專利名稱：用于柵極疊層結(jié)構(gòu)的集群順序處理的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實(shí)施例一般涉及一種形成柵極電介質(zhì)的方法。更具體地，本發(fā) 明的實(shí)施例涉及一種在集成處理系統(tǒng)內(nèi)形成包括硅和氧的柵極電介質(zhì)的方 法。
相關(guān)技術(shù)的描述
集成電路由很多例如上百萬個諸如晶體管、電容器和電阻器的器件組成。 諸如場效應(yīng)晶體管的晶體管通常包括源極、漏極和柵極疊層。柵極疊層通常 包括諸如硅襯底的襯底、在襯底上的諸如二氧化硅Si02的柵極電介質(zhì)和在柵
極電介質(zhì)上的諸如多晶硅的柵電極。
隨著集成電路尺寸和其上的晶體管的尺寸的降低，提高晶體管速度所需 的柵極驅(qū)動電流也增加了。由于驅(qū)動電路隨著柵極電容的增加而增加，且電 容與柵極電介質(zhì)厚度成反比，因此降低電介質(zhì)厚度是增加驅(qū)動電流的一種方 法。
已經(jīng)嘗試將SiO2柵極電介質(zhì)厚度降低到20A以下。但是，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)使用 20A以下的Si02柵極電介質(zhì)通常會對柵極性能和壽命產(chǎn)生不希望的影響。例 如，來自摻雜的柵電極的摻雜劑能穿透薄的Si02柵極電介質(zhì)到達(dá)下部的硅襯 底中。而且，增加了柵極所消耗的功率量的薄電介質(zhì)通常會增加?xùn)艠O漏電流， 即隧穿效應(yīng)。
已經(jīng)研發(fā)了氧氮化硅(SiON或SiOxNy)膜作為Si02柵極電介質(zhì)替代品。
通常通過Si02膜的熱氮化或等離子體氮化來形成氧氮化硅膜。將氮結(jié)合到 Si02膜中阻擋了摻雜劑滲入到下部的硅襯底中，降低了泄漏電流，并且允許
使用較厚的柵極電介質(zhì)。但是，熱氮化中使用的高溫會導(dǎo)致氮通過柵極電介 質(zhì)擴(kuò)散到下部的硅溝道界面，且在硅溝道界面處的多余的氮會降低溝道遷移 率并引起負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定性(NBTI)。相似地，在等離子體氮化中使用的等離子體處理?xiàng)l件會產(chǎn)生具有足以穿過柵極電介質(zhì)至下部硅溝道界面的能量 的氮離子。
因此，仍需要一種形成改進(jìn)了的柵極電介質(zhì)的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實(shí)施例一般提供了一種在襯底上形成柵極電介質(zhì)的方法。柵極 電介質(zhì)包括硅和氧，還可包括氮或諸如硅酸鉿、氧化鉿或者硅酸鑭鉿的高k 材料。在一個方面，柵極電介質(zhì)包括在硅襯底上的薄氧化硅層和在氧化硅層 上的氮化硅或高k層，其中氮化硅或高k層具有氧化的上表面。
在一個實(shí)施例中， 一種在襯底上形成包括硅和氧的柵極電介質(zhì)的方法包 括在氧化氣氛中對包括硅的襯底實(shí)施首次退火以在襯底上形成氧化硅層，和
通過化學(xué)氣相沉積或者原子層沉積在氧化硅層上沉積氮化硅層或高k層，該 高k層選自由氧化鉿層、硅酸鉿層和硅酸鑭鉿層組成的組。將氮化硅層或高 k層暴露到包括氧的等離子體中以氧化硅的上表面，之后實(shí)施第二次退火襯 底。
在另一實(shí)施例中， 一種在襯底上形成包括硅和氧的柵極電介質(zhì)的方法包 括將包括硅的襯底輸入到集成處理系統(tǒng)中，在集成處理系統(tǒng)的第一室中在氧 化氣氛中實(shí)施首次退火襯底，以在襯底上形成氧化硅層，和在集成處理系統(tǒng) 的第二室中通過化學(xué)氣相沉積或原子層沉積在氧化硅層上沉積氮化硅層或高 k層，該高k層選自由氧化鉿層、硅酸鉿層和硅酸鑭鉿層組成的組。在集成 處理系統(tǒng)的第三室中將氮化硅層或高k層暴露到包括氧的等離子體中以氧化 硅的上表面，之后在集成處理系統(tǒng)的室中實(shí)施第二次退火襯底。
