CN101151717A - 用于形成高介电常数电介质层的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种在衬底上制备用于高介电常数电介质层的界面层的方法。将所述衬底的表面暴露于氧自由基以形成氧化物膜，所述氧自由基通过第一处理气体的紫外(UV)辐射诱导解离而形成，所述第一处理气体包含至少一种包含氧的分子组合物。将氧化物膜暴露于氮自由基以氮化所述氧化物，从而形成界面层，所述氮自由基通过第二处理气体的等离子体诱导解离而形成，所述第二处理气体包含至少一种包含氮的分子组合物。高介电常数电介质层形成在所述界面层上。

Description

用于形成高介电常数电介质层的方法和系统
相关申请交叉引用
本申请是以2005年3月30日提交的美国专利申请No.11/093261为基础，并要求其优先权。
技术领域
本发明一般性地涉及适于制造电子器件的方法和系统以及用于电子器件的材料。
发明内容
本发明一般性地涉及为衬底上的高介电常数(高k)电介质层制备界面层。将所述衬底的表面暴露于氧自由基以形成氧化物膜，所述氧自由基通过第一处理气体的紫外(UV)辐射诱导解离而形成，所述第一处理气体包含至少一种包含氧的分子组合物。将氧化物膜暴露于氮自由基以氮化所述氧化物，从而形成界面层，所述氮自由基通过第二处理气体的等离子体诱导解离而形成，所述第二处理气体包含至少一种包含氮的分子组合物。高k电介质层形成在所述界面层上。
附图说明
图1示出了根据一种实施方式的用于在衬底上形成氧氮化物层的处理系统1；
图2示出了根据一种实施方式的用于进行氧化工艺的处理系统的示意图；
图3示出了根据一种实施方式的另一种处理系统；
图4示出了根据一种实施方式的用于处理栅极叠层的包含缝隙平面天线(SPA)等离子体源的等离子体处理系统。
具体实施方式
UVO2氧化
现在参见附图，图1示出了用于在衬底上形成氧氮化物层的处理系统1。例如，衬底可以包括硅衬底，氧氮化物层可以包括通过衬底的氧化和氮化所形成的氧氮化硅层。衬底表面可以是硅表面、氧化物表面或氧化硅表面。处理系统1包括被设置用于将含氧的分子组合物引至衬底的氧化系统10以及被设置用于将含氮的分子组合物引至衬底的氮化系统20。此外，处理系统1还包括耦合至氧化系统10和氮化系统20的控制器30，控制器30被设置用于对氧化系统10和氮化系统20中进行的工艺进行监测、调节或控制中的至少一种。尽管氧化系统10和氮化系统20在图1中被示为独立分开的模块，但是它们可以包含相同的模块。
根据一种实施方式，图2示出了进行氧化工艺的处理系统的示意图。处理系统101包括具有衬底支架120的处理室110，所述衬底支架120被设置用于支撑具有硅(Si)表面的衬底125。处理室110还包括电磁辐射组件130，用于将衬底125暴露于电磁辐射。另外，处理系统101包括耦合至电磁辐射组件130的功率源150以及耦合至衬底支架120并被设置用于升高和控制衬底125温度的衬底温度控制系统160。气体供给系统140耦合至处理室110，其被设置用于将处理气体引至处理室110。例如，在氧化工艺中，处理气体可以包括含氧气体，例如O2、NO、NO2或N2O。引入处理气体的流率可为约30sccm-约5slm，包括30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、100、250、275、300、400、500、600、700、800、900或1000sccm，或2、3、4、5slm，或其任意组合。此外(未示出)，净化气体可被引入处理室110。处理气体可以包括惰性气体，例如氮气或稀有气体(即，氦、氖、氩、氙、氪)。净化气体的流率可为约0-5slm，包括0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、20、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、100、250、275、300、400、500、600、700、800、900或1000sccm，或2、3、4、5slm，或其任意组合。
电磁辐射组件130可以例如包括紫外(UV)辐射源。UV源可为单色或多色。此外，UV源可被设置用于产生足以解离处理气体(即O2)的波长的辐射。在一种实施方式中，紫外辐射的波长为约145-192nm，包括145、147、150、155、171、172、173、175、180、185、190和192nm，这对被解离分子的结合能是适宜的。电磁辐射组件130的操作功率可为约5-50mW/cm2，包括5、6、7、8、9、10、11、13、15、17、19、20、30、40、50mW/cm2，或其任意组合。电磁辐射组件130可以包括1、2、3、4或更多个辐射源。辐射源可以包括灯或激光或其组合。
仍参见图2，处理系统101可被设置用于处理200mm衬底、300mm衬底或更大尺寸的衬底。实际上，本领域技术人员应当理解，处理系统可被设置用于处理任意尺寸的衬底、晶圆或LCD。因此，虽然本发明的各个方面是结合半导体衬底处理来描述的，但本发明并不仅限于此。
再次参见图2，处理系统101包括耦合至衬底支架120的衬底温度控制系统160，其被设置用于升高和控制衬底125温度。衬底温度控制系统160包括温度控制元件，例如可包括电阻加热元件和热电加热器/冷却器的加热系统。此外，衬底温度控制系统160可以包括含有再循环冷却剂流的冷却系统，该流接收来自衬底支架120的热量并将其传递至热交换器系统
(未示出)，或者在加热时传递来自热交换器系统的热量。而且，衬底温度控制系统160可以包括布置在处理室110的室壁中的温度控制元件以及布置在处理系统101内的其他部件。
为了改善衬底125与衬底支架120之间的热传递，衬底支架120可以包括机械夹持系统或电夹持系统(例如，静电夹持系统)，从而将衬底125紧附在衬底支架120的上表面。此外，衬底支架120还可包括衬底背面气体输送系统，其被设置用于将气体引至衬底125的背面，从而改善衬底125与衬底支架120之间的气隙热传导。当需要在升高或降低的温度下对衬底温度进行控制时，可以采用这样的系统。例如，衬底背面气体系统可以包括双区气体分布系统，其中氦气隙的压力可以在衬底125的中央与边缘之间独立变化。
此外，处理室110进一步通过管道138耦合至包括真空泵吸系统134和阀136的压力控制系统132，其中压力控制系统134被设置用于将处理室110可控地抽空至适于在衬底125上形成薄膜并且适于使用第一和第二处理材料的压力。
