一種柵介質層的制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及半導體集成電路制造技術領域，尤其涉及一種用于半導體MOS器件的制造工藝；更具體地說，涉及一種用于半導體MOS器件的制造工藝。
【背景技術】
[0002]隨著半導體器件的尺寸持續(xù)縮小，應用于高性能邏輯器件的柵氧化層厚度被要求小于2nm，這導致了諸如界面陷阱電荷、柵介質隧穿漏電流以及可靠性等一系列的問題。這些問題在某種程度上被認為與薄膜中存在的未完全氧化的Si原子或與S1-S12界面處存在的界面態(tài)陷阱有關。
[0003]關于界面態(tài)的產(chǎn)生目前主要有兩種合理的機制來解釋:
[0004]①、基于氫鍵模型的機制:這種機制認為S1-S12界面附近的含氫鍵結構體由于捕獲入射載流子的動能而發(fā)生氫原子的脫離，使原有的S1-H和S1-O-H鍵斷裂，造成懸掛鍵的產(chǎn)生，并由此導致了界面態(tài)；
[0005]②、基于斷鍵模型的機制:這種機制認為S1-S12界面附近的S1-Si鍵和由于結構不規(guī)則而存在內(nèi)應力的S1-O鍵受到外來載流子的沖擊而斷裂，從而導致界面態(tài)產(chǎn)生。
[0006]此外，S1^ Si之間有一個S13^過渡層，該過渡層內(nèi)有固定的正電荷，一般認為這里的正電荷與過渡層內(nèi)過剩的硅原子有關。在過渡層內(nèi)硅原子從晶格中脫離出來，但尚未完全與氧反應，通常在氧化出爐前采用高溫氮氣或氬氣退火來降低此固定電荷。
[0007]近年來，一種稱為原位水汽生長(ISSG)的新式氧化工藝逐步發(fā)展并在實際生產(chǎn)中得到了應用。這種工藝的原理是:在放置了硅(Si)片的反應腔體內(nèi)通入初始反應氣體(摻入少量4的O 2)，通過輻射式快速升溫技術使Si片升溫至800°C -1lOO0C。它反應所需的氧化氣體是由HjP O2直接在Si片表面發(fā)生反應而生成的。在高溫氛圍下，Si片表面會發(fā)生類似于爆轟的化學反應，部分主要反應式如下:
[0008]H2+02— 2 OH
[0009]Η2+0Η — Η20+Η
[0010]02+H —OH+O*
[0011]H2+0* — OH+H
[0012]根據(jù)以上反應式，反應中產(chǎn)生大量具有氧化性的氣相活性自由基，這些自由基包括活性氧原子(O*)原子氧、水分子(H20)以及OH基團等；隨后，這些自由基參與了 Si片的氧化過程。由于O*具有極強的氧化作用，使最終得到的氧化薄膜體內(nèi)缺陷減少，S1-Si02界面充分氧化，從而有效提高了薄膜的電學特性。由于ISSG工藝具有以上電學優(yōu)點，目前它已被廣泛應用于先進半導體器件柵介質膜的制作中。
[0013]請參閱圖1，圖1所示為現(xiàn)有技術中被半導體業(yè)界廣泛接受的柵氧化膜(S1N)的制備工藝主要由三步組成:
[0014]步驟SI':采用原位水蒸汽氧化方法(In-Situ Steam Generat1nJI^IlSSG)在完成清洗步驟的晶圓上生長S12介質層；
[0015]步驟S2':米用氮氣等離子體(DecoupledPlasma Nitridat1n，簡稱DPN)向 S12介質中摻雜氮；
[0016]步驟S3':采用高溫退火工藝(Post Nitridat1n Anneal簡稱PNA)穩(wěn)定N摻雜及修復介質中的等離子體損傷，以形成已改善柵氧化膜界面態(tài)的柵氧化膜。
[0017]在上述制備工藝中，主要通過PNA的高溫退火工藝來修復ISSG熱氧化方法生長S12介質層過程中產(chǎn)生的S1-H鍵和S-O-H鍵以及S1-S12界面附近發(fā)生的斷裂鍵。
[0018]然而，當半導體技術進入45納米時代以來，上述傳統(tǒng)的改善柵氧化膜界面態(tài)的方法遇到了前所未有的挑戰(zhàn)，即成膜后的熱氧化處理工藝無法及時有效的改善柵氧化膜的界面態(tài)。因此，在45nm及其以下技術節(jié)點CMOS工藝的柵氧化層的制備過程中，有效的改善柵氧化膜的界面態(tài)是目前業(yè)界急需解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0019]本發(fā)明的目的在于提供一種柵介質層的制備方法，該方法實時改善柵氧化膜界面態(tài)的方法，通過對基底同時執(zhí)行熱氧化操作和實時高溫氮化熱處理操作來及時有效的改善柵氧化膜的界面態(tài)。