在另一實(shí)施例中， 一種在襯底上形成包括硅和氧的柵極電介質(zhì)的方法包 含將包括硅的襯底輸入到集成處理系統(tǒng)中并在集成處理系統(tǒng)的第一室中在氧 化氣氛中實(shí)施首次退火襯底以在襯底上形成氧化硅層。在集成處理系統(tǒng)的第 二室中通過原子層沉積將氮化硅層沉積在氧化硅層上。在集成處理系統(tǒng)的第 三室中將氮化硅層暴露到包括氧的等離子體中以氧化氮化硅層的上表面，之 后在集成處理系統(tǒng)的室中實(shí)施第二次退火襯底。
附圖簡要說明為了可以更詳細(xì)地理解本發(fā)明上述特征的方式，可通過參考實(shí)施例得到 以上簡要概括的本發(fā)明的更具體的描述， 一些實(shí)施例在附圖中示出。但是應(yīng) 注意，附圖僅示出了本發(fā)明的典型實(shí)施例，因此并不認(rèn)為其限制本發(fā)明的范 圍，對于本發(fā)明也允許其他等效實(shí)施例。


圖1是描述本發(fā)明實(shí)施例的流程圖2是描述本發(fā)明其他實(shí)施例的流程圖3A-3D描述了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的處理順序的不同階段的襯底結(jié)構(gòu)的 示意性截面圖4是可用于實(shí)施本發(fā)明實(shí)施例的集成處理系統(tǒng)的頂視示意圖。 具體描述
本發(fā)明的實(shí)施例提供了形成包括硅和氧的柵極電介質(zhì)的方法。在一個方 面，柵極電介質(zhì)包括薄氧化硅層、在該薄氧化硅上的氮化硅或高介電常數(shù)(k) 層，和該氮化硅或高k層的氧化的上表面。如在此所規(guī)定的，高k層具有大 于約4的介電常數(shù)，諸如在約4與約30之間。
將參考圖1和2的流程圖簡要描述本發(fā)明的實(shí)施例，且以下將參考圖 3A-3D作進(jìn)一步描述。
在一個實(shí)施例中，如圖1的步驟102中所示，在氧化氣氛中退火包括硅 的襯底以在襯底上形成氧化硅層。如步驟104中所示，通過化學(xué)氣相沉積 (CVD)或原子層沉積(ALD)在氧化硅層上沉積氮化硅層。如步驟106中 所示，將氮化硅層暴露到包括氧的等離子體中。將氮化硅層暴露到包括氧的 等離子體中氧化了氮化硅層的上表面。之后，如步驟108中所示，退火其上 具有氧化硅層、氮化硅層和氮化硅層的氧化上表面的襯底。
在另一實(shí)施例中，如圖2的步驟202中所示，在氧化氣氛中退火包括硅 的襯底以在襯底上形成氧化硅層。如步驟204中所示，通過化學(xué)氣相沉積 (CVD)或原子層沉積(ALD)將高k層沉積在氧化硅層上。如步驟206中 所示，將高k層暴露到包括氧的等離子體中。將高k層暴露到包括氧的等離 子體中氧化了高k層的上表面。之后，如步驟208中所示，退火其上具有氧 化硅層、氮化硅層和高k層的氧化上表面的襯底。
圖3A-3D示出了根據(jù)圖1和2的實(shí)施例的不同處理階段的襯底結(jié)構(gòu)的實(shí)例。圖3A示出了包括硅的襯底300。襯底可以是200mm或300mm的襯底或 者是適合于半導(dǎo)體或平板顯示處理的另一種襯底。優(yōu)選地，在于氧化氣氛中 退火襯底之前，清洗襯底以去除在其表面上的任何自然氧化物(native oxide)。 也可通過用諸如在氫氟酸(HF)溶液中清洗襯底的濕法清洗工藝處理襯底來 去除自然氧化物。該溶液可具有約0.1至約10.0重量百分比HF的濃度且可 用在約20'C至約3(TC的溫度下使用。在示范性實(shí)施例中，該溶液具有約0.5 重量百分比的HF和約25。C的溫度。將襯底短暫地暴露到該溶液中之后是在 去離子水中的清洗步驟。