真空泵吸系统134可以包括泵吸速率可达约5000升每秒(和更大)的涡轮分子真空泵(TMP)，阀136可以包括用于调节室压力的闸式阀。在常规的等离子体处理设备中，通常使用约500-3000升每秒的TMP。此外，监测室压力的设备(未示出)可被耦合至处理室10。压力测量设备可以例如是可从MKS Instruments，Inc.(Andover，MA)购得的628BBaratron型绝对电容压力计。
另外，处理系统101包括耦合至处理室110、衬底支架120、电磁辐射组件130、功率源150和衬底温度控制系统160的控制器170。或者，或另外，控制器170可以耦合至一个或更多个附加控制器/计算机(未示出)，并且控制器170可以从附加控制器/计算机获得设置和/或配置信息。
在图2中，示出了单个处理元件(110、120、130、150、160和170)，但这并非本发明所必需。处理系统1除了独立的处理元件之外还可以包括任意数量的处理元件，所述处理元件可具有与其相连的任意数量的控制器。
控制器170可用于设置任何数量的处理元件(110、120、130、150和160)，并且控制器170可以收集、提供、处理、存储和显示来自处理元件的数据。控制器170可以包含一系列用于控制一个或多个处理元件的应用。例如，控制器170可以包括图形用户界面(GUI)部件(未示出)，可为用户监测和/或控制一种或更多个处理元件提供易于使用的界面。
仍参见图2，控制器170包括微处理器、存储器和能够生成控制电压的数字I/O端口，该控制电压足以传输并激活到处理系统101的输入，以及监视来自处理系统101的输出。例如，可以利用存储在存储器中的程序根据工艺制程激活到处理系统101的上述部件的输入，从而实施工艺。控制器170的一个实例是可从Dell Corporation，Austin，Texas获得的DELLPRECISION WORKSTATION 610TM。
控制器170可以相对于处理系统101本地定位，或可以相对于处理系统101远程定位。例如，控制器170可以使用直接连接、内部网、因特网和无线连接中的至少一种与处理系统101交换数据。例如，控制器170可以在客户端(即，器件制造者)连接到内部网，或者例如在卖方端(即，装置制造商)连接到内部网。此外，控制器170可以连接至因特网。此外，其它计算机(即，控制器、服务器等)可以通过直接连接、内部网和因特网中的至少一种访问控制器170以交换数据。本领域技术人员应当理解，控制器170还可以通过无线连接与处理系统101交换数据。
处理条件还可以包括衬底温度为约0-1000℃。或者，衬底温度可为约200-700℃。因此，进行氧化的衬底温度可为200、225、250、275、300、325、350、375、400、450、500、550、600、650、700、750、800、850、900、950或1000℃，或其任意组合。
例如，可将处理室110中的压力保持在约10-30000mTorr。或者，可将该压力保持在约20-1000mTorr。或者，可将该压力保持在约50-500mTorr。因此，进行氧化的压力可为约1-30000mTorr，包括1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、250、500、750、1000、10000、20000或30000mTorr，或其任意组合。
图3为根据本发明的另一种实施方式的处理系统的示意图。处理系统200包括处理室210，处理室210中包括装备有加热器224的衬底支架220，加热器224被设置用于升高衬底225的温度，其可以是电阻加热器。或者，加热器可以是灯加热器或任意其它类型的加热器。此外，处理室210包括连接至处理室210底部和连接至真空泵234的排气管线238。衬底支架220可以通过驱动机构(未示出)旋转。衬底在衬底表面平面上旋转的速率可为约1-60rpm，包括1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、30、40、50或60rpm，或其任意组合。
处理室210包括在衬底225上方的处理空间245。处理室210的内表面包括由石英制成的内衬212，从而抑制待处理衬底225的金属污染。
处理室210包括与排气管线238相对定位的具有喷嘴242的气体管线240，用于将处理气体流到衬底225上。处理气体在处理空间中以层流方式流过衬底225，并通过排气管线238从处理室210排出。远程等离子体源252与气体进口250相连，用于在衬底225上游远程产生等离子体。
在一个实施例中，可将衬底225暴露于来自紫外辐射源230的紫外辐射，所述紫外辐射源230通过石英窗口232将光发射到喷嘴242与衬底225之间的处理空间245中。或者，紫外辐射源230和石英窗口232可以覆盖整个衬底225。
仍参见图3，控制器270包括微处理器、存储器和能够生成控制电压的数字I/O端口，该控制电压足以传输并激活到处理系统200的输入，以及监视来自等离子体处理系统200的输出。而且，控制器270耦合至处理室210、泵234、加热器224、紫外辐射源230和远程等离子体源252，并与其交换信息。控制器270可以实现为UNIX工作站。或者，控制器270可以实现为通用计算机、数字信号处理系统等。
可能期望的是，在氧化之前清洁衬底表面，或从衬底表面去除本生氧化物(native oxide)。这可以通过以下方法实现：使用一个或更多个清洁步骤，包括湿化学清洁；通过清洁然后使衬底表面与HF接触，在衬底表面上形成裸露硅表面；或上述两者结合。
然后，将衬底125布置在衬底支架120(图1)或220(图2)上。然后使处理室110或210中的条件(压力、温度、衬底旋转速率等)处于期望值。然后，将含氧的分子组合物通过气体供给系统140或喷嘴242引入处理室110或210。供给电磁辐射组件130或230能量，以由处理气体形成氧自由基。在图3的实施方式中，可以通过将含氧的分子组合物供给至进口250来提高氧自由基的数量。氧自由基在气体通过远程等离子体源252时生成，然后被引入处理室210。
氧自由基与衬底125表面结合，从而氧化衬底表面。表面组成可以是SiO2。
进行氧化的时间可为约5秒-约25分钟，包括5、10、15、20、25、30、35、40、50、60秒，2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、20、25分钟，或其任意组合。
