DE19963674B4 - Verfahren zur Ausbildung eines Oxynitridgatedielektrikums, Oxynitridgatedielektrikum und darauf angeordneter Gatestapel - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Ausbilden eines Oxynitridgatedielektrikums in einer Halbleitervorrichtung, umfassend die folgenden Schritte:
– Bereitstellen eines Siliciumsubstrats,
– Inberührungbringen einer Oberfläche des Siliciumsubstrats mit einem Gas oder Gasgemisch, enthaltend Stickstoff und Sauerstoff, bei einer Temperatur von mehr als 500°C zum Bilden einer Oxynitridschicht, die das Siliciumsubstrat überzieht und welche eine Schichtdicke von etwa 0,1 nm bis 4 nm besitzt, und
– Inberührungbringen des Siliciumsubstrats und der Oxynitridschicht mit einem Gasgemisch, das Sauerstoff und mindestens eine halogenhaltige Verbindung enthält, so dass sich eine Schicht aus im wesentlichen Siliciumdioxid zwischen der Oxynitridschicht und dem Siliciumsubstrat bildet.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen ein Gatedielektrikum für eine Halbleitervorrichtung und ein Verfahren zu deren Herstellung, und betrifft insbesondere eine Oxynitrid-Gatedielektrikumstruktur, die nitrierte Bereiche mit gesteuerten Stickstoffkonzentrationen zur Anwendung in einer Halbleitervorrichtung enthält sowie ein Verfahren zum Herstellen der Struktur.
  • Herkömmliche Gatedielektrika, die in Halbleiter-Speichervorrichtungen verwendet werden, bestehen aus einer dünnen SiO2-Schicht. Ein neuerer Trend in der Halbleiterverarbeitung ist der Einschluß einer geringen Stickstoffkonzentration in der Gatedielektrikumschicht. Es wurde gefunden, daß der Stickstoff günstige Effekte zur Reduzierung von Kanalschäden durch energiereiche Elektronen bewirkt und zur Verminderung der Bor-Ausdiffusion aus dem Polysiliciumgate in den Kanal führt. Der Einschluß von Stickstoff erhöht ferner die Dielektrizitätskonstante, so daß ein nitrierter Film einen geringeren Leckstrom als ein reiner Oxidfilm gleicher Kapazität aufweist. Obwohl Stickstoff günstige Auswirkungen auf Gateisolierungen hat, kann eine zu große Stickstoffkonzentration unerwünscht sein. Große Stickstoffkonzentrationen können unakzeptable Verschiebungen in der Flachbandspannung sowie Verschlechterungen bei anderen Eigenschaften des Dielektrikums bewirken.
  • In der Steuerung der Konzentration und Tiefenverteilung des Stickstoffs gibt es in den meisten Verfahren zum Einführen des Stickstoffs in SiO2 nur wenig Flexibilität. Chemische Verfahren zum Einführen von Stickstoff stützen sich auf die Reaktion zwischen einem Nitrierungsmittel, wie NO oder NH3, mit dem Siliciumsubstrat oder einem vorher aufgewachsenen Oxid. Die sich ergebenden Filme haben eine große Stickstoffkonzentration an der Si/SiO2-Schnittstelle, wo sich die chemische Reaktion abspielt. Die Reaktion ist selbstbeschränkend durch den Stickstoff, weil die nitrierte Schicht als Diffusionsbarriere für Sauerstoff wirkt und damit verhindert, daß weitere Gasspecii die Si/SiO2-Schnittstelle erreichen. Das erbringt einen zusätzlichen Vorteil bei der Verwendung von Stickstoff in einem Nitrierungsprozeß, d.h. die nitrierten Filme haben eine gleichmäßigere Dicke als herkömmliche Oxide. Die Gleichmäßigkeit der Dicke wird demonstriert durch geringere Verteilung an unterschiedlichen Stellen über eine Wafer-Oberfläche gemessener elektrischer Charakteristika, z.B. NO-Oxidiation.
