可集成高密度氮氧化硅材料的制备方法及其产品和应用技术

本发明专利技术涉及一种可集成高密度氮氧化硅材料的制备方法及其产品和应用，该方法通过先在有源区硅衬底上注入氮离子，然后进行高温氧化制备氮氧化硅，制得的氮氧化硅介质所形成的MOS电容，击穿电压大于80V、电容密度大于0.39fF/μm

【技术实现步骤摘要】
可集成高密度氮氧化硅材料的制备方法及其产品和应用
本专利技术属于半导体
，涉及可集成高密度氮氧化硅材料的制备方法，还涉及由该方法制得的产品和应用。
技术介绍
二氧化硅和氮化硅是集成电路制造工艺中极其重要的介质，它们是用于制作MOS电容介质、MOS晶体管栅介质最常见的介质材料。由于二氧化硅可以采用热氧工艺生长，通过调整工艺条件可以获得较低的界面态密度和薄膜应力，因此在微米及亚微米半导体工艺中被大量使用；氮化硅的相对介电常数为7.8，是二氧化硅介质相对介电常数的2倍，可用于制作高密度电容，然而氮化硅中硅悬挂键会随着氮含量的增加而增加，会导致氮化硅薄膜产生很高的拉应力，在氮化硅/硅界面形成高密度的悬挂键和界面态。在高压双极工艺中，为了结合两者的优点，实现低的界面态密度和高的电容密度，通常采用二氧化硅与氮化硅的复合介质材料来制作MOS电容的介质。尽管如此，仍然存在二氧化硅与氮化硅应力不匹配而引起的复合介质应力大的问题，从而在二氧化硅/硅界面产生悬挂键，成为电荷俘获中心。氮氧化硅(SiON)兼具二氧化硅和氮化硅的双重优点，是两者的中间相，因而其电学及光学性能介于两者之间，可以通过改变氮、氧含量调整其折射率、介电常数和界面态密度。氮氧化硅薄膜是一种良好的介质材料，具有优异的力学性能、热力学性能、化学稳定性及耐原子氧特性；氮氧化硅电学及光学性能介于二氧化硅和氮化硅之间，可通过改变化学组成，调整其折光指数(1.46(SiO2)～2.3(SiN1.3))及介电常数(3.9(SiO2)～7.8(SiN1.3))；另外氮氧化硅还可以有效地抑制硼、氧、钠等杂质元素的扩散。这一系列优良特性吸引研究者们围绕氮氧化硅薄膜的制备及应用进行大量研究。制备氮氧化硅薄膜的核心是其应用的领域，不同的应用领域其制备方法的各有不同。例如专利号“200310108409.7”中国专利提出了一种制备氮氧化硅薄膜的方法，但是其应用主要是考虑形成一种稳定的氮氧化硅薄膜作为光刻时的抗反射层，未考虑应用于高密度MOS电容的应用需求。例如像《半导体学报》中赵永军等人《PECVDSiNx薄膜应力的研究》一文所描述的情况一样：在通常情况下降低薄膜的应力，还可以采取低频和高频的射频功率源交替使用的方法，低频功率源一般生成压应力结构的薄膜，高频功率源一般生产张应力结构的薄膜，两种应力结构所带来的应力相互抵消，形成低但是这种方法由于受限于设备功率源的耦合和匹配装置，重复性很难实现。因此在本领域探究一种可集成高密度氮氧化硅材料制备方法是非常重要的。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的之一在于提供一种可集成高密度氮氧化硅的制备方法，通过采用氮离子注入、氮硅氧化的方式制作氮氧化硅介质；本专利技术的目的之二在于提供由上述方法得到一种可集成于双极工艺的高密度氮氧化硅介质；本专利技术的目的之三在于提供氮氧化硅材料在制备MOS电容中的应用，制得的电容，击穿电压大于80V、电容密度大于0.39fF/μm2；该介质工艺还可用于高可靠抗辐照MOS晶体管栅介质。为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：1、一种可集成高密度氮氧化硅材料的制备方法，包括如下步骤：a.MOS电容有源区制备；b.对有源区硅衬底进行氮离子注入；c.对硅衬底进行清洗；d.