氧化物膜的厚度可为约0.1-3nm，包括0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、2.7、2.8、2.9、3.0nm。氧化物膜的厚度方差σ可为约0.2-4％，包括0.2、0.3、0.5、0.7、0.9、1、2、3或4％。
图2或图3的实施方式中的上述任意处理条件也可以应用于其它实施方式。事实上，作为上述条件的替代条件，可以采用以下条件：
UVO2
  参数   典型值   下限   上限
  压力   0.1T   0.01T   20T
  温度   700℃   400℃   800℃
  Ar气   0   0   2slm
  O2气   450sccm   100sccm   2slm
  时间   60s   10s   3min
其它合适的包括紫外(UV)辐射源的处理系统及其使用方法描述在2002年12月5日提交的欧洲专利申请EP 1453083A1中，通过引用将其全文结合于此。
氮化
图4为根据本发明的一种实施方式的包括用于进行氮化工艺的缝隙平面天线(Slot Plane Antenna，SPA)等离子体源的等离子体处理系统的简化框图。根据本发明，等离子体处理系统400中产生的等离子体的特征是低电子温度(小于约1.5eV)和高等离子体密度(例如，＞约1×1012/cm3)，这可使栅极叠层在处理过程中免受损坏。等离子体处理系统400可以例如是Tokyo Electron Limited，Akasaka，Japan的TRIASTM SPA处理系统。等离子体处理系统400包括处理室450，在处理室450的上部具有大于衬底458的开口部分451。提供由石英或氮化铝或氧化铝制成的柱状电介质顶板454来覆盖开口部分451。气体管线472定位在处理室450上部低于顶板454的侧壁中。在一个实施例中，气体管线472的数量可为16条(图4中仅示出两条)。或者，可以使用不同数量的气体给料管线472。气体管线472可以在处理室450中沿圆周布置，但这并非本发明所必需。通过气体管线472，可将处理气体平均和均匀地供给到处理室450中的等离子体区域459中。或者，相对于排气管线的衬底458的上游侧的给料管线472可被设置为适用于氮化的远程RF等离子体源。
在等离子体处理系统450中，通过具有多个缝隙460A的平面天线构件460，通过顶板454向处理室450提供微波功率。缝隙平面天线460可由金属板(例如，铜)制成。为了将微波功率供给至缝隙平面天线460，将波导463布置在顶板454上，波导463在此与微波功率源461连接，用于产生例如约2.45GHz频率的微波。波导463包括下端连接至缝隙平面天线460的扁平环状波导463A、连接至环状波导463A上表面的环状波导463B以及连接至环状波导463B上表面的同轴波导转换器463C。此外，矩形波导463D连接至同轴波导转换器463C和微波功率源461。
在环状波导463B内部，以同轴方式提供导电材料的轴向部分462，以使轴向部分462的一端连接至缝隙平面天线460上表面的中央(或接近中央)部分，并且轴向部分462的另一端连接至环状波导463B上表面，从而形成同轴结构。结果，环状波导463B被构造成起到同轴波导的作用。微波功率可以例如为约0.5-4W/cm2。或者，微波功率可为约0.5-3W/cm2。
此外，在真空处理室450中，在顶板454对面提供衬底支架452，用于支撑和加热衬底458(例如，晶圆)。衬底支架452包括用于加热衬底458的加热器457，所述加热器457可以是电阻加热器，或者，加热器457可以是灯加热器或任何其它类型的加热器。而且，处理室450包括连接至处理室450底部和真空泵455的排气管线453。
为了氮化，可以将包含含氮的分子组合物的气体引入系统20(图1)、处理室110(图2)、210(图3)和/或450(图4)中的任意一个。所有的含氮组合物均是合适的，例如单独或组合的N2、NH3、NO、N2O、NO2。一旦被引入，含氮组合物即可以通过如下方法解离：基于通过具有多个缝隙的平面天线的微波辐射的微波辐射等离子体诱导解离，或室内等离子体诱导解离，或者可以通过定位在衬底上游的RF等离子体源通过将RF功率与含氮组合物相耦合来将其分解。
所有的含氮组合物均是合适的，例如单独或组合的N2、NO、N2O、NO2。在一种实施方式中，氮化、氧氮化或退火处理气体中的分子组合物可以包含N2以及至少一种选自H2、Ar、He、Ne、Xe或Kr或其任意组合的气体。在一种实施方式中，第二处理气体中的分子组合物包含N2和H2以及可选的至少一种选自H2、Ar、He、Ne、Xe或Kr或其任意组合的气体。处理气体中的含氮的分子组合物可以适宜地包含N2，并且氮自由基通过N2的等离子体诱导解离生成。
氮化得到的氧氮化物膜的厚度可为约0.1-5nm，包括0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、2.7、2.8、2.9、3.0、3.1、3.2、3.3、3.4、3.5、3.6、3.8、4、4.1、4.5或5nm，或其任意组合。氧氮化物膜的厚度方差σ可为约0.2-4％，包括0.2、0.3、0.5、0.7、0.9、1、2、3或4％。
进行氮化的衬底温度可为约20-1000℃，包括20、30、40、50、60、70、80、90、100、125、150、175、200、225、250、275、300、325、350、375、400、450、500、550、600、650、700、750、800、850、900、950或1000℃，或其任意组合。
进行氧化的压力可为约1-30000mTorr，包括1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、250、500、750、1000、10000、20000或30000mTorr，或其任意组合。
含氮的分子组合物N2的流率可为约2sccm-约5slm，第二气体的流率可为约100sccm-约5slm。这些范围包括2、3、4、5、6、7、8、9、10、20、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、100、250、275、300、400、500、600、700、800、900或1000sccm，或2、3、4、5slm，或其任意组合。