  • Andere versuchten eine gewisse begrenzte Steuerung der Stickstofftiefenverteilung. Eines dieser Verfahren ist die Steuerung der Anfangsnitrierungsbedingungen. Zum Beispiel wurde gezeigt, daß der Stickstoffgehalt in einer Oxynitrid-Schicht, die durch Einwirken von gasförmigem NO auf Silicium erzeugt wurde, von der Nitrierungstemperatur abhängt. Durch Reaktion bei einer niedrigen Temperatur wird eine geringere Menge Stickstoff eingeführt, obwohl die Qualität des entstehenden Dielektrikums durch die niedrige Reaktionstemperatur beeinträchtigt werden kann. Eine andere Methode zum Steuern der Stickstofftiefenverteilung ist die Reoxidierung von Oxynitriden. Zum Beispiel wurde gefunden, daß eine reine SiO2-Abstandsschicht zwischen einer Oxynitrid-Schicht und einem Siliciumsubstrat durch Einwirkenlassen des gasförmigen O2 auf die Probe bei höheren Temperaturen eingeschoben werden kann. Der Sauerstoff diffundiert durch das Dielektrikum und reagiert mit dem Siliciumsubstrat, um die darunterliegende SiO2-Schicht zu bilden, ohne den Oxynitrid-Film zu stören. Es wurde auch gezeigt, daß Stickstoff bei Reoxidierung durch N2O abgezogen werden kann, auch wenn es stärker erwünscht sein sollte, eine kontrollierte Menge Stickstoff in der Oxynitridschicht zu belassen, anstatt diese vollständig abzuziehen, so daß die erwünschten Vorteile des Stickstoffs beibehalten werden können. Es ist daher erwünscht, ein Verfahren zur Verfügung zu haben, das effektiv das Profil der Stickstoffkonzentration in einer Oxynitridschicht steuert, die als Gatedielektrikum benutzt wird, während gleichzeitig nach dem Ausführen eines Reoyxidierungsprozesses der Oxynitridschicht eine im wesentlichen reine SiO2-Schicht unter dem Dielektrikum ausgebildet wird.
  • Sowohl aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 196 42 746 A1 als auch aus der US 4 980 307 sind Verfahren zum Erzeugen eines Oxynitridgatterdielektrikums bekannt, wonach zunächst eine Oxydschicht auf der Oberfläche eines Halbleitersubstrats erzeugt wird, um dann auf der resultierenden Substratoberfläche durch Wärmebehandlung in einer Ammoniakatmosphäre einen Oxynitridfilm auszubilden.
  • Gegenstand der US 5 580 815 ist ein Verfahren zum Ausbilden einer Feldisolation, durch die die aktiven Bereiche der Substratoberfläche definiert werden, also die Bereiche, in denen Schaltungselemente ausgebildet werden sollen. Gemäß dem hier beschriebenen Verfahren wird zunächst eine sogenannte Pad-Schicht auf einem Siliziumsubstrat erzeugt, die als Schutzschicht für die Substratoberfläche in den aktiven Bereichen dient. Diese Pad-Schicht kann in Form einer Siliziumoxynitridschicht realisiert werden, und zwar sowohl durch thermische Oxidation als auch durch chemisches Abscheiden erfolgen. Da die pad-Schicht noch vor der Ausbildung der Schaltungselemente wieder entfernt wird, spielt sie im Design der resultierenden Halbleitervorrichtung keine Rolle.
    •
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zum Ausbilden eines Oxynitrid-Gatedielektrikums in einer Halbleitervorrichtung bereitzustellen, sowei ein hierdurch hergestelltes Oxinitrid-Gatedielektrikum und einen Gatestapel anzugeben.
  • Die vorliegende Erfindung stellt Verfahren zum Ausbilden eines Oxynitrid-Gatedielektrikums in einer Halbleitervorrichtung bereit, die in der Lage sind, ein kontrolliertes Profil der Stickstoffkonzentration im Oxynitrid zu erreichen sowie nach einem Reoxidierungsprozeß des Oxynitrids eine im wesentlichen reine SiO2-Schicht unter dem Dielektrikum zu erzeugen.
  • Dies wird erreicht durch ein Verfahren zum Ausbilden eines Oxynitrid-Gatedielektrikums in einer Halbleitervorrichtung, das ein kontrolliertes Stickstoffprofil in der Oxynitridschicht durch zunächst Ausformen der Schicht durch Inberührungbringen der Siliciumoberfläche mit mindestens einem Gas, das Stickstoff und Sauerstoff enthält, aufweist bzw. durch ein Verfahren zum Ausbilden eines Oxynitrid-Gatedielektrikums in einer Halbleitervorrichtung, das ein kontrolliertes Stickstoffkonzentrationsprofil durch zunächst Bilden der Oxynitridschicht auf einer Siliciumoberfläche durch eine chemische Dampfabscheidetechnik aufweist.
  • Weiterhin stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Ausbilden eines Oxynitrid-Gatedielektrikums in einer Halbleitervorrichtung bereit, worin zunächst durch Bilden der Oxynitridschicht und anschließendes Behandeln der Schicht mit einem Gasgemisch enthaltend Sauerstoff und mindestens eine halogenhaltige Verbindung eine im wesentlichen Siliciumdioxidschicht unter der Oxynitrid-Schicht bereitgestellt wird.
