到20kHz的频率下，在5％到50％之间改变脉冲占空比。
22.如权利要求20所述的方法，其中所述最大功率为50瓦到3000瓦。
23.一种栅极介电层的等离子体氮化方法，包括：
将包括栅极介电层膜的衬底放在等离子体室中；和
使所述衬底暴露于被方波调制RF波形离子化的含氮等离子体，以在所述衬底上形成氮化栅极介电层，该方波调制RF波形是通过被电阻器-电容器滤波而变为平滑变化调制RF波形电源的。
24.如权利要求23所述方法，其中所述栅极介电层选自：二氧化硅、氧氮化硅、氮化硅、氧化铪、硅酸铪、氧氮化硅铪、氧化锆、硅酸锆、钛酸锶钡和钛酸锆铅。
25.如权利要求23所述方法，其中所述等离子体是通过对等离子体电源供应能量来提供的，其中所述等离子体电源选自：感应耦合电源、电容耦合电源、表面波电源、微波电源、电子回旋谐振源及磁控或改进磁控型源。
26.如权利要求23所述的方法，其中所述电源缺乏离子化电源功率值的时间导数的不连续性，并且离子化功率值作为时间函数是分段平滑的。
27.如权利要求23所述方法，其中所述等离子体处理是在1mTorr到1Torr的压力下进行的。
28.如权利要求23所述的方法，其中所述含氮等离子体的处理气体包括氮气和氨气至少其中之一，其流速为50sccm到20slm。
29.如权利要求23所述的方法，其中所述含氮等离子体的处理气体包括惰性气体，其流速为0sccm到20slm。
30.如权利要求23所述的方法，其中所述电源为RF电源，调制频率在1kHz到100kHz。
31.一种栅极介电层的等离子体氮化方法，包括：
将包括栅极介电层膜的衬底放在感应耦合等离子体室中；和
使所述衬底暴露于被方波调制RF波形离子化的含氮等离子体，以在所述衬底上形成氮化栅极介电层，该方波调制RF波形是通过被电阻器-电容器滤波而变为平滑变化调制RF波形电源的；其中所述电源在1kHz到100kHz的循环频率下，在5％到90％之间改变脉冲占空比；且在最大功率的0％到100％之间改变离子化功率；且所述含氮等离子体的处理气体包括氮气和氨气至少其中之一，其流速为50sccm到20slm。
32.如权利要求31所述方法，其中所述电源在5kHz到20kHz的频率下，在5％到50％之间改变脉冲占空比。
33.如权利要求31所述的方法，其中所述最大功率为50瓦到3000瓦。
34.一种用于栅极介电层等离子体处理的设备，其包括：
等离子体氮化处理室；和
等离子体电源，其被设计用于产生平滑变化调制功率波形，其中所述等离子体电源包括函数发生器、RC滤波器和宽带放大器。
35.如权利要求34所述设备，其中所述等离子体电源被设计用于产生RF功率，其占空比为5％到90％，周期频率为1kHz到100kHz，且功率为最大功率的0％到100％。
36.如权利要求34所述设备，其中所述平滑变化调制等离子体电源缺乏离子化电源功率值的时间导数的不连续性，并且离子化功率值为作为时间函数是分段平滑的。
37.如权利要求34所述设备，其中所述平滑变化调制等离子体电源包括至少以下一种：其脉冲占空比在2kHz到20kHz的周期频率下在5％到50％之间变化，以及离子化功率在最大功率的0％到100％之间变化。
38.一种用于栅极介电层等离子体处理的设备，其包括：
等离子体氮化处理室；和
等离子体电源，其被设计用于产生缺乏功率值的时间导数不连续性的调制功率波形，其中所述等离子体电源包括函数发生器、RC滤波器和宽带放大器。
39.如权利要求38所述设备，其中所述等离子体电源被设计用于产生RF功率，其占空比为5％到90％，周期频率为1kHz到100kHz，且功率为最大功率的0％到100％。
40.如权利要求38所述设备，其中所述等离子体电源是平滑变化调制电源，并且离子化功率值的时间导数作为时间函数是分段平滑的。
41.如权利要求39所述设备，其中所述等离子体电源在2kHz到20kHz的循环频率下，在5％到50％之间改变脉冲占空比，且在最大功率的0％到100％之间改变离子化功率。
42.一种用于栅极介电层等离子体处理的设备，其包括：
等离子体氮化处理室；和
等离子体电源，其被设计产生的功率具有方波调制RF波形，该方波调制RF波形通过RC滤波器滤波而变为平滑变化调制RF波形，其中所述等离子体电源包括函数发生器、RC滤波器和宽带放大器。
43.如权利要求42所述设备，其中所述等离子体电源被设计用于产生RF功率，其占空比为5％到90％，周期频率为1kHz到100kHz，且功率为最大功率的0％到100％。
44.如权利要求42所述设备，其中所述等离子体电源缺乏功率值的时间导数的不连续性，并且离子化功率值作为时间函数是分段平滑的。
45.如权利要求43所述设备，其中所述等离子体电源在2kHz到20kHz的循环频率下，在5％到50％之间改变脉冲占空比，且在最大功率的0％到100％之间改变离子化功率。
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