进行氮化的时间可为约5秒-约25分钟，包括5、10、15、20、25、30、35、40、50、60秒，2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、20、25分钟，或其任意组合。
氧氮化物膜的氮浓度可为约20％或更小，包括4、6、8、10、12、14、16、18和20％或更小。
产生氮化等离子体的微波输出可为约0.5-5mW/cm2，包括0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1、1.1、1.3、1.5、1.7、1.9、2、3、4或5mW/cm2，或其任意组合。
微波辐射具有的微波频率可为约300MHz-约10GHz，包括300、400、500、600、700、800、900或1000MHz，1.5、2、3、4、5、6、7、8、9或10GHz。
在此实施方式中，等离子体具有的电子温度可小于约3eV，包括0.1、0.3、0.5、0.7、0.9、1、1.5、2、2.5或3eV，或其任意组合。等离子体的密度可为约1×1011-1×1013/cm3或更高，密度均匀度为约±3％或更小，包括±1、±2和±3％。
平面天线构件的表面积可以大于其上沉积膜的衬底表面的面积。
等离子体室可以用石英作为内衬，以防止金属污染。
带孔水平板(未示出)可定位在顶板454与衬底125之间，以减少到达衬底的氮自由基的量。该板可由石英、氧化铝、氮化铝或其它材料制成。孔在该板上的图案被设计成可使自由基均匀暴露于衬底。
氧氮化物膜可以适宜地具有式SiON。
仍参见图4，控制器499包括微处理器、存储器和能够生成控制电压的数字I/O端口，该控制电压足以传输并激活到等离子体处理系统400的输入，以及监视来自等离子体处理系统400的输出。而且，控制器499耦合至处理室450、泵455、加热器457和微波功率源461，并与其交换信息。可以利用存储在存储器中的程序根据工艺制程控制等离子体处理系统400的上述部件。处理系统控制器499的一个实例为UNIX工作站。或者，控制器499可以实现为通用计算机、数字信号处理系统等。
控制器499可以相对于等离子体处理系统400本地定位，或可以相对于等离子体处理系统400通过内部网或因特网远程定位。因此，控制器499可以使用直接连接、内部网、因特网和无线连接中的至少一种与等离子体处理系统400交换数据。控制器499可以在客户端(即，器件制造者)连接到内部网，或者例如在卖方端(即，装置制造商)连接到内部网。此外，其它计算机(即，控制器、服务器等)可以通过直接连接、内部网和因特网中的至少一种访问控制器499以交换数据。
作为上面提出的那些参数的替代方案，下面给出一组备选的用于SPA氮化的参数：
SPAN
  参数   典型值   下限   上限
  压力   50mT   10mT   10T
  温度   400℃   25℃   800℃
  Ar气   1slm   100slm   5slm
  N2气   40sccm   5sccm   1slm
  时间   20s   5s   5min
其它合适的包括缝隙平面天线等离子体源的等离子体处理系统及其使用方法描述在2002年1月22日提交的欧洲专利申请EP 1361605A1中，通过引用将其全文结合于此。
除了利用图4装置的SPA氮化以外或在其之后，可以进行RFN氮化。可将氧化物膜(或氧氮化物膜)暴露于氮自由基，所述氮自由基通过包含含氮的上游分子组合物的上游处理气体的上游等离子体诱导解离而形成，其中所述上游等离子体诱导解离包括使用通过将射频(RF)耦合至所述上游处理气体所产生的等离子体。RFN远程等离子体系统示于图3和图4。
图3所示的处理系统包括具有气体进250的远程等离子体源252，其适于在衬底125上游远程产生等离子体。远程等离子体源252中产生的氮等离子体向下游流动，经过衬底125的表面，流至排气管线238和泵234。在图3的处理系统中，衬底可以旋转(如环形箭头所示)。以此方式，可以改善氮气氛下的氮化、氧氮化或退火的均匀性。
或者，远程RF等离子体源可包含在给料管线472中，并适合作为用于氮化的远程RF等离子体。
下面给出可以使用的RF氮化参数：
RFN
  参数   典型值   下限   上限
  压力   200mT   10mT   10T
  温度   400℃   25℃   1000℃
  Ar气   1slm   500sccm   10slm
  N2气   100sccm   10sccm   1slm
  时间   60s   5s   5min
高k电介质
本发明的一种实施方式包括在氧氮化物膜上形成至少一个选自ZrO2、HfO2、Ta2O5、ZrSiO4、Al2O3、HfSiO、HfAlO、HfSiON、Si3N4和BaSrTiO3或其任意组合的高k电介质膜。
适宜地，高k电介质膜在约20℃下的介电常数大于约4。在一种实施方式中，高k电介质膜在约20℃下的介电常数为约4-300，包括4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、30、50、70、90、100、200或300，或其任意组合。
适宜地，高k电介质膜通过至少一种选自以下的工艺形成在氧氮化物膜上：化学气相沉积(CVD)、原子层沉积(ALD)、金属有机CVD(MOCVD)和物理气相沉积(PVD)或其任意组合。
高k电介质膜可以根据需要退火和/或氮化。
LP退火
在制备完目标膜之后，例如氮化膜或氧氮化膜或高k电介质层，可以将其退火。LP(低压)退火适用于对氧氮化物膜和/或高k电介质膜进行退火。
进行LP退火的压力可为约5mTorr-约800Torr，包括5、6、7、8、9、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、250、500、750、1000、10000、20000、30000、50000、100000、200000、400000或800000mTorr，或其任意组合。
进行LP退火的温度可为约500-1200℃，包括500、550、600、650、700、750、800、850、900、950、1000、1100或1200，或其任意组合。