  • Dies wird erreicht, durch die Ausbildung eines Oxynitrid-Gatedielektrikums in einer Halbleitervorrichtung durch Inberührungbringen einer Siliciumoberfläche mit mindestens einem Gas, das Stickstoff und Sauerstoff enthält, ausgewählt aus der Gruppe NO, N2O, NH3 und O2.
  • Das erfindungsgemäße Oxynitrid-Gatedielektrikum bzw. der Gatestapel weist ein kontrolliertes Stickstoffprofil in einer Halbleitervorrichtung auf.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform kann ein Verfahren zum Ausbilden eines Oxynitrid-Gatedielektrikums in einer Halbleitervorrichtung durch die folgenden Betriebsschritte ausgeführt werden: Zunächst Bereitstellen eines Siliciumsubstrats, das eine Deckfläche aufweist, und Inberührungbringen der Deckfläche des Siliciumsubstrats bei einer Temperatur von nicht weniger als 500°C mit mindestens einem Gas, das Stickstoff und Sauerstoff enthält, zum Ausbilden einer Oxynitrid-Schicht, die das Siliciumsubstrat überzieht, und Inberührungbringen des Siliciumsubstrats und der Oxynitridschicht mit einem Gasgemisch, enthaltend Sauerstoff und mindestens eine halogenhaltige Verbindung, so daß sich eine Schicht aus im wesentlichen Siliciumdioxid zwischen der Oxynitridschicht und dem Siliciumsubstrat ausbildet.
  • Das mindestens eine, Stickstoff und Sauerstoff enthaltende Gas kann ausgewählt werden aus der Gruppe bestehend aus NO, N2O, NH3 und O2. Das mindestens eine Gas kann in eine Reaktionskammer geleitet werden, um unter einem Druck zwischen etwa 1,3·102 Pa und etwa 2·105 Pa zu reagieren. Das mindestens eine Gas kann mit einer genügend hohen Strömungsrate und Kammertemperatur in eine Reaktionskammer geleitet werden, so daß sich ein stickstoffreiches Oxynitrid mit einer Stickstoffkonzentration im Bereich zwischen etwa 0,1 und etwa 50 Atomprozent bilden kann. Das mindestens eine Gas kann in eine Reaktionskammer geleitet werden, um mit einer Siliciumoberfläche zu reagieren, die auf einer Temperatur zwischen etwa 500°C und etwa 1200°C gehalten wird.
  • Das Verfahren zum Ausbilden eines Oxynitrid-Gatedielektrikum kann ferner den Schritt des Inberührungbringens der Deckfläche eines Siliciumsubstrats mit mindestens einem stickstoff- und sauerstoffhaltigen Gas beinhalten. Das Verfahren kann ferner den Schritt des Inberührungbringens einer Deckschicht eines Siliciumsubstrats mit mindestens einem Gas, ausgewählt aus der Gruppe NO, N2O und NH3, und mindestens einem Gas, ausgewählt aus der Gruppe O2 und N2O enthalten. Die gebildete Oxynitridschicht weist eine Dicke zwischen etwa 0,1 nm und etwa 4 nm auf. Die mindestens eine halogenhaltige Verbindung kann ausgewählt werden aus der Gruppe HCl, CH2Cl2, C2H3Cl3, C2H2Cl2, CH3Cl und CHCl3. Die Schicht aus im wesentlichen Siliciumdioxid kann aus 90% reinem SiO2 gebildet werden.
  • In einer anderen bevorzugten Ausführungsform kann ein Verfahren zum Bilden eines Oxynitrid-Gatedielektrikums ausgeführt werden durch zunächst Bereitstellen eines Siliciumsubstrats mit einer Deckfläche durch Aufbringen einer Oxynitridschicht auf der Deckfläche des Siliciumsubstrats durch chemische Gasphasenabscheidung und dann Bilden eine im wesentlichen aus Siliciumdioxid bestehenden Schicht zwischen der Oxynitridschicht und dem Siliciumsubstrat durch Inberührungbringen der Oxynitridschicht mit einem Gasgemisch enthaltend Sauerstoff und mindestens eine halogenhaltige Verbindung.
  • Die verwendete chemische Dampfphasenabscheidungs-(CVD)-Technik kann PECVD, RPCVD, RTCVD und LPCVD sein. Die abgeschiedene Oxynitridschicht weist eine Dicke zwischen etwa 0,1 nm und etwa 4 nm auf. Die mindestens eine halogenhaltige Verbindung kann ausgewählt werden aus der Gruppe bestehend aus HCl, CH2Cl2, C2H3Cl3, C2H2Cl2, CH3Cl und CHCl3. Die Schicht aus im wesentlichen Siliciumdioxid kann aus 90% reinem SiO2 gebildet werden.
