CN103972071A - 含氮栅极氧化层的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种含氮栅极氧化层的制作方法，包括：提供半导体衬底；对所述半导体衬底进行热氧化工艺和实时高温氮化热处理，在所述半导体衬底上形成目标厚度的栅极氧化层，所述高温氮化热处理和/或所述热氧化工艺使用稀释气体进行；通过等离子体氮化工艺对所述栅极氧化层进行氮注入，形成含氮栅极氧化层；采用高温退火工艺，以稳定含氮栅极氧化层中的氮分布和修复含氮栅极氧化层中的等离子体损伤。本发明减少了Si-H键和S-O-H键以及Si-SiO2界面附近发生的断裂键，减少了栅极氧化层中的应力，有效地改善了pMOSFET半导体器件的NBTI性能。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种含氮栅极氧化层的制作方法。
背景技术
随着半导体器件尺寸以及栅极氧化层的厚度的不断缩小，氮化栅氧工艺被普遍采用。氮化栅氧工艺目的是通过栅极氧化层中通常用掺氮来减少pMOSFET中的硼扩散，以改善抗热载流子能力、增加介电常数。但是，利用氮化栅氧工艺形成的栅极氧化层大大增强了器件的负偏压温度不稳定性(NBTI：Negative Bias Temperature Instability)效应。NBTI效应会影响到半导体器件的使用，并随着半导体器件技术节点的降低，NBTI逐渐成为半导体器件可靠性的瓶颈，因此如何降低NBTI效应是目前的研究重点之一。
NBTI效应主要发生在高温和负偏压偏置应力下的pMOSFET中，它导致了半导体器件的饱和漏极电流Idsat的绝对值和跨导Gm的减小，关态电流Ioff和阈值电压Vth的增加。造成NBTI其主要原因是在NBTI应力的作用下，半导体器件的衬底与栅极氧化层(即Si/SiO2)的界面处的界面态Dit以及氧化层固定正电荷Qf增加造成的。
关于界面态的产生目前主要有两种合理的机制来解释：
第一种机制是基于氢键模型的机制。这种机制认为Si-SiO2界面附近的含氢键结构体由于捕获入射载流子的动能而发生氢原子的脱离，使原有的Si-H和Si-O-H键断裂，造成悬挂键的产生，并由此导致了界面态；
第二种是基于断键模型的机制。这种机制认为Si-SiO2界面附近的Si-Si键和由于结构不规则而存在内应力的Si-O键受到外来载流子的冲击而断裂，从而导致界面态产生。
现有技术中，栅极氧化层通常利用原位水汽生长(ISSG)工艺制备。ISSG工艺的原理是：在放置了半导体衬底(比如硅衬底)的反应腔体内通入初始反应气体(所述反应气体中还掺入少量H2的O2)，通过辐射式快速升温技术使半导体衬底的温度升温至800℃-1100℃。它反应所需的氧化气体是由H2和O2直接在半导体衬底的表面发生反应而生成的。在高温氛围下，半导体衬底表面表面会发生类似于爆轰的化学反应，部分主要反应式如下：
H2+O2→2OH
H2+OH→H2O+H
O2+H→OH+O*
H2+O*→OH+H
根据以上反应式，反应中产生大量具有氧化性的气相活性自由基，这些自由基包括活性氧原子(O*)原子氧、水分子(H2O)以及OH基团等，随后，这些自由基参与了半导体衬底的氧化过程。由于O*具有极强的氧化作用，使最终得到的栅极氧化层的缺陷减少，半导体衬底与栅极氧化层(即Si-SiO2的界面)充分氧化，从而有效提高了栅极氧化层的电学特性。由于ISSG工艺具有以上电学优点，目前它已被广泛应用于先进半导体器件栅极氧化层的制作中。
目前被半导体业界广泛接受的栅氧化层的制备工艺请参考图1-图2所示，所述方法包括：
1)提供半导体衬底10，采用ISSG(In-Situ Steam Generation)原位水蒸汽氧化方法生长栅极氧化层20，所述半导体衬底10的材质为硅，所述栅极氧化层20的材质为SiO2；