LP退火可以在流率为0-20slm的包含至少一种分子组合物的退火气体中进行，所述分子组合物包括氧、氮、H2、Ar、He、Ne、Xe或Kr，或其任意组合。在一种实施方式中，进行LP退火在N2中进行，N2流率为约0-20slm，包括2、3、4、5、6、7、8、9、10、20、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、100、250、275、300、400、500、600、700、800、900或1000sccm，或2、3、4、5、10、15或20slm，或其任意组合。
进行LP退火的时间可为约1秒-约10分钟，包括1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、20、25、30、35、40、50、60秒，2、3、4、5、6、7、8、9或10分钟，或其任意组合。
LP退火和氮化可以在相同的处理室中进行，在此情况下，在氮化之后和退火之前，可以进行至少一个净化步骤。当然，也可以在不同的处理室中进行氮化和退火。在此实施方式中，可以将具有膜的衬底从一个室转移到另一个室，而不接触环境气氛、空气等。
下面给出一组备选的用于进行LP退火的参数：
退火(LPA)
  参数   典型值   下限   上限
  压力   1T   50mT   760T
  温度   1000℃   800℃   1100℃
  N2气   1slm   0   10slm
  O2气   1slm   0   10slm
  时间   15s   5s   3min
UVO2/N2后退火
作为可选的后成形处理，适宜用UVO2/N2后退火对氧氮化物膜或高k电介质层退火，这是通过将膜或层暴露于氧自由基和氮自由基来实现的，所述氧自由基和氮自由基是通过包含至少一种含氧和氮的分子组合物的退火气体的紫外(UV)辐射诱导解离而形成的。
适宜地，UVO2/N2后退火通过将所述氧氮化物膜暴露于氧自由基和氮自由基来退火氧氮化物，所述氧自由基和氮自由基是通过包含至少一种含氧和氮的分子组合物的退火气体的紫外(UV)辐射诱导解离而形成的。氧和氮自由基解离自包含至少一种含氧和氮的分子组合物的退火气体，所述分子组合物选自O2、N2、NO、NO2和N2O或其任意组合。可以存在的其它气体例如是H2、Ar、He、Ne、Xe或Kr中的一种或更多种，或其任意组合。
在此退火的一种实施方式中，退火气体流过氧氮化物和/或高k电介质表面，以使氧和氮自由基包含在流过表面的层流退火气体中。
进行退火的压力可为约1-80000mTorr，包括1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、250、500、750、1000、10000、20000、30000、50000、100000、200000、400000或800000mTorr，或其任意组合。
进行退火的温度可为约400-1200℃，包括500、550、600、650、700、750、800、850、900、950、1000、1100或1200℃，或其任意组合。
退火气体的流率可为约0-20slm，包括0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、20、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、100、250、275、300、400、500、600、700、800、900或1000sccm，或2、3、4、5、10、15或20slm，或其任意组合。
进行退火的时间可为约1秒-约10分钟，包括1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、20、25、30、35、40、50、60秒，2、3、4、5、6、7、8、9或10分钟，或其任意组合。
此退火的紫外辐射的波长可为约145-192nm，包括145、147、150、155、171、172、173、175、180、185、190和192nm，这些波长对于被解离分子的结合能是适宜的。辐射可为单色或多色。
紫外辐射源的操作功率可为5-50mW/cm2，包括0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1、1.1、1.3、1.5、1.7、1.9、2、3、4或5mW/cm2，或其任意组合。可以使用一个或更多个紫外源。
退火和氮化可以在相同的处理室中进行，在此情况下，在氮化之后和退火之前，可以进行至少一个净化步骤。当然，也可以在不同的处理室中进行氮化和退火。在此实施方式中，可以将具有膜的衬底从一个室转移到另一个室，而不接触环境气氛、空气等。
RFN后退火
作为另一种后成形处理，适宜用RFN后退火对氧氮化物膜退火，这是通过将氧氮化物膜暴露于氮自由基来实现的，所述氮自由基是通过包含含氮的上游分子组合物的退火气体的上游等离子体诱导解离而形成的，并且其中所述上游等离子体诱导解离包括使用通过将射频(RF)功率耦合至上游退火气体所产生的等离子体，以使氮自由基以层流方式流过表面。
适宜地，进行退火的压力可为1-20000mTorr，包括1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、250、500、750、1000、10000、20000mTorr，或其任意组合。
适宜地，进行退火的温度可为约20-1200℃，包括20、30、40、50、60、70、80、90、100、200、300、400、500、550、600、650、700、750、800、850、900、950、1000、1100或1200℃，或其任意组合。
进行退火的时间可为约1秒-约25分钟，包括1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、20、25、30、35、40、50、60秒，2、3、4、5、6、7、8、9、10、15或20分钟，或其任意组合。
在N2中进行退火的N2流率可为约2sccm-20slm，包括0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、20、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、100、250、275、300、400、500、600、700、800、900或1000sccm，或2、3、4、5、10、15或20slm，或其任意组合。