  • In dem so gebildeten Gatedielektrikum kann die Oxinitridschicht ein Stickstoffreiches Oxynitrid sein, das eine Stickstoffkonzentration im Bereich von etwa 0,1 bis etwa 50 Atomprozent aufweist. Die Dicke der Abstandsschicht, der Oxynitridschicht und das SiO2 kann zwischen etwa 0,1 nm und etwa 4 nm liegen. Die gebildete Abstandsschicht kann 90% reines SiO2 enthalten.
  • Die vorliegende Erfindung ist ferner gerichtet auf einen in einer Halbleiterspeichervorrichtung angeordneten Gatestapel, der ein Siliciumsubstrat, eine Abstandsschicht, die das Siliciumsubstrat überzieht, wobei die Abstandsschicht aus im wesentlichen reinem SiO2 bestehen kann, eine Oxynitridschicht die die Abstandsschicht überzieht, eine Siliciumdioxidschicht, die die Oxynitridschicht überzieht, und ein leitendes Gate, das die Siliciumdioxidschicht überzieht, beinhaltet.
  • Im Gatestapel, der in einer Halbleiterspeichervorrichtung ausgebildet ist, kann das leitende Gate ein Polysiliciumgate sein. Die Oxynitridschicht kann ein stickstoffreiches Oxynitrid sein, das eine Stickstoffkonzentration im Bereich zwischen etwa 0,1 und etwa 50 Atomprozent hat. Jede der Abstandsschicht, der Oxynitridschicht und der SiO2-Schicht kann eine Dicke von etwa 0,1 nm bis etwa 4 nm haben. Die Abstandsschicht kann aus einem Material gebildet sein, das im Wesentlichen aus SiO2 besteht.
    •
  • Diese und noch weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden offensichtlich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung anhand der beiliegenden Zeichnungen, in diesen ist
  • 1 eine vergrößerte Schnittansicht eines Halbleitergatestapels enthaltend das Oxynitrid-Gatedielektrikum der vorliegenden Erfindung.
  • 2A ist eine vergrößerte Schnittansicht des Gatedielektrikums gemäß der vorliegenden Erfindung, nachdem eine Oxynitridschicht als erste auf einem Siliciumsubstrat ausgebildet wurde.
  • 2B ist eine vergrößerte Schnittansicht des Gatedielektrikums der 2A gemäß der vorliegenden Erfindung, nachdem ein Reoxidierungsprozeß zum Ausbilden einer Siliciumdioxidschicht zwischen der Oxynitridschicht und dem Siliciumsubstrat ausgeführt wurde.
  • 3 ist ein Graph, der Spektren der Ionenstreuung mittlerer Energie (MEIS – Medium Energy Ion Scattering) auf der Oxynitridschicht der vorliegenden Erfindung illustriert.
  • 4 ist ein Graph, der ein Histogramm-Schaubild der Filmgleichförmigkeit der erfindungsgemäßen Oxynitridschicht illustriert.
  • Die vorliegende Erfindung offenbart ein Verfahren zum Ausbilden eines Oxynitrid-Gatedielektrikums in einer Halbleitervorrichtung, das ein kontrolliertes Stickstoff-Konzentrationsprofil in der Oxynitridschicht aufweist. Das Verfahren ermöglicht ferner die Ausbildung einer im wesentlichen reinen Siliciumdioxidschicht in einem Reoxidationsprozeß in Anwesenheit von Sauerstoff und einer halogenhaltigen Verbindung zwischen einer Oxynitridschicht und einem Siliciumsubstrat. Die Oxynitridschicht kann entweder gebildet werden durch entweder Führen eines Gases oder Gasgemisches, das Stickstoff und Sauerstoff enthält, über die Oberfläche eines Siliciumsubstrats, oder durch Abscheiden mit einer chemischen Dampfabscheidetechnik. Das Gas oder Gasgemisch, das Stickstoff und Sauerstoff enthält, kann mit einer hinreichend großen Strömungsrate und Kammertemperatur in eine Reaktionskammer geleitet werden, so daß sich eine stickstoffreiche Oxynitridschicht bildet, die eine Stickstoffkonzentration im Bereich zwischen etwa 0,1 und etwa 50 Atomprozent besitzt. Das Gas kann NO, N2O, NH3 oder O2 sein. Das mindestens eine Gas kann in eine Reaktionskammer geleitet werden, um mit einer Siliciumoberfläche unter einem Druck zwischen etwa 1,3·102 Pa und etwa 2·105 Pa zu reagieren. Die Temperatur der Siliciumoberfläche kann auf zwischen etwa 500°C und etwa 1200°C gehalten werden. Das Gasgemisch kann auch ein Gas aus der Gruppe NO, N2O und NH3, und ein Gas aus der Gruppe O2 und N2O enthalten.