2)采用DPN(Decoupled Plasma Nitridation)氮气等离子体向所述栅极氧化层20中掺杂氮，形成含氮栅氧化层20；
3)采用PNA(Post Nitridation Anneal)高温退火工艺稳定N掺杂及修复介质中的等离子体损伤。
在上述制备工艺中，由于氮离子的注入在栅极氧化层20中形成了大量的氢离子陷阱中心，增加了固定正电荷，导致NBTI效应的增强。并且在ISSG工艺过程中产生大量的Si-H键和S-O-H键以及Si-SiO2界面附近发生的断裂键。现有技术采用的PNA高温退火工艺以稳定N离子的分布及修复栅极氧化层20中的等离子体损伤，但是高温退火工艺无法及时有效的修复ISSG及其氮化工艺过程中产生的Si-H键和S-O-H键以及Si-SiO2界面附近发生的断裂键，也无法有效地改善pMOSFET半导体器件的NBTI性能。
因此，需要一种含氮栅极氧化层的制作方法，能够减少Si-H键和S-O-H键以及Si-SiO2界面附近发生的断裂键，减少或消除栅极氧化层中的应力，有效地改善pMOSFET半导体器件的NBTI性能。
发明内容
本发明解决的问题是提供了一种含氮栅极氧化层的制作方法，减少了Si-H键和S-O-H键以及Si-SiO2界面附近发生的断裂键，减少了栅极氧化层中的应力，有效地改善了pMOSFET半导体器件的NBTI性能。
为解决上述问题，本发明提供一种含氮栅极氧化层的制作方法，包括：
提供半导体衬底；
对所述半导体衬底进行热氧化工艺和实时高温氮化热处理，在所述半导体衬底上形成目标厚度的栅极氧化层，所述高温氮化热处理和/或所述热氧化工艺使用稀释气体进行，所述稀释气体用于氢气含量的减少在半导体衬底和栅极氧化层的Si-H键和S-O-H键以及界面发生断裂键的数量；
通过等离子体氮化工艺对所述栅极氧化层进行氮注入，形成含氮栅极氧化层；
采用高温退火工艺，以稳定含氮栅极氧化层中的氮分布和修复含氮栅极氧化层中的等离子体损伤。
可选地，所述半导体衬底的材质为硅，所述栅极氧化层的材质为SiO2，所述热氧化工艺过程中利用稀释气体以稀释Si-SiO2界面产生Si-H键和S-O-H键的数量。
可选地，所述稀释气体包括N2或Ar，所述稀释气体的流量范围为5slm-50slm。
可选地，所述实时高温氮化热处理工艺的温度范围为1000-1100摄氏度，时间范围为5-120秒，所述稀释气体用于加快栅极氧化层内的应力释放，减少栅极与衬底界面之间发生断裂键的可能性。
可选地，所述热氧化工艺包括：快速热处理工艺和/或垂直炉管工艺。
可选地，所述快速热处理工艺包括：原位水蒸汽氧化工艺和快速热氧化工艺。
可选地，所述等离子体氮化工艺包括：去耦等离子体氮化工艺、远程等离子体氮化工艺和/或垂直扩散设备氮化处理工艺。
可选地，所述垂直扩散设备氮化处理工艺利用NO、N2O、NH3中的一种或者其中的混合进行。
可选地，所述高温退火工艺的温度范围为1000-1100摄氏度，反应时间范围为5-120秒。
可选地，所述高温退火的气体包括N2、O2或者两者的混合。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明同时对半导体衬底进行热氧化工艺和实时高温氮化热处理，在所述半导体衬底上形成目标厚度的栅极氧化层，所述高温氮化热处理和/或所述热氧化工艺使用稀释气体进行，所述稀释气体用于氢气含量的减少在半导体衬底和栅极氧化层的界面自由键的数量，所述高温氮化热处理能够加快栅极氧化层内的应力释放，减少半导体衬底与栅极氧化层的界面附件发生断裂键的可能。与传统成膜后改善栅极氧化层界面态的方法不同，本发明通过对半导体衬底同时执行热氧化操作和实时高温氮化热处理操作来及时有效的改善栅极氧化层的界面态，并通过改善器件Si/SiO2界面处的界面态来提高pMOSFET器件的NBTI性能。实验结果表明，采用本发明所提供的方法能有效地减少栅极氧化层的界面态总电荷至少一个数量级，pMOSFET半导体器件的NBTI寿命t0.1％和t50％可分别提高28.6％和40.7％。本发明可应用在45nm及其以下技术节点CMOS工艺的含氮栅极氧化层的制备和pMOSFET半导体器件NBTI性能的改善。