圖3B示出了其上具有薄氧化硅層302的襯底300。薄氧化硅層302可以 是二氧化硅(Si02)層。如以上關(guān)于步驟102和202所描述的，通過在氧化 氣氛中退火襯底300來形成薄氧化硅層302。氧化氣氛可以是氧(02)、氫(H》 禾口02、 H2和一氧化二氮(N20)、 02和惰性氣體或它們的組合。氧化硅膜厚 度例如可為約2A至約IOA。在一個實(shí)施例中，襯底可在約70(TC與約1100 "C之間的襯底溫度下和約0.1乇與約800乇之間的壓力下暴露到氧化氣氛中 達(dá)約1秒與約180秒之間的時間。優(yōu)選地，溫度在約75(TC與約IOO(TC之間， 且壓力在約0.5乇與約50乇之間。
圖3C示出了沉積在氧化硅層302上的層304。如以上參考圖1的步驟104 所描述的，層304可以是通過CVD或ALD沉積的氮化硅層，或者是如以上 參考圖2的步驟204所描述的，通過CVD或ALD沉積的高k層。
可通過CVD或ALD由包括硅源和氮源的氣體混合物來沉積氮化硅層 304。由于已經(jīng)觀測到如下工藝促進(jìn)了通過ALD在氧化硅層上沉積的氮化硅 層的成核，因此在沉積氮化硅層304之前，采用持續(xù)約5秒至約120秒的 25-900有效瓦特下的脈沖源N2等離子體，在約10mTorr與約50mTorr之間， 可將氧化硅層302暴露于諸如去耦等離子體氮化(DPN)工藝中的氮等離子 體，以將小量氮結(jié)合到氧化硅層302中。
氮化硅層可具有在約2A與約IOA之間的厚度。硅源例如可以是硅烷 (SiH4)、乙硅烷(Si2H6)、 二氯甲硅烷(SiH2Cl2)、六氯乙硅烷(Si2Cl6)或 其組合。可使用的氮源實(shí)例是氨(NH3)。
可用于沉積氮化硅層的示范性的CVD處理?xiàng)l件包括在約30(TC與約600 'C之間的襯底溫度，約1乇與約100乇之間的室壓力，約5sccm與約100sccm之間的硅源流速，和約5sccm與約10slm之間的氮源流速。CVD工藝可以是 低壓熱CVD工藝或者是等離子體增強(qiáng)CVD工藝。CVD工藝可以是連續(xù)工藝 或者是脈沖的CVD工藝，其中前體共同流動并被脈沖輸送到沉積室中。可用 于沉積氮化硅層的CVD室的實(shí)例是SiNgen⑧LPCVD室，可從Santa Clara, CA.的Applied Materials, Inc.(應(yīng)用材料有限公司)獲得。
如在此所規(guī)定的，"原子層沉積"涉及到順序輸入兩種或更多種反應(yīng)化合 物以在襯底表面上沉積材料層。 一個方面，在ALD工藝中硅前體和反應(yīng)物順 序脈沖輸入到室中，以沉積氮化硅層?？墒褂玫氖业膶?shí)例是可從Santa Clara, CA.的應(yīng)用材料有限公司獲得的300mm ALD Gemini室。硅前體可以對于 氣體前體以從約lsccm至約300sccm、優(yōu)選從約10sccm至約100sccm、對于 液體前體以從約5mg/分鐘至500mg/分鐘的流速輸入到室中。反應(yīng)物可以以約 100sccm至約10，000sccm或更高、優(yōu)選大于約500sccm，諸如從約500sccm 至約3,000、更優(yōu)選從約l，OOO至約2，000sccm的流速輸入到室中。
硅前體也可以是諸如氨基硅烷的含氮化合物。有利硅前體的具體氨基硅 烷是烷基氨基硅烷，化學(xué)式為(RR，N) 4.nSiHn，其中R和R，是獨(dú)立的氫、甲 基、乙基、丙基、丁基、戊基或芳基且n-O， 1， 2或3。在一個實(shí)施例中，R 是氫，R，是諸如甲基、乙基、丙基、丁基或戊基的烷基基團(tuán)，例如，R'是諸 如叔丁基的丁基基團(tuán)且n-2。在另一個實(shí)施例中，R和R，是獨(dú)立的烷基基團(tuán)， 諸如甲基、乙基、丙基、丁基和戊基或芳基基團(tuán)。用于在此描述的沉積工藝 的硅前體包括OBu(H)N) 3SiH、 (tBu(H)N) 2SiH2、 (lBu(H)N) SiH3、 (ipr(H)N) 3SiH、 ^Pr(H)N) 2SiH2、 (ipr(H)N) SiH3及其衍生物。在一個實(shí)施例中，硅前 體是雙(叔丁基氨基)硅垸((tBu(H)N) 2SiH2或者BTBAS)。在其他實(shí)施例 中，硅前體可以是烷基氨基硅垸，具有化學(xué)式(RR'N) 4_nSiR"n，其中R或R' 是獨(dú)立的氫、甲基、乙基、丙基、丁基、戊基或芳基，R"是獨(dú)立的氫、烷基