退火也可以在其它气体的存在下进行，其它气体例如是H2、Ar、He、Ne、Xe或Kr，或其任意组合。这些其它气体的流率可为约100sccm-约20slm，包括100、250、275、300、400、500、600、700、800、900或1000sccm，或2、3、4、5、10、15或20slm，或其任意组合。
退火可以使用通过将射频(RF)功率与上游退火气体耦合而远程产生的等离子体来进行，所述射频功率为约40KHz-约4MHz，包括40、50、60、70、80、90、100、200、300、400、500、600、700、800、900或1000KHz，1.5、2、3或4MHz，或其任意组合。
器件
使用本文所述的方法，可以形成电子或半导体器件，然后在高k电介质膜上形成多晶硅、无定形硅和SiGe中的至少一种或其任意组合。
其它合适的系统和方法描述在下列文献中，通过引用将每篇文献的全部内容独立地结合在本文中：
JP 2001-012917，2001年1月22日提交；
JP 2001-374631，2001年12月7日提交；
JP 2001-374632，2001年12月7日提交；
JP 2001-374633，2001年12月7日提交；
JP 2001-401210，2001年12月28日提交；
JP 2002-118477，2002年4月19日提交；
US 2004/0142577A1，2002年1月22日提交；以及
US 2003/0170945A1，2002年12月6日提交。
本发明并不限于上述实施方式，在不脱离本发明的范围和精神的前提下，还可以通过其它方式实现或实施。

Claims (110)

1.一种在衬底上制备栅极叠层界面层的方法，包括：
通过将所述衬底的表面暴露于氧自由基来氧化所述衬底的所述表面，以形成氧化物膜，其中所述氧自由基是通过包含至少一种含氧的分子组合物的第一处理气体的紫外(UV)辐射诱导解离而形成的；
通过将所述氧化物膜暴露于氮自由基来氮化所述氧化物膜，以形成所述界面层，其中所述氮自由基是通过包含至少一种含氮的分子组合物的第二处理气体的等离子体诱导解离而形成的；以及
在所述界面层上形成高介电常数电介质层。
2.如权利要求1的方法，其中所述衬底表面是硅表面、氧化物表面或氧化硅表面。
3.如权利要求1的方法，其中所述第一处理气体中的所述分子组合物包含：O2、NO、NO2或N2O或其两者或更多种的任意组合；以及可选的至少一种选自H2、Ar、He、Ne、Xe或Kr或其任意组合的气体。
4.如权利要求1的方法，其中所述第一处理气体中的所述分子组合物包含O2，并且所述氧自由基是由O2的紫外辐射诱导解离生成的。
5.如权利要求1的方法，其中所述氧化物膜的厚度为约0.1-3nm。
6.如权利要求1的方法，其中所述氧化物膜的厚度方差σ为约0.2-4％。
7.如权利要求1的方法，还包括将所述第一处理气体流过所述衬底表面，以使流过所述衬底表面的所述第一处理气体的层流中包含所述氧自由基。
8.如权利要求1的方法，还包括在所述衬底表面的平面中以约1-60rpm的速率旋转所述衬底。
9.如权利要求1的方法，其中所述氧化在约200-1000℃的衬底温度下进行。
10.如权利要求1的方法，其中所述氧化在约1-30000mTorr的压力下进行。
11.如权利要求1的方法，其中所述第一处理气体中的所述分子组合物包含O2，并且所述氧化在约30sccm-约5slm的O2流率下进行。
12.如权利要求1的方法，其中所述第一处理气体中的所述分子组合物还包含至少一种选自H2、Ar、He、Ne、Xe或Kr或其任意组合的第二气体，并且其中所述第二气体的流率为约0-5slm。
13.如权利要求1的方法，其中所述氧化进行约5秒-约25分钟的时间。
14.如权利要求1的方法，其中所述紫外辐射诱导解离中的紫外辐射包括172nm的辐射。
15.如权利要求1的方法，其中所述紫外辐射诱导解离中的紫外辐射由在约5-50mW/cm2的功率下操作的紫外辐射源产生。
16.如权利要求1的方法，其中所述紫外辐射诱导解离中的紫外辐射由两个或更多个紫外辐射源产生。
17.如权利要求1的方法，还包括：在所述氧化之前，从所述衬底表面去除本生氧化物。
18.如权利要求1的方法，还包括：在所述氧化之前，进行至少一个清洁步骤，所述清洁步骤选自：通过湿化学清洁在衬底上形成裸露硅表面；通过清洁随后使所述衬底表面与HF接触，在衬底表面上形成裸露硅表面；或其任意组合。
19.如权利要求1的方法，其中所述氧化物膜具有式SiO2。
20.如权利要求1的方法，其中所述界面层是氧氮化物膜。
21.如权利要求1的方法，其中所述界面层具有式SiON。
22.如权利要求1的方法，其中所述第二处理气体的等离子体诱导解离包括使用基于微波辐射的等离子体，所述微波辐射是通过具有多个缝隙的平面天线构件产生的。
23.如权利要求1的方法，其中所述第二处理气体中的所述分子组合物包含N2以及可选的至少一种选自H2、Ar、He、Ne、Xe或Kr或其任意组合的气体。
24.如权利要求1的方法，还包括通过至少一种选自以下(1)、(2)或(3)中的工艺来氮化所述高介电常数电介质层：
(1)将所述高介电常数电介质层暴露于氮自由基，所述氮自由基是通过包含至少一种含氮的分子组合物的第三处理气体的等离子体诱导解离而形成的；
(2)将所述高介电常数电介质层暴露于氮自由基，所述氮自由基是通过包含至少一种含氮的分子组合物的第三处理气体的等离子体诱导解离而形成的，其中所述第三处理气体的所述等离子体诱导解离包括使用基于微波辐射的等离子体，所述微波辐射是通过具有多个缝隙的平面天线构件产生的；
(3)将所述高介电常数电介质层暴露于氮自由基，所述氮自由基是通过包含至少一种含氮的分子组合物的第三处理气体的等离子体诱导解离而形成的，其中所述第三处理气体的所述等离子体诱导解离包括使用基于上游等离子体产生法的等离子体，所述上游等离子体产生法是通过将射频(RF)功率与所述第三处理气体耦合实现的。
25.如权利要求24的方法，其中所述高介电常数电介质层通过暴露于氮自由基来氮化，所述氮自由基是通过包含至少一种含氮的分子组合物的第三处理气体的等离子体诱导解离而形成的，所述解离使用基于微波辐射的等离子体，所述微波辐射是通过具有多个缝隙的平面天线构件产生的。
26.如权利要求25的方法，其中所述第三处理气体的分子组合物包含N2和H2以及可选的至少一种选自Ar、He、Ne、Xe或Kr或其任意组合的气体。
27.如权利要求25的方法，其中所述第三处理气体的分子组合物包含N2或NH3或两者，并且所述氮自由基由N2或NH3或两者的等离子体诱导解离生成。
