CN103165432B

CN103165432B - 一种栅氧化层的制备方法

Info

Publication number: CN103165432B
Application number: CN201310085199.8A
Authority: CN
Inventors: 张红伟
Original assignee: Shanghai Huali Microelectronics Corp
Current assignee: Shanghai Huali Microelectronics Corp
Priority date: 2013-03-15
Filing date: 2013-03-15
Publication date: 2016-08-03
Anticipated expiration: 2033-03-15
Also published as: CN103165432A

Abstract

本发明公开了一种栅氧化层的制备方法，将氧气和一氧化二氮皆作为主要反应气体，能更好和更容易控制栅氧化层的反应时间，也使得制备的栅氧化层的厚度和均匀度得到良好的掌控，从而获得的超薄的栅介质层，同时增大了对温度的工艺窗口，使得对热预算控制精确的器件也能够使用本方法获得所需要的栅介质层，大大的提高了工艺适应性。

Description

一种栅氧化层的制备方法

技术领域

本发明涉及集成电路制造领域，特别涉及一种栅氧化层的制备方法。

背景技术

近年来，随着超大规模集成电路(VLSI)和特大规模集成电路(ULSI)的快速发展，对器件加工技术提出了更多的特殊要求，其中MOS器件特征尺寸进入纳米时代对栅氧化层的要求就是一个明显的挑战。栅氧化层的制备工艺是半导体制造工艺中的关键技术，直接影响和决定了器件的电学特性和可靠性。

MOSFET器件的关键性能指标是驱动电流，驱动电流的大小取决于栅极电容。栅极电容与栅极表面积成正比，与栅介质厚度成反比。因此，通过增加栅极表面积和降低栅介质厚度均可提高栅极电容，而降低栅介质SiO₂的厚度就变成推进MOSFET器件性能提高的首要手段。

现阶段，采用原位水蒸汽氧化法(In-SituSteamGeneration，ISSG)制备栅介质SiO₂氧化层的方法大致有两大类：

一类是采用O₂和H₂作为主要反应气体的原位水蒸汽氧化法制备，简称O₂ISSG。其主要涉及

H₂+O₂→H₂O+O^*+OH^*+otherspecies（α）

该反应（α）主要利用O₂与H₂反应生成的原子氧O^*与衬底表面的硅原子反应生成SiO₂氧化层。其特点是氧化物质量好，反应速度较快，适于制备厚度大于22A的SiO₂氧化物。但是，如果要制备小于22A的栅介质氧化层，其反应的温度和时间就变得不易控制。例如，制备15A左右的栅介质氧化层，其在900℃的温度下工艺反应时间只有10秒左右，在如此短的反应时间内，氧化物的厚度很难控制；同时，由于O₂ISSG反应所生成的纯SiO₂氧化层的厚度太薄而无法阻止后续高温工艺中硼离子的穿透。因此，O₂ISSG无法提供一种用于45nm及以下工艺所需要的超薄栅氧化层。

另一类则是采用N₂O和H₂混合气体反应的原位水蒸汽氧化法制备，简称N₂OISSG。其主要涉及

H₂+N₂O→H₂O+NO^*+O^*+OH^*+otherspecies（β）

同样，该反应（β）也主要是利用N₂O与H₂反应生成的原子氧O^*与衬底表面的硅原子反应生成SiO₂氧化层。但是，该反应所需要的温度较高，且反应依然较缓慢。过高的反应温度对那些需要对热预算进行精确控制的集成器件来说，N₂OISSG工艺并不是一个合适的选择。因此，N₂OISSG的高温反应也限制了它的应用范围。

发明内容

本发明提供了一种栅氧化层的制备方法，一个目的在于解决现有技术中制备栅氧化层时反应速度较快，不易制备超薄栅氧化层的问题。

本发明的另一个目的在于解决现有技术中制备栅氧化层时反应温度过高而导致应用范围窄的问题

为解决上述技术问题，本发明提供一种栅氧化层的制备方法，包括：

提供衬底于RTP腔室中；

在第一压强下通入包括氧气、一氧化二氮及氢气的反应气体；

对所述衬底表面升温至反应温度，并持续一段时间；

在所述衬底表面形成一层栅氧化层。

可选的，对于所述的栅氧化层的制备方法，所述栅氧化层的厚度为小于等于

可选的，对于所述的栅氧化层的制备方法，所述栅氧化层的厚度为

可选的，对于所述的栅氧化层的制备方法，所述栅氧化层的成分包括氮氧化硅。

可选的，对于所述的栅氧化层的制备方法，所述栅氧化层中氮的原子数含量为1%～5%。

可选的，对于所述的栅氧化层的制备方法，所述混合气体中氢气的体积百分比小于1%。

可选的，对于所述的栅氧化层的制备方法，所述通入反应气体为先通入一氧化二氮和氧气，待所述RTP腔室温度为第一温度时，通入氢气并升温至反应温度。

可选的，对于所述的栅氧化层的制备方法，所述通入反应气体为先通入一氧化二氮，待所述RTP腔室温度为第一温度时，通入氢气并升温至反应温度，待反应结束后排除尾气并降温至第一温度，再依次通入氧气和氢气并升温至反应温度。