  • Das Verfahren kann zur Ausbildung eines Gatedielektrikums in einer CMOS-Vorrichtung durchgeführt werden, zunächst durch Bilden einer Oxynitridschicht und dann Reoxidieren der Schicht in einer oxidierenden Umgebung wie O2, enthaltend eine halogenhaltige Verbindung wie HCl, CH2Cl2, C2H3Cl3, C2H2Cl2, CH3Cl und CHCl3. Die sich ergebende gebildete Struktur besteht aus einer Oxidschicht oben auf einer Oxynitridschicht, die einen steuerbaren Stickstoffgehalt aufweist, oben auf einer weiteren Oxidschicht, die auf einem Siliciumsubstrat ausgebildet ist. Die Dicke dieser Schichten kann zwischen etwa 0,1 nm und etwa 4 nm variieren.
  • Die Oxynitridschicht kann durch eine Standardwärmebehandlung gebildet werden, wie z.B. eine Reaktion zwischen NO, N2O und NH3 mit einem Siliciumsubstrat, möglicherweise in Kombination mit einem oxidierenden Gas wie O2 oder N2O. Als Alternative kann der Oxynitridfilm gebildet werden durch einen CVD-Prozeß, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf PECVD, RPCVD, RTCVD und LPCVD.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform kann dieser Oxidfilm durch Reaktion einer sauberen Siliciumfläche mit NO-Gas unter einem Druck zwischen etwa 1,3·102 Pa und etwa 2·105 Pa und bei einer Temperatur zwischen etwa 500°C und etwa 1200°C gebildet werden. Der Prozeß bildet einen stickstoffreichen Oxynitridfilm, der eine Stickstoffkonzentration im Bereich zwischen etwa 0,1 und etwa 50 Atomprozent aufweist. Der Prozeß bildet einen Film, der gleichmäßig über die Oberfläche des Wafers verteilt ist, mit einer Standarddickenabweichung von 10 mal weniger als bei einem Film, der mit N2O gebildet wird. Der Sekundärprozeß, d.h. der Reoxidierungsprozeß, kann als thermischer Prozeß in einer oxidierenden halogenierten Atmosphäre, wie O2 + CH2Cl2, unter einem Druck zwischen etwa 1,3·102 Pa und etwa 2·105 Pa bei einer Temperatur zwischen etwa 500°C und etwa 1200°C ausgeführt werden. Der Zweck des Reoxidierungsprozesses ist das Optimieren des Stickstoffprofils innerhalb der Oxynitridschicht. Der Sauerstoff bewirkt das Aufwachsen eines im Wesentlichen reinen SiO2 unterhalb der Oxynitridschicht. Mit 'im wesentlichen rein' ist eine SiO2-Schicht gemeint, die mindestens 90% SiO2 enthält. Die Halogenid-Verbindung dient zur Unterstützung des Entfernens von Stickstoffs aus dem Oxynitrid. Das vorliegende, neuheitliche Erfindungsverfahren ist daher in der Lage, durch Optimieren der Strömungsraten der sauerstoff- und halogenhaltigen Verbindungen, des Drucks, der Temperatur usw., das Stickstoffprofil in der Oxynitridfilmschicht zu optimieren, was zu einem erwünschten optimalen Ausgleich der Filmdickeneinheitlichkeit, Flachbandspannung und Kanalheißträgerzuverlässigkeit führt.