(例如甲基、乙基、丙基、丁基或戊基)、芳基或者鹵素(例如F、 Cl、 Br、 或I)，且n-O、 1、 2或3。
可用于在此描述的沉積工藝中的反應(yīng)物包括氫(H2)、硅烷、鍺烷、硼烷、 碳?xì)浠衔锖?或烷基、磷化氫、胺、聯(lián)氨、疊氮化物、其衍生物和其組合 物。硅烷包括甲硅垸(SiH4)、乙硅烷(Si2H6)、丙硅垸(Si3H8)、 二氯硅烷
(Cl2SiH2)、六氯乙硅烷(Si2Cl6)、烷基硅烷(例如MeSiH3)及其衍生物。鍺烷包括甲鍺垸(GeH4)、乙鍺烷(Ge2H6)、丙鍺垸(Ge3H8)、垸基鍺烷(例 如MeGeH3)及其衍生物。硼烷包括甲硼垸(BH3)、乙硼烷(B2H6)和垸基 硼垸(例如Et3B)、其加合物以及其衍生物。碳?xì)浠衔锖?或垸基包括甲烷
(CH4)、乙烷(C2H6)、丙烷(C3Hs)、丁烷(C4HH))、乙烯(C2H4)、乙炔(C2H》、
丙烯(C3H6)、丙炔(C3H4)、 丁垸(C4H8)、 丁炔(C4H6)及其衍生物。磷化 氫包括膦(PH3)、甲基膦(MePH2)、 二甲基膦(Me2PH)及其衍生物。胺和 聯(lián)氨包括(H3Si) 3N、 (Me3Si) 3N、 Me3N、 Et3N、 H2NNH2、 Me (H) NNH2、 Me2NNH2、 Me2NNMe2、 tBuNNtBu及其衍生物。在優(yōu)選實(shí)施例中，反應(yīng)物是 氫、硅烷、乙硅烷或其組合物。
在2004年7月23日提交的名稱為"Low Thermal Budget Silicon Nitride Formation for Advance Transistor Fabrication (用于先進(jìn)晶體管制造的低熱預(yù) 算氮化硅形成)"、公開為美國專利公開No.2006/0019032的、共同轉(zhuǎn)讓的美 國專利申請序列號No.l0/898，547中提供了可用于沉積在此描述的氮化硅層 的ALD工藝的進(jìn)一步描述，在此通過參考將其并入本文。
通過經(jīng)由化學(xué)氣相沉積或原子層沉積在襯底300上沉積薄氧化硅層302 和隨后的氮化硅層304，而非等離子體氮化或熱退火厚氧化硅層以形成氧氮 化硅層，可以使氮對下部硅襯底300的污染最小。
在另一實(shí)施例中，諸如含鉿材料的高k材料層304，例如氧化鉿層、硅 酸鉿層或者硅酸鑭鉿層可通過CVD或ALD沉積在氧化硅層302上。氧化鉿 可具有分子式HfOx或Hf02。硅酸鉿可以具有分子式HfSiyOx且可以是氧化鉿 (HfOx或Hf02)和氧化硅(SiOx或Si02)的混合物或者是單相的HfSi04材 料。高k材料層304具有在約10A與約60A之間的厚度。
用于沉積氧化鉿層的ALD工藝可包括將襯底暴露到單獨(dú)或者與載氣混 合輸入到室中的鉿前體脈沖下達(dá)一時間周期，諸如在從約0.1秒至約5秒的 范圍內(nèi)。接著將凈化氣體的脈沖輸入到室中以凈化或否則去除任何殘余的鉿 前體或者副產(chǎn)物。接下來，氧化氣體的脈沖被輸入到室中。氧化氣體可包括 諸如水蒸汽和氧的幾種氧化劑的混合物。凈化氣體的脈沖再次被輸入到室中 以凈化或者否則去除任何殘余氧化氣體或副產(chǎn)物。
用于沉積硅酸鉿層的ALD工藝可包括順序脈沖輸入以下氣體至室中鉿 前體、凈化氣體、氧化氣體、凈化氣體、硅前體、凈化氣體、氧化氣體和凈化氣體。可選地，用于沉積硅酸鉿層的ALD工藝可包括向室中提供鉿前體重 疊脈沖和硅前體脈沖，緊接著凈化氣體脈沖、氧化氣體脈沖和凈化氣體脈沖。 在2005年5月12日提交的、名稱為"Apparatuses and Methods for Atomic layer Deposition of Hafhium-Containing High-k Dielectric Materials (用于含鉿 高k電介質(zhì)材料的原子層沉積的裝置和方法)"、且公開為美國專利公開 No.2005/0271813的共同轉(zhuǎn)讓的美國專利申請序列號No.ll/127，767中提供了 用于沉積在此描述的氧化鉿層和硅酸鉿層的ALD工藝的進(jìn)一步描述，在此通 過參考將其并入本文。