可选的，对于所述的栅氧化层的制备方法，所述通入反应气体为先通入氧气，待所述RTP腔室温度为第一温度时，通入氢气并升温至反应温度，待反应结束后排除尾气并降温至第一温度，再依次通入一氧化二氮和氢气并升温至反应温度。

可选的，对于所述的栅氧化层的制备方法，所述反应温度为800℃～1100℃。

可选的，对于所述的栅氧化层的制备方法，所述升温至反应温度持续的时间为15s～60s。

可选的，对于所述的栅氧化层的制备方法，所述第一压强为小于等于20torr。

与现有技术相比，在本发明提供的栅氧化层的制备方法中，将氧气和一氧化二氮皆作为主要反应气体，能更好和更容易控制栅氧化层的反应时间，也使得制备的栅氧化层的厚度和均匀度得到良好的掌控，从而获得的超薄的栅介质层，同时增大了对温度的工艺窗口，使得对热预算控制精确的器件也能够使用本方法获得所需要的栅介质层，大大的提高了工艺适应性。

附图说明

图1为本发明优选实施例的栅氧化层的制备方法的流程图；

图2为本发明另一实施例的栅氧化层的制备方法的流程图；

图3为本发明再一实施例的栅氧化层的制备方法的流程图；

图4为本发明实施例的栅氧化层的制备方法获得的结构的示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提供的栅氧化层的制备方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

发明人在长期的研究中发现，O₂ISSG与N₂OISSG的反应各有特点，具体来说，主要由于氧化剂的不同而形成差异。那么若将两种氧化剂同时使用，其反应状况则有可能得到改善，从而可能符合生产超薄栅氧化层的需要。考虑到氢气容易爆炸的性质，及氧气和一氧化二氮的通入顺序，将可能得到不同的效果。

请参考图1，其为本发明的优选实施例的流程图，在本实施例中，包括如下步骤：

步骤S101：提供衬底于RTP腔室中；

步骤S102：在第一压强下先通入一氧化二氮和氧气，待所述RTP腔室温度为第一温度时，通入氢气；

步骤S103：对所述衬底表面升温至反应温度，并持续一段时间；

步骤S104：在所述衬底表面形成一层栅氧化层。

本发明可以采用常见的RTP腔室，即至少具有承载衬底的托盘及气体进出通道。在此提供硅衬底，例如可以采用未掺杂的单晶硅、掺杂有杂质的单晶硅、绝缘体上硅（SOI）等，预先将所述衬底清洗干净。之后，将所述衬底放置于RTP腔室中。

接着，调节RTP腔室内的压强至第一压强，这里优选为小于等于20torr，然后通入一氧化二氮和氧气，待气体混合均匀，并使得所述RTP腔体的温度稳定在第一温度，优选为500℃～600℃，本实施例采用550℃。然后再通入氢气，其中，所述氢气的体积分数（占总气体的体积分数，下同）小于1%，之后继续升温至反应温度，所述反应温度可以是800℃～1100℃。如此会激发如下反应

H₂+O₂+N₂O→H₂O+O^*+NO^*+OH^*+otherspecies（γ）

反应（γ）所生成的原子氧O^*和NO^*与衬底表面的硅原子发生化学反应生成氮氧化硅（SiON），以形成栅氧化层，为了保证形成质量，本实施例中使得反应持续时间在15s～60s，因此本实施例能够较佳的控制反应时间，使得生成的栅氧化层的可控性得到了提高。

请参考图4，经过上述反应过程，便可在所述衬底1上形成一栅氧化层2，本实施例形成的栅氧化层2的厚度在以下，本实施例的方法简单直接并且效果佳，能够有效的满足厚度在之间的栅氧化层2的需求。

此外，在本实施例中，所生产的栅氧化层2中的主要成分为氮氧化硅，在栅氧化层2中氮的原子数含量为1%～5%，也具有二氧化硅，所述氮氧化硅主要分布在栅氧化层2的表层，与衬底1接触的地方也可能具有部分氮（也即氮氧化硅）的存在。那么氮原子在栅氧化层2中的分布还能够有效的阻止后续高温工艺中硼离子的穿透，提高了器件的可靠性。

请参考图2，其为本发明的另一实施例的流程图，在本实施例中，包括如下步骤：

步骤S201：提供衬底于RTP腔室中；

步骤S202：在第一压强下先通入一氧化二氮，待所述RTP腔室温度为第一温度时，通入氢气并升温至反应温度，待反应结束后排除尾气并降温至第一温度，再依次通入氧气和氢气；