28.如权利要求25的方法，其中所述高介电常数电介质层的氮化在约20-1000℃的衬底温度下进行。
29.如权利要求25的方法，其中所述高介电常数电介质层的氮化在约1-30000mTorr的压力下进行。
30.如权利要求25的方法，其中所述第三处理气体中的所述分子组合物包含N2，并且所述氮化在约2sccm-约5slm的N2流率下进行。
31.如权利要求25的方法，其中所述第三处理气体中的所述分子组合物还包含至少一种选自H2、Ar、He、Ne、Xe或Kr或其任意组合的第三气体，并且其中所述第三气体的流率为约100sccm-约5slm。
32.如权利要求25的方法，其中所述高介电常数电介质层的氮化进行约5秒-约25分钟的时间。
33.如权利要求25的方法，其中用于所述高介电常数电介质层的氮化的所述等离子体包括小于约3eV的电子温度。
34.如权利要求25的方法，其中用于所述高介电常数电介质层的氮化的所述等离子体的密度为约1×1011-1×1013，密度均匀度为约±3％或更小。
35.如权利要求25的方法，其中用于所述高介电常数电介质层的氮化的所述等离子体是由约0.5mW/cm2-5W/cm2的微波输出产生的。
36.如权利要求25的方法，其中用于所述高介电常数电介质层的氮化的微波辐射包括约300MHz-约10GHz的微波频率。
37.如权利要求25的方法，其中所述平面天线构件在其表面上的表面积大于所述衬底表面的面积。
38.如权利要求24的方法，其中所述高介电常数电介质层通过暴露于氮自由基来氮化，所述氮自由基是通过包含至少一种含氮的分子组合物的第三处理气体的等离子体诱导解离而形成的，其中所述第三处理气体的所述等离子体诱导解离包括使用基于上游等离子体产生法的等离子体，所述上游等离子体产生法是通过将射频(RF)功率与所述第三处理气体耦合实现的。
39.如权利要求38的方法，其中所述氧化物膜氮化在第一处理室中进行，并且所述高介电常数电介质层氮化在所述第一处理室中或在不同的处理室中进行。
40.如权利要求38的方法，其中所述高介电常数电介质层在约1-20000mTorr的压力下被氮化。
41.如权利要求38的方法，其中所述高介电常数电介质层在约20-1200℃的衬底温度下被氮化。
42.如权利要求38的方法，其中所述高介电常数电介质层的氮化时间为约1秒-约25分钟。
43.如权利要求38的方法，其中所述上游分子组合物包含N2，N2流率为约2sccm-约20slm。
44.如权利要求38的方法，其中所述上游分子组合物包含氮以及可选的至少一种选自H2、Ar、He、Ne、Xe或Kr或其任意组合的第三气体。
45.如权利要求38的方法，其中所述上游分子组合物包含氮以及至少一种选自H2、Ar、He、Ne、Xe或Kr或其任意组合的第三气体，并且其中所述第三气体的流率为约100sccm-约20slm。
46.如权利要求38的方法，其中所述射频(RF)功率的频率为约40KHz-约4MHz。
47.如权利要求1的方法，其中所述氧化和氮化在相同的处理室中进行。
48.如权利要求1的方法，其中所述氧化和氮化在相同的处理室中进行，并且在所述氧化之后且在所述氮化之前进行至少一个净化步骤。
49.如权利要求1的方法，其中所述氧化和氮化在不同的处理室中进行。
50.如权利要求1的方法，其中所述氧化在第一处理室中进行，所述氮化在第二处理室中进行，并且在不接触空气的条件下将所述衬底从所述第一处理室转移至所述第二处理室。
51.如权利要求1的方法，还包括：
对所述界面层或者所述界面层和所述高介电常数电介质层进行退火。
52.如权利要求51的方法，其中所述退火在约5mTorr-约800Torr的压力下进行。
53.如权利要求51的方法，其中所述退火在约500-1200℃的温度下进行。
54.如权利要求51的方法，其中所述退火在退火气体下进行，所述退火气体包含至少一种包含氧、氮、H2、Ar、He、Ne、Xe或Kr或其任意组合的分子组合物。
55.如权利要求51的方法，其中所述退火在流率为约0-20slm的N2下进行。
56.如权利要求51的方法，其中所述退火在流率为约0-20slm的O2下进行。
57.如权利要求51的方法，其中所述退火的进行时间为约1秒-约10分钟。
58.如权利要求51的方法，其中所述氮化和退火在相同的处理室中进行，并且在所述氮化之后且在所述退火之前进行至少一个净化步骤。
59.如权利要求51的方法，其中所述氮化和退火在不同的处理室中进行。
60.如权利要求51的方法，其中所述氮化在第一处理室中进行，所述退火在第二处理室中进行，并且在不接触空气的条件下将具有所述界面层或所述高介电常数电介质层的所述衬底从所述第一处理室转移至所述第二处理室。
61.如权利要求51的方法，其中所述退火通过将所述界面层或所述高介电常数电介质层暴露于氧自由基和氮自由基来进行，所述氧自由基和氮自由基是通过包含至少一种含氧和氮的第三分子组合物的退火气体的紫外(UV)辐射诱导解离而形成的。
62.如权利要求61的方法，其中所述第三分子组合物包含选自O2、N2、NO、NO2或N2O或其任意组合的氧和氮。
63.如权利要求61的方法，其中所述第三分子组合物包含氧和氮以及至少一种选自H2、Ar、He、Ne、Xe或Kr或其任意组合的气体。
64.如权利要求61的方法，其中所述退火气体流过所述界面层或所述高介电常数电介质层的表面，以使所述氧和氮自由基包含在流过所述表面的所述退火气体的层流中。
65.如权利要求61的方法，其中在所述衬底表面的平面中以约1-60rpm的速率旋转所述衬底。
66.如权利要求61的方法，其中所述退火在约1-80000mTorr的压力下进行。
67.如权利要求61的方法，其中所述退火在约400-1200℃的温度下进行。
68.如权利要求61的方法，其中所述退火气体的流率为约0-20slm。
69.如权利要求61的方法，其中所述退火的进行时间为约1秒-约10分钟。
70.如权利要求61的方法，其中所述紫外辐射诱导解离中的紫外辐射包括范围在约145-192nm的紫外辐射，且其为单色或多色。
71.如权利要求61的方法，其中所述紫外辐射诱导解离中的紫外辐射由在约5-50mW/cm2的功率下操作的紫外辐射源产生。
72.如权利要求61的方法，其中所述紫外辐射诱导解离中的紫外辐射由两个或更多个紫外辐射源产生。