用于CVD或ALD的示范性鉿前體包括含配合體的鉿化合物，諸如鹵化 物、烷基氨基、環(huán)戊二烯基、垸基、醇鹽、其衍生物或其組合物。用作鉿前 體的鹵化鉿化合物可包括HfCl4、 Hfl4、和Hffir4。用作鉿前體的烷基氨基鉿 化合物包括(RR，N) 4Hf，這里R或R，是單獨(dú)的氫、甲基、乙基、丙基或丁 基。用于沉積含鉿材料的鉿前體包括(Et2N) 4Hf、 (Me2N) 4Hf、 (MeEtN) 4Hf、 (tBuCsEU) 2HfCl2、 (C5H5) 2HfCl2、 (EtC5H4) 2HfCl2、 (Me5C5) 2HfCl2、 (Me5C5) HfCl3、 (iprC5H4) 2HfCl2、 (iprC5H4) HfCl3、 (tBuQjI^) 2HfMe2、 (acac) 4Hf、 (hfac) 4Hf、 (tfac) 4Hf、 (thd) 4Hf、 (N03) 4Hf、 CBuO) 4Hf、 (iprO) 4Hf、 (EtO) 4Hf、 (MeO) 4Hf或其衍生物。優(yōu)選地，在此處的沉積 工藝期間使用的鉿前體包括HfCU、 (Et2N) 4Hf或(Me2N) 4Hf。
用于通過CVD或ALD沉積硅酸鉿層的示范性的硅前體包括硅垸、烷基 氨基硅垸、硅醇或烷氧基硅烷，例如，硅前體可包括(Me2N) 4Si、 (Me2N) 3SiH、 (Me2N) 2SiH2、 (Me2N) SiH3、 (Et2N) 4Si、 (Et2N) 3SiH、 (MeEtN) 4Si、 (MeEtN) 3SiH、 Si (NCO) 4、 MeSi (NCO) 3、 SiH4、 S諷、SiCl4、 Si2Cl6、 MeSiCl" HSiCl3、 Me2SiCl2、 H2SiCl2、 MeSi (OH) 3、 Me2Si (OH) 2、 (Me O) 4Si、 (EtO) 4Si或其衍生物。用作硅前體的其他垸基氨基硅烷化合物包 括(RR，N) 4_nSiHn，這里R或R，是獨(dú)立的氫、甲基、乙基、丙基或丁基且 n=0—3。其他烷氧基硅烷可通過通用化學(xué)式(RO) 4.nSiU描述，這里R-甲 基、乙基、丙基或丁基且L-H、 OH、 F、 Cl、 Br、或I和它們的混合物。優(yōu) 選地，在這里的沉積工藝期間使用的硅前體包括(Me2N) 3SiH、 (Et2N) 3SiH、 (Me2N) 4Si、 (Et2N) 4Si或者SiH 。
可用于沉積氧化鉿層的示范性的CVD處理?xiàng)l件包括在約20(TC與約700"C之間的襯底溫度，在約l乇與約200乇之間的室壓力，在約5mg/分鐘與約 500mg/分鐘sccm之間的鉿前體流速和在約5sccm與約1000sccm之間的氧前 體流速。CVD工藝可以是常規(guī)的CVD工藝，或者是等離子體增強(qiáng)CVD工藝。 CVD工藝可以是連續(xù)的工藝或者是脈沖CVD工藝，其中前體共同流動且被 脈沖輸入到沉積室中。
可用于沉積硅酸鉿層的示范性的CVD處理?xiàng)l件包括在約20(TC與約700 'C之間的襯底溫度，在約1乇與約200乇之間的室壓力，在約5mg/分鐘與約 500mg/分鐘之間的鉿前體流速，在約5mg/分鐘與約500mg/分鐘之間的硅前體 流速，和在約5sccm與約1000sccm之間的氧化氣體流速。CVD工藝可以是 常規(guī)的CVD工藝，或者是等離子體增強(qiáng)CVD工藝。CVD工藝可以是連續(xù)的 工藝或者是脈沖CVD工藝，其中前體共同流動且被脈沖輸入到沉積室中。