[0020]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案如下:一種柵介質層的制備方法，所述方法包含下列步驟；
[0021]步驟S1:對已完成清洗的基底執(zhí)行熱氧化操作和實時高溫氮化熱處理操作，以形成具有穩(wěn)定和均勻目標厚度的S1JI氧化膜；
[0022]步驟S2:通過等離子體氮化工藝對所述S1JI氧化膜進行氮的注入，使S1 2中的部分氧原子由氮原子取代形成S1-N鍵，從而將所述S1JI氧化層調(diào)整為具有一定氮濃度的S1N柵氧化膜；
[0023]步驟S3:采用高溫退火工藝穩(wěn)定N摻雜及修復介質中的等離子體損傷，以形成具有改善后的柵氧化膜界面態(tài)的S1JI氧化膜。
[0024]優(yōu)選地，所述步驟SI中的熱氧化操作和實時高溫氮化熱處理操作在RTP快速熱處理工藝或Furnace垂直爐管工藝中依次進行；或者，所述熱氧化操作在RTP快速熱處理工藝完成，所述實時高溫氮化熱處理操作在Furnace垂直爐管工藝中進行；再或者，所述實時高溫氮化熱處理操作在RTP快速熱處理工藝完成，所述熱氧化操作在Furnace垂直爐管工藝中進行。
[0025]優(yōu)選地，所述快速熱處理工藝包括ISSG原位水蒸汽氧化步驟和/或RTO快速熱氧化步驟。
[0026]優(yōu)選地，所述步驟SI中的實時高溫氮化熱處理操作的溫度范圍為1000C -1lOOcC，反應時間范圍為 5-120sec。
[0027]優(yōu)選地，所述ISSG原位水蒸汽氧化步驟包括N2O ISSG原位水蒸汽氧化步驟，其反應氣體為N2O和H2,和/或O2ISSG原位水蒸汽氧化步驟，其反應氣體為02和H 2。
[0028]優(yōu)選地，所述步驟SI中的高溫氮化處理中的惰性氣體為隊或Ar中的一種，其流量為 5-50slm。
[0029]優(yōu)選地，所述步驟SI中的高溫氮化處理中的氧化性氣體為02或N 20或NO，其流量為 0.l_20slm。
[0030]優(yōu)選地，所述步驟&中S1N柵氧化層的等離子體氮化工藝包括DPN去耦等離子體氮化，RPN遠程等離子體氮化和/或垂直擴散設備的NO、N2O或NH3的氮化處理工藝。
[0031]優(yōu)選地，所述步驟S3中的高溫退火工藝的溫度范圍為1000°C _1100°C，反應時間范圍為5_120sec。
[0032]優(yōu)選地，所述在所述步驟S3中的高溫退火工藝的氣體包含N2或者O 2或者N 2與O 2的混合氣體。
[0033]從上述技術方案可以看出，本發(fā)明提出一種柵介質層的制備方法，其在熱氧化形成S1jf氧化膜后引入實時高溫氮化熱處理工藝，以減少S1-S12W面產(chǎn)生S1-H鍵和S-O-H鍵的數(shù)量，促進氧化膜內(nèi)部結構的應力釋放以減少界面附近發(fā)生斷裂鍵的可能，同時，引入適量的氧化性氣體以消除純氮化處理對柵介質層造成的損傷缺陷。實驗結果表明，采用本發(fā)明所提供的方法能有效地減少柵氧化膜的界面態(tài)總電荷一個數(shù)量級或以上，并能有效地消除柵氧損傷缺陷。
【附圖說明】
[0034]圖1所示為現(xiàn)有技術中半導體業(yè)界廣泛接受的S1N柵氧化膜的制備工藝流程示意圖
[0035]圖2為本發(fā)明柵介質層的制備方法的流程示意圖
[0036]圖3為本發(fā)明一種柵介質層的制備方法的對應過程示意圖
【具體實施方式】
[0037]下面結合附圖，對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步的詳細說明。
[0038]需要說明的是，本發(fā)明提出的技術方案關鍵點在于提供一種新的柵介質層的制備方法，該方法在45nm及其以下技術節(jié)點CMOS工藝的柵氧化層的制備過程中，實時有效的改善柵氧化膜的界面態(tài)，即通過對基底同時執(zhí)行熱氧化操作和實時高溫氮化熱處理操作來及時有效的改善柵氧化膜的界面態(tài)。為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。
[0039]請參閱圖2和圖3，圖2為本發(fā)明柵介質層的制備方法的流程示意圖；圖3為本發(fā)明一種柵介質層的制備方法的對應過程示意圖。
[0040]如圖3所示，本實施例中的柵介質層的制備方法，具體可以包括如下步驟:
[0041]步驟S1:對已完成清洗的基底執(zhí)行熱氧化操作和實時高溫氮化熱處理操作，以形成具有穩(wěn)定和均勻目標厚度的S1JI氧化膜。
[0042]具體地，在本發(fā)明的實施例中，在基底執(zhí)行熱氧化操作(即熱氧化)形成Si0