步骤S203：对所述衬底表面升温至反应温度，并持续一段时间；

步骤S204：在所述衬底表面形成一层栅氧化层。

具体而言，本实施例与图1所示的实施例的区别在于气体的通入顺序不同，本实施例为先使得一氧化二氮和氢气反应，然后再使得氢气和氧气反应，以分别获取NO^*和O^*。在气体通入的过程中压强、温度、氢气的含量及时间的控制可参照上一实施例，在此不做赘述。此外，当一氧化二氮和氢气反应结束后，停止这两种气体的通入，同时通入氮气，以将尾气排出，并防止可能的爆炸，该过程也是RTP腔室的降温过程，待降到例如550℃时，通入氧气和氢气，以使得反应继续进行。

请参考图4，本实施例能够同样获得较薄的栅氧化层2，所述栅氧化层2中氮的原子数含量为1%～5%。在本实施例中，所述氮氧化硅主要分布在栅氧化层2的表层，与衬底1接触的地方也可能具有部分氮（也即氮氧化硅）的存在，同样能够起到防穿透的效果。

请参考图3，其为本发明的另一实施例的流程图，在本实施例中，包括如下步骤：

步骤S301：提供衬底于RTP腔室中；

步骤S302：在第一压强下先通入氧气，待所述RTP腔室温度为第一温度时，通入氢气并升温至反应温度，待反应结束后排除尾气并降温至第一温度，再依次通入一氧化二氮和氢气；

步骤S303：对所述衬底表面升温至反应温度，并持续一段时间；

步骤S304：在所述衬底表面形成一层栅氧化层。

具体而言，本实施例与上述两个实施例的区别也是气体的通入顺序不同，本实施例为先使得氧气和氢气反应，然后再使得氢气和一氧化二氮反应，以分别获取O^*和NO^*。在气体通入的过程中压强、温度、氢气的含量及时间的控制可参照上一实施例，在此不做赘述。此外，当氧气和氢气反应结束后，停止这两种气体的通入，同时通入氮气，以将尾气排出，并防止可能的爆炸，该过程也是RTP腔室的降温过程，待降到例如550℃时，通入一氧化二氮和氢气，以使得反应继续进行。

请参考图4，本实施例能够同样获得较薄的栅氧化层2，所述栅氧化层2中氮的原子数含量为1%～5%。在本实施例中，所述氮氧化硅主要分布在栅氧化层2的表层，同样能够起到防穿透的效果。

上述三个实施例中，由于气体的通入顺序会造成反应的不同，因此最终得到的栅氧化层2的质量会有所差别，但不影响其具有超薄的这一性质，在进行实际生产时，可视产品的不同要求而适应性的选择，以获取最佳效果。

上述实施例提供的栅氧化层的制备方法中，将氧气和一氧化二氮皆作为主要反应气体，能更好和更容易控制栅氧化层的反应时间，也使得制备的栅氧化层的厚度和均匀度得到良好的掌控，从而获得的超薄的栅介质层，同时增大了对温度的工艺窗口，使得对热预算控制精确的器件也能够使用本方法获得所需要的栅介质层，大大的提高了工艺适应性。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims

1.一种栅氧化层的制备方法，其特征在于，包括：

提供衬底于RTP腔室中；

在第一压强下通入包括氧气、一氧化二氮及氢气的反应气体，更好的控制栅氧化层的反应时间，对所述衬底表面升温至反应温度，并持续一段时间，以在所述衬底表面形成一层栅氧化层，所述栅氧化层包括氮氧化硅和氧化硅，所述氮氧化硅分布在所述栅氧化层表层。

2.如权利要求1所述的栅氧化层的制备方法，其特征在于，所述栅氧化层的厚度为小于等于

3.如权利要求2所述的栅氧化层的制备方法，其特征在于，所述栅氧化层的厚度为

4.如权利要求1所述的栅氧化层的制备方法，其特征在于，所述栅氧化层中氮的原子数含量为1％～5％。

5.如权利要求1所述的栅氧化层的制备方法，其特征在于，所述反应气体中氢气的体积百分比小于1％。

6.如权利要求5所述的栅氧化层的制备方法，其特征在于，所述通入反应气体为先通入一氧化二氮和氧气，待所述RTP腔室温度为第一温度时，通入氢气并升温至反应温度。

7.如权利要求5所述的栅氧化层的制备方法，其特征在于，所述通入反应气体为先通入一氧化二氮，待所述RTP腔室温度为第一温度时，通入氢气并升温至反应温度，待反应结束后排除尾气并降温至第一温度，再依次通入氧气和氢气并升温至反应温度。

8.如权利要求5所述的栅氧化层的制备方法，其特征在于，所述通入反应气体为先通入氧气，待所述RTP腔室温度为第一温度时，通入氢气并升温至反应温度，待反应结束后排除尾气并降温至第一温度，再依次通入一氧化二氮和氢气并升温至反应温度。

9.如权利要求1所述的栅氧化层的制备方法，其特征在于，所述反应温度为800℃～1100℃。

10.如权利要求1所述的栅氧化层的制备方法，其特征在于，所述升温至反应温度持续的时间为15s～60s。

11.如权利要求1所述的栅氧化层的制备方法，其特征在于，所述第一压强为小于等于20torr。