返回到圖3D，通過將層304暴露到包括氧的等離子體中而在層304上形 成氧化上表面層306。包括氧的等離子體可由氧源諸如02、 NO、 N20、或其 組合物產(chǎn)生。可通過施加約25瓦與約1000瓦之間的功率來提供等離子體。 可以使用RF功率、微波功率或其組合產(chǎn)生等離子體。可使用準(zhǔn)遠(yuǎn)程等離子 體源、感應(yīng)等離子體源、徑向線縫隙天線(RLSA)源或其他等離子體源產(chǎn)生 等離子體。等離子體可以是連續(xù)的或者是脈沖的。在將層304暴露到等離子 體期間的02分壓可以是在約lmTorr與約100mTorr之間。氧源可以在約 5mTorr與約3000mTorr之間的室壓下以約lsccm與約1000sccm之間的流速 輸入到室中達(dá)約3秒與約120秒之間的時間，以提供具有約0.2A與約5A之 間厚度的薄的氧化上表面層306。
當(dāng)層304是包括氮的層諸如氮化硅層時，薄的氧化上表面層306特別有 利，因?yàn)楫?dāng)多晶硅層沉積在該氧化上表面層306上作為柵電極時，氧化上表 面層306使氮硅鍵的形成最少。特別是在PMOS器件中，氮硅鍵會引起平帶 電壓偏移。由于對氮化硅層的上表面進(jìn)行氧化可以提高氮化硅層的帶隙且由 此降低橫跨柵極電介質(zhì)的漏電流，因此也需要氧化氮化硅層的上表面。
在層304上形成氧化上表面層306之后，退火其上包括層302、 304和 306的襯底300以穩(wěn)定等離子體處理并改善襯底300和氧化硅層302之間的 界面。在一個實(shí)施例中，對襯底進(jìn)行退火包括將襯底暴露到稀薄的氧化環(huán)境
氣氛諸如低壓氧化環(huán)境中，例如低壓02或者在N2環(huán)境中稀釋的02，其中02分壓是在約lmTorr與約100Torr之間?？稍诩s800。C與約1100。C之間的襯底 溫度下退火襯底達(dá)約5秒與180秒之間的時間。02可以以約2sccm與約 5000sccm之間、諸如約500sccm的流速輸入到退火室中。在一個實(shí)施例中， 02以約500sccm的流速提供同時保持約IOOO'C的溫度和約0.1乇的壓力達(dá)約 15秒。
在另一實(shí)施例中，對襯底進(jìn)行退火包括在約80(TC與約IIO(TC之間的溫 度下將襯底暴露到諸如氮?dú)?、氬氣的惰性氣體或者其組合中。
典型地，對襯底進(jìn)行退火實(shí)現(xiàn)了柵極電介質(zhì)308的形成，該柵極電介質(zhì) 308包括氧化硅層302、層304和氧化上表面層306。接著，諸如多晶硅層的 柵電極材料可沉積在該柵極電介質(zhì)上。多晶硅層可具有在約500A與約5000A 之間的厚度。
集成處理順序
在再一實(shí)施例中，在其中直到形成柵極電介質(zhì)之后才從集成處理系統(tǒng)取 出襯底的方法中，在諸如集成半導(dǎo)體處理系統(tǒng)的集成處理系統(tǒng)中將包括硅和 氧的柵極電介質(zhì)形成在襯底上?？梢允褂玫募商幚硐到y(tǒng)400的一個實(shí)例是 可從Santa Clara， CA的應(yīng)用材料有限公司獲得的Gate Stack (柵極疊層) CENTURA 系統(tǒng)，其于圖4中示意性示出。集成處理系統(tǒng)400可包括中央傳 送室402，傳送機(jī)械手410,加載互鎖真空室(loadlock) 404、 406，冷卻室 408， CVD或ALD室410，等離子體處理室414，快速熱處理(RTP)室416， 和CVD或ALD室418。
用于其中在集成處理系統(tǒng)中形成柵極電介質(zhì)的實(shí)施例的處理?xiàng)l件可以與
以上提供的用于形成柵極電介質(zhì)的處理?xiàng)l件相同。以下將參考圖4概述其中 在集成處理系統(tǒng)中形成柵極電介質(zhì)的實(shí)施例。
包括硅的襯底經(jīng)由加載互鎖真空室404或406被輸入到集成處理系統(tǒng)400