73.如权利要求51的方法，其中所述退火通过将所述界面层或所述高介电常数电介质层暴露于氮自由基来进行，所述氮自由基是通过包含含氮的上游分子组合物的上游退火气体的上游等离子体诱导解离而形成的，并且其中所述上游等离子体诱导解离包括使用通过将射频(RF)功率耦合至所述上游退火气体所产生的等离子体。
74.如权利要求73的方法，其中所述退火在与进行所述氮化相同的处理室中或不同的处理室中进行。
75.如权利要求73的方法，其中所述退火在约1-20000mTorr的压力下进行。
76.如权利要求73的方法，其中所述退火在约20-1200℃的衬底温度下进行。
77.如权利要求73的方法，其中所述退火进行约1秒-约25分钟的时间。
78.如权利要求73的方法，其中所述退火在流率为约2sccm-约20slm的N2下进行。
79.如权利要求73的方法，其中所述上游分子组合物包含氮和至少一种选自H2、Ar、He、Ne、Xe或Kr或其任意组合的第二气体。
80.如权利要求73的方法，其中所述上游分子组合物包含氮和至少一种选自H2、Ar、He、Ne、Xe或Kr或其任意组合的第三气体，并且其中所述第三气体的流率为约100sccm-约20slm。
81.如权利要求73的方法，其中所述上游分子组合物包含氮和至少一种选自H2、Ar、He、Ne、Xe或Kr或其任意组合的第三气体，并且其中所述射频(RF)源的频率为约40KHz-约4MHz。
82.如权利要求1的方法，其中通过至少一种选自以下(1)或(2)中的工艺来氮化所述氧化物膜以形成所述界面层：
(1)将所述氧化物膜暴露于氮自由基，所述氮自由基是通过包含至少一种含氮的分子组合物的第二处理气体的等离子体诱导解离而形成的，其中所述第二处理气体的所述等离子体诱导解离包括使用基于微波辐射的等离子体，所述微波辐射是通过具有多个缝隙的平面天线构件产生的；
(2)将所述氧化物膜暴露于氮自由基，所述氮自由基是通过包含至少一种含氮的分子组合物的第二处理气体的等离子体诱导解离而形成的，其中所述第二处理气体的所述等离子体诱导解离包括使用基于上游等离子体产生法的等离子体，所述上游等离子体产生法是通过将射频(RF)功率与所述第二处理气体耦合实现的。
83.如权利要求82的方法，其中所述氧化物膜通过暴露于氮自由基来氮化，所述氮自由基是通过包含至少一种含氮的分子组合物的第二处理气体的等离子体诱导解离而形成的，所述解离使用基于微波辐射的等离子体，所述微波辐射是通过具有多个缝隙的平面天线构件产生的。
84.如权利要求83的方法，其中所述第二处理气体中的所述分子组合物包含N2和H2以及可选的至少一种选自Ar、He、Ne、Xe或Kr或其任意组合的气体。
85.如权利要求83的方法，其中所述第二处理气体的分子组合物包含N2，并且所述氮自由基由N2的等离子体诱导解离生成。
86.如权利要求83的方法，其中所述氮化在约20-1000℃的衬底温度下进行。
87.如权利要求83的方法，其中所述氮化在约1-30000mTorr的压力下进行。
88.如权利要求83的方法，其中所述第二处理气体中的所述分子组合物包含N2，并且所述氮化在约2sccm-约5slm的N2流率下进行。
89.如权利要求83的方法，其中所述第二处理气体中的所述分子组合物还包含至少一种选自H2、Ar、He、Ne、Xe或Kr或其任意组合的第二气体，并且其中所述第二气体的流率为约100sccm-约5slm。
90.如权利要求83的方法，其中所述氮化进行约5秒-约25分钟的时间。
91.如权利要求83的方法，其中用于所述氮化的所述等离子体包括小于约3eV的电子温度。
92.如权利要求83的方法，其中用于所述氮化的所述等离子体的密度为约1×1011-1×1013，密度均匀度为约±3％或更小。
93.如权利要求83的方法，其中所述等离子体是由约0.5mW/cm2-5W/cm2的微波输出产生的。
94.如权利要求83的方法，其中所述微波辐射包括约300MHz-约10GHz的微波频率。
95.如权利要求83的方法，其中所述平面天线构件在其表面上的表面积大于所述衬底表面的面积。
96.如权利要求82的方法，其中所述氧化物层通过暴露于氮自由基来氮化，所述氮自由基是通过包含至少一种含氮的分子组合物的第二处理气体的等离子体诱导解离而形成的，其中所述第二处理气体的所述等离子体诱导解离包括使用基于上游等离子体产生法的等离子体，所述上游等离子体产生法是通过将射频(RF)功率与所述第二处理气体耦合实现的。
97.如权利要求96的方法，其中所述氧化物膜在约1-20000mTorr的压力下被氮化。
98.如权利要求96的方法，其中所述氧化物膜在约20-1200℃的衬底温度下被氮化。
99.如权利要求96的方法，其中所述氧化物膜的氮化时间为约1秒-约25分钟。
100.如权利要求96的方法，其中所述分子组合物包含N2，N2流率为约2sccm-约20slm。
101.如权利要求96的方法，其中所述分子组合物包含氮以及可选的至少一种选自H2、Ar、He、Ne、Xe或Kr或其任意组合的第二气体。
102.如权利要求96的方法，其中所述分子组合物包含氮以及至少一种选自H2、Ar、He、Ne、Xe或Kr或其任意组合的第二气体，并且其中所述第二气体的流率为约100sccm-约20slm。
103.如权利要求96的方法，其中所述射频(RF)功率的频率为约40KHz-约4MHz。
104.如权利要求1的方法，其中所述高介电常数电介质膜选自ZrO2、HfO2、Ta2O5、ZrSiO4、Al2O3、HfSiO、HfAlO、HfSiON、Si3N4和BaSrTiO3或其任意组合
105.如权利要求1的方法，其中所述高介电常数电介质膜在约20℃下的介电常数大于约4。
106.如权利要求1的方法，其中所述高介电常数电介质膜在约20℃下的介电常数为约4-300。
107.如权利要求1的方法，其中所述高介电常数电介质膜通过至少一种选自以下的工艺形成在所述氧氮化物膜上：化学气相沉积(CVD)、原子层沉积(ALD)、金属有机CVD(MOCVD)和物理气相沉积(PVD)或其任意组合。
108.如权利要求1的方法，还包括：
在所述高介电常数电介质膜上形成多晶硅、无定形硅和SiGe中的至少一种或其任意组合。
109.如权利要求108的方法，还包括：
对所述膜进行退火。
110.一种用于制造半导体或电子器件的方法，包括如权利要求1的方法。
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PB01 Publication
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