附图说明
图1-图2是现有技术的栅极氧化层的制作方法；
图3是本发明一个实施例的含氮栅极氧化层的制作方法剖面结构示意图；
图4-图5是本发明一个实施例的含氮栅极氧化层的制作方法剖面结构示意图。
具体实施方式
请参考图1及图2，现有技术的却显示由于氮离子的注入在栅极氧化层20中形成了大量的氢离子陷阱中心，增加了固定正电荷，导致NBTI效应的增强。并且在ISSG工艺过程中产生大量的Si-H键和S-O-H键以及Si-SiO2界面附近发生的断裂键。现有技术采用的PNA高温退火工艺以稳定N离子的分布及修复栅极氧化层20中的等离子体损伤，但是高温退火工艺无法及时有效的修复ISSG及其氮化工艺过程中产生的Si-H键和S-O-H键以及Si-SiO2界面附近发生的断裂键，也无法有效地改善pMOSFET半导体器件的NBTI性能。
为解决上述问题，本发明提供一种含氮栅极氧化层的制作方法，请参考3所示的本发明一个实施例的含氮栅极氧化层的制作方法剖面结构示意图。所述方法包括：
步骤S1，提供半导体衬底；
步骤S2，对所述半导体衬底进行热氧化工艺和实时高温氮化热处理，在所述半导体衬底上形成目标厚度的栅极氧化层，所述高温氮化热处理和/或所述热氧化工艺使用稀释气体进行；
步骤S3，通过等离子体氮化工艺对所述栅极氧化层进行氮注入，形成含氮栅极氧化层；
步骤S4，采用高温退火工艺，以稳定含氮栅极氧化层中的氮分布和修复含氮栅极氧化层中的等离子体损伤。
下面结合具体的实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。为了更好的说明本发明的技术方案，请参考图4-图5是本发明一个实施例的含氮栅极氧化层的制作方法剖面结构示意图。
请参考图4，提供半导体衬底100。作为半导体衬底100的材质为硅。为了保证后续对所述半导体衬底100进行清洗。
然后，对所述半导体衬底100进行热氧化工艺和实时高温氮化热处理，在所述半导体衬底100上形成目标厚度的栅极氧化层200。所述栅极氧化层200的材质为SiO2。通过对半导体衬底100同时执行热氧化操作和实时高温氮化热处理操作来及时有效的改善栅极氧化层的界面态，并通过改善器件Si/SiO2界面处的界面态来提高pMOSFET器件的NBTI性能。
作为一个实施例，所述高温氮化热处理使用稀释气体进行，所述稀释气体用于氢气含量的减少在半导体衬底和栅极氧化层的界面自由键(比如Si-H键和S-O-H键)的数量。所述稀释气体包括N2或Ar，所述稀释气体的流量范围为5slm-50slm。所述实时高温氮化热处理工艺的温度范围为1000-1100摄氏度，时间范围为5-120秒。所述高温氮化处理工艺用于加快栅极氧化层内的应力释放，减少栅极与衬底界面之间发生断裂键的可能性。作为本发明的又一实施例，所述热氧化工艺使用稀释气体进行，所述稀释气体用于氢气含量的减少在半导体衬底100和栅极氧化层200的界面自由键(比如Si-H键和S-O-H键)的数量。所述稀释气体包括N2或Ar，所述稀释气体的流量范围为5slm-50slm。
本发明所述的热氧化工艺包括：快速热处理工艺和/或垂直炉管工艺。其中，所述快速热处理工艺可以为原位水蒸汽氧化工艺(ISSG)和快速热氧化工艺(RTO)。
接着，请参考图5，通过等离子体氮化工艺对所述栅极氧化层200(结合图4)进行氮注入，形成含氮栅极氧化层201。
