柵氧化層的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種柵氧化層的制造方法，包括：提供一硅襯底；對所述硅襯底進行熱氧化工藝，以在所述硅襯底的表面上形成二氧化硅柵氧化層；對所述二氧化硅柵氧化層采用等離子體氮化工藝進行氮注入，以形成氮氧化硅柵氧化層；對所述氮氧化硅柵氧化層采用高溫氮化工藝以修復晶格損傷并形成穩(wěn)定的Si-N鍵；對高溫氮化處理后的氮氧化硅柵氧化層采用低溫氧化工藝以修復SiO2/Si之間的界面。在本發(fā)明提供的柵氧化層的制造方法中，通過高溫氮化工藝處理氮注入之后的柵氧化層，使得所述氮氧化硅柵氧化層的Si-N鍵更加穩(wěn)定，避免所述氮氧化硅柵氧化層表面的氮原子繼續(xù)揮發(fā)或擴散，從而有效地提高柵氧化層中的氮含量并使其保持穩(wěn)定。
【專利說明】柵氧化層的制造方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及半導體制造【技術領域】，特別涉及一種柵氧化層的制造方法。
【背景技術】
[0002]在半導體制造技術中，柵氧化層通常作為介質層，用于實現(xiàn)柵極與襯底之間的電性隔離，柵氧化層的性能通常會直接影響并決定半導體器件的電學特性和可靠性。因此，柵氧化層的制備工藝是半導體制造過程中的關鍵步驟。
[0003]由于半導體器件的特征尺寸持續(xù)縮小，柵氧化層的厚度也越來越薄。隨著柵氧化層厚度的降低，柵極漏電流會以指數(shù)形式增長。另一方面，柵極、柵氧化層和硅襯底之間存在雜質的濃度梯度，隨著柵氧化層厚度的不斷降低，柵極中摻入的硼等雜質會從柵極擴散到柵氧化層和硅襯底中，這會影響器件的閾值電壓，從而影響器件的性能。因此，對于薄型柵氧化層而言，如何保持低的漏電流和高的可靠性是非常重要的技術問題。
[0004]為此，通常在制備柵氧化層的過程進行氮摻雜使氮元素擴散進入SiO2柵氧化層中使之成為致密的SiON柵氧化層。摻入氮元素的柵氧化層具有相對較高的介電常數(shù)，能有效阻擋來自P+多晶的硼擴散，解決硼穿透問題，同時分布于柵氧化層與硅襯底界面的少量氮原子還可改善此界面的特性，增強柵氧化層的可靠性，降低漏電流。
[0005]目前，業(yè)界有三種工藝方法實現(xiàn)柵氧化層的氮摻雜，以形成SiON柵氧化層。第一種工藝方法是在柵氧化層的生長過程中通入NO等含氮氣體，在柵氧化層的生長過程中直接摻入氮。第二種工藝方法是讓生長完成后的SiO2柵氧化層在含有N2O的氣氛中進一步退火而摻入氮。第三種工藝方法是通過等離子體實現(xiàn)氮摻雜，即在SiO2柵氧化層生長結束之后通過等離子體氮化技術讓生長完成后的SiO2柵氧化層摻入氮。其中，第一種工藝方法和第二種工藝方法均屬于高溫氮摻雜，摻入的氮元素濃度比較低且均勻性不易控制。第三種工藝方法的溫度比較低，摻入的氮元素濃度比較高，而且氮元素主要分布于柵氧化層的上表面，遠離柵氧化層與硅襯底的界面，是目前業(yè)界廣泛采用的柵氧化層的制造方法。
[0006]通過等離子體實現(xiàn)氮摻雜的具體工藝過程如下:首先，通過原位水蒸氣氧化方法(In-suit SteamGeneration,簡稱ISSG)在娃襯底上生長SiO2柵氧化層；接著,通過去I禹等離子體氮化(Decoupled Plasma Nitridation,簡稱DPN)向SiO2柵氧化層中摻雜氮；最后，采用高溫退火工藝(Post Nitridation Anneal,簡稱PNA)穩(wěn)定注入SiO2柵氧化層中的氮原子，并修復晶格損傷。