  • Das Verfahren der vorliegenden Erfindung unterscheidet sich in zwei Hauptaspekten von anderen Stickstoffoptimierungsverfahren, bei denen ein N2O-Tempern benutzt wird, um N aus dem Oxynitrid zu entfernen. Erstens wird im N2O-Reoxidierungsverfahren der Stickstoff während eines Reoxidierungsverfahrens vollkommen aus der Oxynitridschicht entfernt. In dem vorliegenden Erfindungsverfahren verbleibt in Abhängigkeit von den Reoxidierungsbedingungen eine kontrollierte Menge Stickstoff in der Oxynitridschicht. Zweitens wird im Verfahren der N2O-Reoxidierung eine zweite Oxynitridschicht zwischen der Oxynitridschicht und dem Siliciumsubstrat gebildet. Im vorliegenden Erfindungsverfahren wird im wesentlichen eine Schicht aus reinem SiO2 unterhalb des Dielektrikums eingeschoben. Das vorliegende Erfindungsverfahren spricht daher das Problem der Entkopplung des Stickstoffgehalts des Oxynitridfilms von der Filmdicke und -einheitlichkeit an. Zum Beispiel kann eine niedrige Stickstoffkonzentration an der Si/SiO2-Schnittstelle erwünscht sein, um gute Vorrichtungseigenschaften (wie z.B. eine Flachbandspannungs-Verschiebung) zu erhalten. Jedoch kann sowohl eine schmale Dickenverteilung als auch eine dicke Oxid-Abstandsschicht erforderlich sein. In einem solchen Fall kann Stickstoff durch NO-Oxidierung bei einer Temperatur von 850°C eingeführt werden, was zu Konzentrationen von ungefähr 6×1014/cm2 führt. Diese Stickstoffkonzentration ist groß genug, das Eindiffundieren von oxidierenden Verbindungen zu verhindern und trägt damit zur räumlichen Einheitlichkeit der dielektrischen Schicht bei. Während des Reoxidierungsschritts entfernt das erfindungsgemäße Verfahren selektiv die Stickstoffatome aus dem Film durch Zugabe einer halogenhaltigen Verbindung, wie z.B. Methylchlorid, zur gasförmigen Umgebung. Dieser Zusatz dient zur Reduzierung der Verschiebung in der Flachbandspannung und sonstiger schädlicher Auswirkungen des Stickstoffs, während die geringe Dicke, die für nitrierte Oxide typisch ist, beibehalten wird.
  • Nehmen wir jetzt Bezug auf 1; in dieser wird eine vergrößerte Schnittansicht eines Gatestapels 10 mit dem erfindungsgemäßen Gatedielektrikum 20 gezeigt. Das Gatedielektrikum 20 wird auf einem Siliciumsubstrat 12 aufgebaut und anschließend wird ein Polysiliciumgate 14 auf dem Gatedielektrikum 20 ausgebildet. Das Siliciumsubstrat 12 ist ferner mit Quellenbereichen 16 in einer Deckfläche versehen.
  • Die 2A und 2B zeigen vergrößerte Schnittansichten der erfindungsgemäßen Gatedielektrikumstrukturen 20. Der Oxynitridfilm 22 kann durch eine von zwei Methoden gebildet werden.
  • In der ersten Methode eines Standard-Wärmebehandlungsprozesses wird mindestens ein Gas von NO, N2O oder NH3 mit einem Siliciumsubstrat 12 zur Reaktion gebracht, wahlweise in Kombination mit einem oxidierenden Gas wie z.B. O2 oder N2O. Zum Beispiel wird in einer bevorzugten Ausführungsform zur Ausbildung des Oxynitridfilms 22 eine saubere Siliciumoberfläche mit NO-Gas unter einem Druck von zwischen 1,3·102 Pa und etwa 2·105 Pa und bei einer Temperatur von etwa 500°C bis etwa 1200°C zur Reaktion gebracht. Ein bevorzugter Bereich der Reaktionstemperatur liegt zwischen etwa 650°C und etwa 950°C. In einer zweiten Methode zum Bilden des Oxynitridfilms wird ein CVD-Prozeß, wie z.B. ein PECVD, RPCVD, RTCVD oder ein LPCVD benutzt, um den Oxynitridfilm auszubilden. Durch jedes dieser Verfahren wird eine stickstoffreiche Oxynitridschicht mit einer Stickstoffkonzentration im Bereich zwischen etwa 0,1 und etwa 50 Atomprozent gebildet. Der gebildete Oxynitridfilm hat eine einheitlichere Dicke über die Waferoberfläche, wie durch eine Standarddickenabweichung gezeigt wird, die 10 mal kleiner ist als sie mit der N2O-Reaktion erzielt wird. Die Oxynitridschicht 22 kann weitere Komponenten, wie im Wesentlichen eine reine SiO2-Schicht 26 auf der Oxynitridschicht 22 aufweisen oder auch nicht.
  • Nach Ausbilden des Oxynitridfilms 22 wird das Siliciumsubstrat 12 bei einer erhöhten Temperatur, d.h. zwischen etwa 500°C und etwa 1200°C, in einer Umgebung oxidiert, die eine oxidierende und eine halogenierte Verbindung aufweist. Das Oxidierungsmittel, wie z.B. O2 oder N2O, diffundiert durch die Oxynitridschicht 22 um eine Oxidabstandsschicht 32 unterhalb der Oxynitridschicht 22 zu erzeugen. Die halogenierte Verbindung wie z.B. HCl, CH2Cl2, C2H3Cl3, C2H2Cl2, CH3Cl und CHCl3 wird gleichzeitig wirksam, um den Stickstoffgehalt in der Oxynitridschicht 22 zu reduzieren, und ermöglicht somit ein kontrolliertes Stickstoffprofil.