本发明所述的等离子体氮化工艺包括：去耦等离子体氮化工艺、远程等离子体氮化工艺和/或垂直扩散设备氮化处理工艺。其中，所述垂直扩散设备氮化处理工艺利用NO、N2O或NH3或者其中的两种或3种的组合进行。
接着，请继续参考图5，采用高温退火工艺，以稳定含氮栅极氧化层201中的氮分布和修复含氮栅极氧化层201中的等离子体损伤。
作为一个实施例，所述高温退火工艺的温度范围为1000-1100摄氏度，反应时间范围为5-120秒。所述高温退火的气体包括N2、O2或者两者的混合。
综上，本发明同时对半导体衬底进行热氧化工艺和实时高温氮化热处理，在所述半导体衬底上形成目标厚度的栅极氧化层，所述高温氮化热处理和/或所述热氧化工艺使用稀释气体进行，所述稀释气体用于氢气含量的减少在半导体衬底和栅极氧化层的界面自由键的数量，所述高温氮化热处理能够加快栅极氧化层内的应力释放，减少半导体衬底与栅极氧化层的界面附件发生断裂键的可能。与传统成膜后改善栅极氧化层界面态的方法不同，本发明通过对半导体衬底同时执行热氧化操作和实时高温氮化热处理操作来及时有效的改善栅极氧化层的界面态，并通过改善器件Si/SiO2界面处的界面态来提高pMOSFET器件的NBTI性能。实验结果表明，采用本发明所提供的方法能有效地减少栅极氧化层的界面态总电荷至少一个数量级，pMOSFET半导体器件的NBTI寿命t0.1％和t50％可分别提高28.6％和40.7％。本发明可应用在45nm及其以下技术节点CMOS工艺的含氮栅极氧化层的制备和pMOSFET半导体器件NBTI性能的改善。
因此，上述较佳实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种含氮栅极氧化层的制作方法，其特征在于，包括：
提供半导体衬底；
对所述半导体衬底进行热氧化工艺和实时高温氮化热处理，在所述半导体衬底上形成目标厚度的栅极氧化层，所述高温氮化热处理和/或所述热氧化工艺使用稀释气体进行；
通过等离子体氮化工艺对所述栅极氧化层进行氮注入，形成含氮栅极氧化层；
采用高温退火工艺，以稳定含氮栅极氧化层中的氮分布和修复含氮栅极氧化层中的等离子体损伤。
2.如权利要求1所述的含氮栅极氧化层的制作方法，其特征在于，所述半导体衬底的材质为硅，所述栅极氧化层的材质为SiO2，所述热氧化工艺过程中利用稀释气体以稀释Si-SiO2界面产生Si-H键和S-O-H键的数量。
3.如权利要求1所述的含氮栅极氧化层的制作方法，其特征在于，所述稀释气体包括N2或Ar，所述稀释气体的流量范围为5slm-50slm。
4.如权利要求1所述的含氮栅极氧化层的制作方法，其特征在于，所述实时高温氮化热处理工艺的温度范围为1000-1100摄氏度，时间范围为5-120秒，所述稀释气体用于加快栅极氧化层内的应力释放，减少栅极与衬底界面之间发生断裂键的可能性。
5.如权利要求1所述的含氮栅极氧化层的制作方法，其特征在于，所述热氧化工艺包括：快速热处理工艺和/或垂直炉管工艺。
6.如权利要求5所述的含氮栅极氧化层的制作方法，其特征在于，所述快速热处理工艺包括：原位水蒸汽氧化工艺和快速热氧化工艺。
7.如权利要求6所述的含氮栅极氧化层的制作方法，其特征在于，所述等离子体氮化工艺包括：去耦等离子体氮化工艺、远程等离子体氮化工艺和/或垂直扩散设备氮化处理工艺。
8.如权利要求7所述的含氮栅极氧化层的制作方法，其特征在于，所述垂直扩散设备氮化处理工艺利用NO、N2O、NH3中的一种或者其中的混合进行。
9.如权利要求6所述的含氮栅极氧化层的制作方法，其特征在于，所述高温退火工艺的温度范围为1000-1100摄氏度，反应时间范围为5-120秒。
10.如权利要求9所述的含氮栅极氧化层的制作方法，其特征在于，所述高温退火的气体包括N2、O2或者两者的混合。
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