[0007]然而，在通過等離子體實現(xiàn)氮摻雜的工藝過程中，由于注入的氮原子主要分布在柵氧化層的上表面，因此后續(xù)的高溫退火工藝既容易造成柵氧化層表面的氮原子的揮發(fā)，又使得柵氧化層中的氮原子獲得能量而繼續(xù)擴散。可見，采用等離子體氮化技術形成的SiON柵氧化層并不穩(wěn)定，后續(xù)的高溫退火工藝會改變SiON柵氧化層中的氮含量。
[0008]因此，如何解決現(xiàn)有的柵氧化層的氮含量低或氮含量不穩(wěn)定的問題成為當前亟需解決的技術問題。
【發(fā)明內容】

[0009]本發(fā)明的目的在于提供一種柵氧化層的制造方法，以解決現(xiàn)有技術中柵氧化層摻入的氮含量低或氮含量不穩(wěn)定的問題。
[0010]為解決上述技術問題，本發(fā)明提供一種柵氧化層的制造方法，所述柵氧化層的制造方法包括:
[0011]提供一硅襯底；
[0012]對所述硅襯底進行熱氧化工藝，以在所述硅襯底的表面上形成二氧化硅柵氧化層；
[0013]對所述二氧化硅柵氧化層采用等離子體氮化工藝進行氮注入，以形成氮氧化硅柵氧化層；
[0014]對所述氮氧化硅柵氧化層采用高溫氮化工藝以修復晶格損傷并形成穩(wěn)定的S1-N鍵；
[0015]對高溫氮化處理后的氮氧化硅柵氧化層采用低溫氧化工藝以修復Si02/Si之間的界面。
[0016]優(yōu)選的，在所述的柵氧化層的制造方法中，所述熱氧化工藝包括快速熱處理工藝
和/或垂直爐管工藝。
[0017]優(yōu)選的，在所述的柵氧化層的制造方法中，所述快速熱處理工藝包括原位水蒸氣氧化工藝和/或快速熱氧化工藝。
[0018]優(yōu)選的，在所述的柵氧化層的制造方法中，所述原位水蒸氣氧化工藝包括以N2O和H2為反應氣體的一氧化二氮原位水蒸氣氧化工藝和/或以O2和H2為反應氣體的氫氣原位水蒸氣氧化工藝。
[0019]優(yōu)選的，在所述的柵氧化層的制造方法中，所述等離子體氮化工藝包括去耦等離子體氮化工藝、遠程等離子體氮化工藝和/或垂直擴散設備的氮化處理工藝。
[0020]優(yōu)選的，在所述的柵氧化層的制造方法中，所述垂直擴散設備采用的氮源為NO、N2O或NH3中的任意一種。
[0021]優(yōu)選的，在所述的柵氧化層的制造方法中，所述高溫氮化工藝采用的工藝氣體包括氮氣和氬氣，所述高溫氮化工藝的溫度在1000°c以上。
[0022]優(yōu)選的，在所述的柵氧化層的制造方法中，所述高溫氮化工藝的溫度范圍在1000。。到 1100°C之間。
[0023]優(yōu)選的，在所述的柵氧化層的制造方法中，所述低溫氧化工藝采用的工藝氣體為純氧或氫氣與氧氣的混合氣體，所述低溫氧化工藝的溫度范圍在800°C以下。
[0024]優(yōu)選的，在所述的柵氧化層的制造方法中，所述低溫氧化工藝的溫度范圍在500°C到800°C之間。
[0025]在本發(fā)明提供的柵氧化層的制造方法中，通過高溫氮化工藝處理氮注入之后的柵氧化層，使得所述氮氧化硅柵氧化層的S1-N鍵更加穩(wěn)定，避免所述氮氧化硅柵氧化層表面的氮原子繼續(xù)揮發(fā)或擴散，從而有效地提高柵氧化層中的氮含量并使其保持穩(wěn)定。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1是本發(fā)明實施例的柵氧化層的制造方法的工藝流程圖?！揪唧w實施方式】
[0027]以下結合附圖和具體實施例對本發(fā)明提出的柵氧化層的制造方法作進一步詳細說明。根據(jù)下面說明和權利要求書，本發(fā)明的優(yōu)點和特征將更清楚。需說明的是，附圖均采用非常簡化的形式且均使用非精準的比例，僅用以方便、明晰地輔助說明本發(fā)明實施例的目的。