中。加載互鎖真空室404或406可具有真空或者氮凈化環(huán)境。優(yōu)選地，清洗 襯底以在其被輸入到集成處理系統(tǒng)之前去除自然氧化物。襯底可通過傳送機(jī) 械手403通過中央傳送室402從加載互鎖真空室404或406轉(zhuǎn)移到快速熱處 理室416，該中央傳送室402也可具有真空或者氮凈化環(huán)境。可以使用的快 速熱處理室的實(shí)例包括1^1^^^@室或RadiancePlus RTP室，兩者都可從Santa Clara, CA的應(yīng)用材料有限公司獲得。在快速熱處理室416中的氧化 氣氛下退火襯底以在襯底上形成氧化硅層。之后將襯底轉(zhuǎn)移到CVD或者ALD 室410或者CVD或ALD室418中，并通過CVD或ALD在氧化硅層上沉積 如上所述的氮化硅層或高k層?？捎糜诔练e氮化硅層的CVD室的實(shí)例是 SiNgen氣PCVD室。之后將襯底轉(zhuǎn)移到等離子體處理室414并將其暴露到包 括氧的等離子體中以氧化氮化硅層或者高k層的上表面?？墒褂玫牡入x子體 處理室414的實(shí)例是去耦合等離子體氮化室(DPN)諸如DPN CENTURA 室，可從Santa Clara， CA的應(yīng)用材料公司獲得。但是，等離子體處理室414 可以是另一種脈沖式準(zhǔn)遠(yuǎn)程RF DPN室或者包括磁電管或RLSA微波等離 子體源的室。
之后將襯底轉(zhuǎn)移到快速熱處理(RTP)室416中。RTP室可以是 RADIANCE⑧室或RadiancePlus RTP室，兩者都可從Santa Clara， CA的應(yīng) 用材料公司獲得?？蛇x地，室416可以是常規(guī)的爐。在室416中退火襯底以 實(shí)現(xiàn)柵極電介質(zhì)的形成。之后將襯底轉(zhuǎn)移到CVD或ALD室410或者CVD 或ALD室418以在柵極電介質(zhì)上沉積諸如多晶硅層的柵電極材料?？梢杂糜?沉積多晶硅層的CVD室410或418的實(shí)例是POLYgen LPCVD室，其可從 Santa Clara, CA的應(yīng)用材料有限公司獲得。
由于各層的表面都不暴露到可能導(dǎo)致在層上形成自然氧化物或者襯底污 染的外部氣氛中，因此在提供了真空或者氮凈化亞真空環(huán)境的集成處理系統(tǒng) 中形成在此描述的柵極電介質(zhì)導(dǎo)致柵極電介質(zhì)的各層之間的界面、和柵極電 介質(zhì)與上部和下部硅層之間的界面的良好控制。例如，在不是在集成處理系 統(tǒng)中形成的柵極電介質(zhì)的氧化硅層和氮化硅層之間的界面處已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了碳污 染物。 一般認(rèn)為例如在于氧化硅層上沉積氮化硅層之前，通常用于沉積氮化 硅膜的溫度例如300—60(TC不足以從氣氛或者處理設(shè)備中使氧化硅層上的碳 污染物烘焙離去(bake off)。因而，本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種使會使電介 質(zhì)變劣的諸如碳的污染物的存在性降低到最小的形成柵極電介質(zhì)的方法。
雖然前述內(nèi)容涉及到本發(fā)明的實(shí)施例，但是也可在不脫離其基本范圍的 情況下設(shè)計(jì)出本發(fā)明的其他和進(jìn)一步的實(shí)施例，且本發(fā)明的范圍通過以下的 權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種在襯底上形成包括硅和氧的柵極電介質(zhì)的方法，包括在氧化氣氛中實(shí)施首次退火包括硅的襯底以在所述襯底上形成氧化硅層；通過化學(xué)氣相沉積或者原子層沉積在所述氧化硅層上沉積氮化硅層或高k層，該高k層選自由氧化鉿層、硅酸鉿層和硅酸鑭鉿層組成的組；將所述氮化硅層或高k層暴露到包括氧的等離子體中以氧化所述氮化硅層或高k層的上表面；和之后實(shí)施第二次退火所述襯底。
2. 如權(quán)利要求1的方法，其中所述氧化硅層具有約2A與約IOA之間的厚度。
3. 如權(quán)利要求2的方法，其中在所述氧化硅層上將所述氮化硅層沉積成 在約2A與約IOA之間的厚度。
4. 如權(quán)利要求3的方法，還包括在沉積所述氮化硅層之前，將所述氧化 硅層暴露到氮等離子體中，其中通過原子層沉積來沉積所述氮化硅層。
5. 如權(quán)利要求2的方法，其中在所述氧化硅層上將選自由氧化鉿層、硅 酸鉿層和硅酸鑭鉿層組成的組的高k層沉積為在約10A與約60A之間的厚度。