  • Der Reoxidierungsprozeß kann ausgeführt werden als thermischer Prozeß, in dem eine oxidierende halogenierte Atmosphäre vorgesehen ist mit einem Druck zwischen etwa 1,3·102 Pa und etwa 2·105 Pa und mit einer Temperatur zwischen etwa 500°C und etwa 1200°C. Der Zweck des Reoxidierungsprozesses ist daher das Optimieren des Stickstoffprofils in der Oxynitridschicht. Der Sauerstoff bewirkt das Aufwachsen des im Wesentlichen reinen SiO2 unterhalb der Oxynitridschicht 22, während die Halogenid-Verbindung dazu dient, um zum teilweisen Entfernen des Stickstoffs von der Oxynitridschicht 22 beizutragen.
  • Die Wirksamkeit der Methode der vorliegenden Erfindung wird illustriert in 3, die Spektren zeigt, die durch eine Ionenstreutechnik mittlerer Energie (MEIS – Medium Energy Ion Scattering) aufgenommen wurden. Die Spektren zeigen Sauerstoff- und Stickstoffpeaks für 200 keV He-Ionen, die von drei unterschiedlichen dielektrischen Schichten rückgestreut wurden. Die Figur zeigt ferner einen Einschub, der eine Vergrößerung des Stickstoffpeaks um einen Faktor 5 beinhaltet. Eine Probe, die nur einer NO-Oxidierung bei 850°C unterzogen wurde und keine weitere Bearbeitung aufweist (bezeichnet "wie gewachsen") hat eine Sauerstoffpeak bei etwa 155 keV und einen Stickstoffpeak bei etwa 147 keV. Die Größe und Form des Stickstoffpeaks zeigt die Tiefenverteilung und die Konzentration des Stickstoffs. Nach Reoxidieren in einer reinen Sauerstoffumgebung bei 850°C verbreitert sich der Sauerstoffpeak, was anzeigt, daß das Dielektrikum jetzt dicker ist (in 3 als "O2 Re Ox" bezeichnet), während der Stickstoffpeak sowohl in der Amplitude als auch in der Position unverändert bleibt. Das zeigt an, daß der Reoxidierungsprozeß den Stickstoff ungestört gelassen hat und eine darunterliegende SiO2 Schicht ohne Entfernen von Stickstoff eingeschoben wurde. Wenn dieses Spektrum verglichen wird mit einem Spektrum, das durch Reoxidierung in einer Umgebung mit Methylchlorid (in 3 bezeichnet als O2+MeCl") erhalten wurde, gibt es eine wesentliche Reduzierung in der Größe des Stickstoffpeaks, die eine zweifache Reduzierung der Stickstoffmenge im Film anzeigt.
  • Die Wirksamkeit der Methode der vorliegenden Erfindung kann ferner in einem Histogramm in 4 illustriert werden, das die Filmeinheitlichkeit über einen 8 Zoll Wafer zeigt. Auf der rechten Seite sind die Ergebnisse für ein N2O-Oxid, das eine Durchschnittsdicke von 2,13 nm und eine Standardabweichung von 0,02 nm aufweist. Auf der linken Seite werden Ergebnisse für eine NO-Reoxidierungsprobe aufgetragen, die eine mittlere Dicke von 2,09 nm und eine Standardabweichung von 0,0035 nm hat. Die Reduzierung in der Standarddickenabweichung verbessert wesentlich die Einheitlichkeit der elektrischen Ergebnisse für IC-Chips, die aus unterschiedlichen Bereichen eines Silicium-Wafers hergestellt wurden.

Claims (17)

  1. Verfahren zum Ausbilden eines Oxynitridgatedielektrikums in einer Halbleitervorrichtung, umfassend die folgenden Schritte: – Bereitstellen eines Siliciumsubstrats, – Inberührungbringen einer Oberfläche des Siliciumsubstrats mit einem Gas oder Gasgemisch, enthaltend Stickstoff und Sauerstoff, bei einer Temperatur von mehr als 500°C zum Bilden einer Oxynitridschicht, die das Siliciumsubstrat überzieht und welche eine Schichtdicke von etwa 0,1 nm bis 4 nm besitzt, und – Inberührungbringen des Siliciumsubstrats und der Oxynitridschicht mit einem Gasgemisch, das Sauerstoff und mindestens eine halogenhaltige Verbindung enthält, so dass sich eine Schicht aus im wesentlichen Siliciumdioxid zwischen der Oxynitridschicht und dem Siliciumsubstrat bildet.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, in dem das eine Gas oder Gasgemisch, das Stickstoff und Sauerstoff enthält, aus der Gruppe NO, N2O, NH3 und O2 ausgewählt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, in dem das eine Gas oder Gasgemisch, das Stickstoff und Sauerstoff enthält, in eine Reaktionskammer eingeleitet wird, mit einer hinreichend großen Strömungsrate und Kammertemperatur, so dass ein stickstoffreiches Oxynitrid mit einer Stickstoffkonzentration im Bereich zwischen etwa 0,1 und etwa 50 Atomprozent gebildet wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, in dem das mindestens eine Gas oder Gasgemisch, das Stickstoff und Sauerstoff enthält, in eine Reaktionskammer eingeleitet wird, um mit einer Siliciumoberfläche bei einem Druck zwischen etwa 1,3·102 Pa und etwa 2·105 Pa zu reagieren.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, in dem das mindestens eine Gas oder Gasgemisch, das Stickstoff und Sauerstoff enthält, in eine Reaktionskammer eingeleitet wird, um mit einer Siliciumoberfläche zu reagieren, die auf einer Temperatur zwischen etwa 500° und etwa 1200°C gehalten wird.