[0028]請參考圖1，其為本發(fā)明實施例的柵氧化層的制造方法的工藝流程圖。如圖1所示，所述柵氧化層的制造方法包括:
[0029]步驟SlO:提供一硅襯底；
[0030]步驟Sll:對所述硅襯底進行熱氧化工藝，以在所述硅襯底的表面上形成二氧化硅柵氧化層；
[0031]步驟S12:對所述二氧化硅柵氧化層采用等離子體氮化工藝進行氮注入，以形成
氮氧化硅柵氧化層；
[0032]步驟S13:對所述氮氧化硅柵氧化層采用高溫氮化工藝以修復晶格損傷并形成穩(wěn)定的S1-N鍵；
[0033]步驟S14:對經(jīng)高溫氮化處理后的氮氧化硅柵氧化層采用低溫氧化工藝以修復Si02/Si之間的界面。
[0034]具體的，首先，提供一硅襯底，并對所述硅襯底進行熱氧化工藝，以在所述硅襯底的表面上形成二氧化硅柵氧化層。
[0035]在所述步驟Sll中，對所述硅襯底所進行的熱氧化工藝通常包括快速熱處理(Rapid Thermal Process,簡稱RTP)工藝和/或垂直爐管(Furnace)工藝。進一步地,所述快速熱處理工藝包括原位水蒸氣氧化(In-suit SteamGeneration,簡稱ISSG)工藝和/或快速熱氧化(Rapid Thermal Oxidation,簡稱RT0)工藝。其中，所述原位水蒸氣氧化工藝包括以N2O和H2為反應氣體的一氧化二氮原位水蒸氣氧化工藝和/或以O2和H2為反應氣體的氫氣原位水蒸氣氧化工藝。
[0036]提供硅襯底之后，通過上述的熱氧化工藝在所述硅襯底的表面上形成二氧化硅柵氧化層(SiO2)。之后，通過等離子體氮化工藝將氮元素注入二氧化硅柵氧化層的表面，使得二氧化硅柵氧化層(SiO2)中的部分氧原子(O)被氮原子(N)所取代，氮原子(N)與硅原子
(Si)結合形成S1-N鍵，從而在所述硅襯底的表面上形成氮氧化硅柵氧化層(SiON)。
[0037]在所述步驟S12中，對所述二氧化硅柵氧化層所進行的等離子體氮化工藝包括去率禹等離子體氮化(Decoupled Plasma Nitridation,簡稱DPN)工藝、遠程等離子體氮化(RemotePlasma Nitridation,簡稱RPN)工藝和/或垂直擴散設備的氮化處理工藝。其中，所述垂直擴散設備所采用的氮源通常為NO、N2O或NH3中的任意一種。
[0038]等離子體氮化工藝完成之后，對所述氮氧化硅柵氧化層采用高溫氮化工藝以修復晶格損傷并形成穩(wěn)定的S1-N鍵。氮注入之后，摻入柵氧化層中的氮原子(N)并不穩(wěn)定。為了防止氮原子(N)在后續(xù)的高溫退火工藝中揮發(fā)或繼續(xù)擴散，對所述氮氧化硅柵氧化層進行高溫氮化工藝，所述高溫氮化工藝不但能修復晶格，而且，能夠形成更加穩(wěn)定的S1-N鍵，避免氮氧化硅柵氧化層表面的氮原子揮發(fā)或氮氧化硅柵氧化層中的氮原子向Si02/Si界面擴散。由此，提高了柵氧化層的氮含量，同時氮含量能夠保持穩(wěn)定。[0039]在所述步驟S13中，所述高溫氮化工藝中采用的工藝氣體包括氮氣(N2)和氬氣(Ar)，所述高溫氮化工藝的溫度在1000°C以上。優(yōu)選的，所述高溫氮化工藝的溫度范圍在1000°C到1100°C之間，例如所述高溫氮化工藝的溫度為1020°C、1050°C或1080°C。
[0040]最后，對經(jīng)高溫氮化處理后的氮氧化硅柵氧化層進行低溫氧化工藝。即在一定溫度條件下，對氮氧化硅柵氧化層進行氧化處理，以修復Si02/Si之間的界面。其中，低溫氧化工藝的溫度要比所述高溫氮化工藝的溫度低。