6. 如權(quán)利要求1的方法，還包括在首次退火之前從所述襯底去除自然氧 化物。
7. 如權(quán)利要求1的方法，還包括在所述氮化硅層或高k層的氧化上表面 上沉積多晶硅層。
8. 如權(quán)利要求1的方法，其中所述氮化硅層或高k層的氧化上表面具有 在約0.2A與約5A之間的厚度。
9. 如權(quán)利要求8的方法，其中將所述氮化硅層或高k層暴露到包括氧的 等離子體包括施加在約25瓦特與約IOOO瓦特之間的功率。
10. —種在襯底上形成包括硅和氧的柵極電介質(zhì)的方法，包括 將包括硅的襯底輸入到集成處理系統(tǒng)中；在所述集成處理系統(tǒng)的第一室中的氧化氣氛下實(shí)施首次退火襯底以在所 述襯底上形成氧化硅層；通過化學(xué)氣相沉積或者原子層沉積在所述集成處理系統(tǒng)的第二室中于所 述氧化硅層上沉積氮化硅層或高k層，該高k層選自由氧化鉿層、硅酸鉿層 和硅酸鑭鉿層組成的組；在所述集成處理系統(tǒng)的第三室中將所述氮化硅層或高k層暴露到包括氧 的等離子體以氧化所述氮化硅層或高k層的上表面；和之后在集成處理系統(tǒng)的室中實(shí)施第二次退火所述襯底。
11. 如權(quán)利要求10的方法，其中通過原子層沉積來沉積所述氮化硅層或咼k層。
12. 如權(quán)利要求10的方法，其中通過化學(xué)層沉積來沉積所述氮化硅層或 高k層。
13. 如權(quán)利要求10的方法，其中將所述氮化硅層或高k層暴露到包括氧 的等離子體包括施加在約25瓦特與約1000瓦特之間的功率。
14. 如權(quán)利要求10的方法，其中所述第二次退火完成了所述柵極電介質(zhì) 的形成，并且直到形成所述柵極電介質(zhì)之后才從所述集成處理系統(tǒng)移除襯底。
15. 如權(quán)利要求14的方法，還包括在所述集成處理系統(tǒng)中在所述柵極電 介質(zhì)上沉積多晶硅層。
16. —種在襯底上形成包括硅和氧的柵極電介質(zhì)的方法，包括 將包括硅的襯底輸入到集成處理系統(tǒng)中；在所述集成處理系統(tǒng)的第一室中于氧化氣氛下實(shí)施首次退火所述襯底以 在所述襯底上形成氧化硅層；在所述集成處理系統(tǒng)的第二室中通過原子層沉積在所述氧化硅層上沉積 氮化硅層；在所述集成處理系統(tǒng)的第三室中將所述氮化硅層暴露到包括氧的等離子 體以氧化所述氮化硅層的上表面；和之后在所述集成處理系統(tǒng)的室中實(shí)施第二次退火所述襯底。
17. 如權(quán)利要求16的方法，還包括在沉積所述氮化硅層之前在所述集成 處理系統(tǒng)中將所述氧化硅層暴露到氮等離子體中。
18. 如權(quán)利要求17的方法，其中在約30(TC與約60(TC之間的溫度下沉積所述氮化硅層。
19. 如權(quán)利要求17的方法，還包括在將所述襯底輸入到所述集成處理系統(tǒng)之前從所述襯底去除自然氧化物。
20.如權(quán)利要求19的方法，還包括在所述集成處理系統(tǒng)的第四室中在所 述氮化硅層的氧化上表面上沉積多晶硅層。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種形成包括硅和氧的柵極電介質(zhì)的方法。柵極電介質(zhì)還可包括氮或另一種高k材料。在一個方面，形成柵極電介質(zhì)包括在氧化氣氛中退火襯底以形成氧化硅層，通過氣相沉積在氧化硅層上沉積氮化硅層或高k層，氧化氮化硅層或高k層的上表面，之后退火襯底。可在集成處理系統(tǒng)中形成柵極電介質(zhì)。
文檔編號H01L31/00GK101529599SQ200780040191
公開日2009年9月9日 申請日期2007年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月20日
發(fā)明者克里斯托弗·肖恩·奧爾森, 朱斯皮納·康蒂, 科里·恰尼克, 蔡泰正 申請人:應(yīng)用材料股份有限公司