  6. Verfahren zum Ausbilden eines Oxynitridgatedielektrikums in einer Halbleitervorrichtung, umfassend die folgenden Schritte: – Bereitstellen eines Siliciumsubstrats, – Abscheiden einer Oxynitridschicht mit einer Schichtdicke von etwa 0,1 nm bis 4 nm auf einer Oberfläche des Siliciumsubstrats durch eine chemische Dampfabscheidetechnik (CVD) und – Ausbilden einer im wesentlichen aus Siliciumdioxid bestehende Schicht zwischen der Oxynitridschicht und dem Siliciumsubstrat durch Inberührungbringen der Oxynitridschicht mit einem Gasgemisch, das Sauerstoff und wenigstens eine halogenhaltige Verbindung enthält.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, in dem die CVD-Technik ausgewählt wird aus einer Gruppe bestehend aus Plasma-CVD (PECVD), Remote-Plasma-CVD (RPCVD), schnelles thermisches CVD (RTCVD) und Niederdruck-CVD (LPCVD).
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 6, in dem die mindestens eine halogenhaltige Verbindung ausgewählt wird aus der Gruppe HCl, CH2Cl2, C2H3Cl3, C2H2Cl2, CH3Cl und CHCl3.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 6, in dem die Schicht aus im wesentlichen Siliciumdioxid aus mindestens 90% SiO2 gebildet ist.
  10. In einer Halbleitervorrichtung angeordnetes Gatedielektrikum, umfassend – ein Siliciumsubstrat, – eine das Siliciumsubstrat überziehende Abstandsschicht, wobei die Abstandsschicht im wesentlichen aus SiO2 gebildet ist, und eine die Abstandsschicht überziehende Oxynitridschicht, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandsschicht und die Oxynitridschicht jeweils eine Dicke von etwa 0,1 nm bis etwa 4 nm aufweist.
  11. Gatedielektrikum nach Anspruch 10, in dem die Oxynitridschicht ein stickstoffreiches Oxynitrid mit einer Stickstoffkonzentration im Bereich zwischen etwa 0,1 und etwa 50 Atomprozent ist.
  12. Gatedielektrikum nach Anspruch 10, in dem die Abstandsschicht aus einem Material gebildet wird, das mindestens 90% SiO2 enthält.
  13. Gatedielektrikum nach Anspruch 10, das ferner eine SiO2-Schicht enthält, die die Oxynitridschicht überzieht.
  14. In einer Halbleitervorrichtung angeordneter Gatestapel, umfassend – ein Siliciumsubstrat, – eine Abstandsschicht, die das Siliciumsubstrat überzieht, wobei die Abstandsschicht im wesentlichen aus SiO2 gebildet ist, – eine Oxynitridschicht, die die Abstandsschicht überzieht, – eine Siliciumdioxidschicht, die die Oxynitridschicht überzieht, wobei die Abstandsschicht, die Oxynitridschicht und das SiO2 jeweils eine Dicke zwischen etwa 0,1 nm und etwa 4 nm aufweisen, und – ein leitendes Gatter, das die Siliciumdioxidschicht überzieht.
  15. Gatestapel nach Anspruch 14, in dem das leitende Gate ein Polysilicium-Gate ist.
  16. Gatestapel nach Anspruch 14, in dem die Oxynitridschicht ein stickstoffreiches Oxynitrid mit einer Stickstoffkonzentration im Bereich zwischen etwa 0,1 und etwa 50 Atomprozent ist.
  17. Gatestapel nach Anspruch 14, in dem die Abstandsschicht aus einem Material gebildet wird, das wenigstens 90% SiO2 enthält.
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