[0041]在所述步驟S14中，所述低溫氧化工藝采用的工藝氣體為純氧(O2)或氫氣(H2)與氧氣(O2)的混合氣體，所述低溫氧化工藝的溫度在800°C以下。優(yōu)選的，所述低溫氧化工藝的溫度范圍在500°C到800°C之間，例如所述低溫氧化工藝的溫度為550°C、60(TC、65(rC、700 °C 或 750 °C。
[0042]在本發(fā)明實施例提供的柵氧化層的制造方法中，氮氧化硅柵氧化層生長完成之后，并沒有采用單一的高溫退火工藝，而是依次采用高溫氮化工藝和低溫氧化工藝處理氮氧化硅柵氧化層，使其具有較高和穩(wěn)定的氮含量。實驗證明，采用本發(fā)明實施例提供的柵氧化層的制造方法所形成的氮氧化硅柵氧化層不但具有穩(wěn)定的氮含量，而且氮含量要比傳統(tǒng)的氮摻雜工藝高30%左右。
[0043]綜上，在本發(fā)明實施例提供的柵氧化層的制造方法中，通過等離子體氮化工藝對柵氧化層進行氮注入，氮注入之后先對其進行高溫氮化工藝處理以修復晶格并成更加穩(wěn)定的S1-N鍵，再進行低溫氧化工藝處理以修復Si02/Si界面，由此提高了柵氧化層中的氮含量并使得氮含量保持穩(wěn)定，進而提高半導體器件的電學性能。
[0044]上述描述僅是對本發(fā)明較佳實施例的描述，并非對本發(fā)明范圍的任何限定，本發(fā)明領域的普通技術人員根據(jù)上述揭示內容做的任何變更、修飾，均屬于權利要求書的保護范圍。
【權利要求】
1.一種柵氧化層的制造方法，其特征在于，包括: 提供一娃襯底； 對所述硅襯底進行熱氧化工藝，以在所述硅襯底的表面上形成二氧化硅柵氧化層； 對所述二氧化硅柵氧化層采用等離子體氮化工藝進行氮注入，以形成氮氧化硅柵氧化層； 對所述氮氧化硅柵氧化層采用高溫氮化工藝以修復晶格損傷并形成穩(wěn)定的S1-N鍵； 對高溫氮化處理后的氮氧化硅柵氧化層采用低溫氧化工藝以修復SiO2ZSi之間的界面。
2.如權利要求1所述的柵氧化層的制造方法，其特征在于，所述熱氧化工藝包括快速熱處理工藝和/或垂直爐管工藝。
3.如權利要求2所述的柵氧化層的制造方法，其特征在于，所述快速熱處理工藝包括原位水蒸氣氧化工藝和/或快速熱氧化工藝。
4.如權利要求3所述的柵氧化層的制造方法，其特征在于，所述原位水蒸氣氧化工藝包括以N2O和H2為反應氣體的一氧化二氮原位水蒸氣氧化工藝和/或以O2和H2為反應氣體的氫氣原位水蒸氣氧化工藝。
5.如權利要求1所述的柵氧化層的制造方法，其特征在于，所述等離子體氮化工藝包括去耦等離子體氮化工藝、遠程等離子體氮化工藝和/或垂直擴散設備的氮化處理工藝。
6.如權利要求5所述的柵氧化層的制造方法，其特征在于，所述垂直擴散設備采用的氮源為NO、N2O或NH3中的任意一種。
7.如權利要求1所述的柵氧化層的制造方法，其特征在于，所述高溫氮化工藝采用的工藝氣體包括氮氣和氬氣，所述高溫氮化工藝的溫度在1000°c以上。
8.如權利要求1所述的柵氧化層的制造方法，其特征在于，所述高溫氮化工藝的溫度范圍在1000。。到1100°C之間。
9.如權利要求1所述的柵氧化層的制造方法，其特征在于，所述低溫氧化工藝采用的工藝氣體為純氧或氫氣與氧氣的混合氣體，所述低溫氧化工藝的溫度范圍在800°C以下。
10.如權利要求1所述的柵氧化層的制造方法，其特征在于，所述低溫氧化工藝的溫度范圍在500°C到800°C之間。
【文檔編號】H01L21/283GK103972070SQ201410163438
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年4月22日 優(yōu)先權日:2014年4月22日
【發(fā)明者】張紅偉 申請人:上海華力微電子有限公司