对所述硅衬底进行氮硅高温氧化。本专利技术中，所述MOS电容有源区制备方法如下：将已完成MOS电容下极板制备的硅片采用光刻出MOS电容上极板窗口区域，再用二氧化硅腐蚀液腐蚀SiO2至SiO2层腐蚀干净为止，然后用硫酸与双氧水的混合液，在100-140℃温度下清洗去除光刻胶，最后采用厚氧化层屏蔽。优选的，所述二氧化硅腐蚀液为双氧水与氢氟酸的混合物液，双氧水：氢氟酸＝2:1(v/v)。本专利技术步骤b为：在氮氧化硅介质区域注入氮离子，注入能量为5～25KeV，注入剂量为1.0×1013～1.0×1014/cm2。本专利技术步骤c中，所述清洗包括除光刻胶清洗和入炉前清洗，所述清洗条件为采用硫酸与双氧水的混合液，在100-140℃高温下清洗。优选的，所述混合液中硫酸与双氧水＝4:1(v/v)。本专利技术，步骤d中，所述氮硅高温氧化是在温度为850℃～1000℃条件下处理12～52min。优选的，步骤a之后还包括坚膜工艺，具体是在温度为120℃条件下坚膜30分钟。2、由所述制备方法制得的氮氧化硅材料。3、所述氮氧化硅材料在制备MOS电容或MOS晶体管栅介质中的应用。本专利技术中，氢氟酸是指质量分数为40％的氢氟酸，硫酸为质量分数为98％的浓硫酸。本专利技术针对高压双极工艺兼容的高密度MOS电容应用需求，在高掺杂的电容下极板区域采用氮离子注入，并采用高温氮硅氧化，成功开发了一种使用氮离子注入并氧化生长SiON介质的工艺。与其他氮氧化硅制备方法相比，本专利技术的优点在于：1)本专利技术方法能够实现与双极工艺的完全兼容，且操作简单，无需额外增加设备；在离子注入后，通过普通的高温炉管就能实现氮氧化硅介质的制备。2)本专利技术方法所制备的氮氧化硅薄膜可通过氮离子注入剂量和氮硅氧化条件的调整，实现对薄膜介电常数等参数的精确控制，可以满足各种不同产品的差异化需求。3)本专利技术方法所制备的氮氧化硅介质可用于高可靠抗辐照MOS晶体管栅介质的制作。附图说明为了使本专利技术的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本专利技术提供如下附图进行说明：图1为本专利技术MOS电容有源区制备示意图；图2为本专利技术图1的片子进行有源区氮离子注入后的剖面示意图；图3为本专利技术图2的片子进行氮硅高温氧化后的剖面示意图。图1-3中，1为硅衬底，2为注入时的掩蔽SiO2层，3为MOS电容下极板，4为氮注入后形成的氮元素层，5为注入的氮离子束，6为最终形成的氮氧化硅介质，7为光刻胶。具体实施方式下面将结合附图，对本专利技术的优选实施例进行详细的描述。本专利技术的具体实施方式不仅限于以下描述，可根据本专利技术技术构思的原则，获得其它类似的技术解决方案。下面结合附图对本专利技术方法加以进一步说明。实施例1可集成高密度氮氧化硅材料的制备方法，包括如下步骤：a.MOS电容有源区制备；包括准备已完成MOS电容下极板制备的硅片，在硅片上光刻出MOS电容上极板窗口区域；用二氧化硅腐蚀液(双氧水：氢氟酸＝2:1，v/v)，在常温下腐蚀SiO2层，腐蚀时间为3分30秒，腐蚀干净SiO2层为止，腐蚀后采用硫酸与双氧水的混合液，在100-140℃高温下清洗去除光刻胶，最后采用厚氧化层屏蔽(图1)；b.在温度为120℃条件下坚膜30分钟；c.对有源区硅衬底进行氮离子注入，具体为注入能量为5～25KeV，注入剂量为1.0×1013～1.0×1014/cm2(图2)；d.对硅衬底进行清洗；先采用硫酸与双氧水的混合液(硫酸：双氧水＝4：1，v/v)，在130℃下清洗硅片，去除光刻胶；再采用硫酸与双氧水的混合液(硫酸：双氧水＝4：1，v/v)，在130℃下进行入炉前清洗；e.对所述硅衬底进行氮硅高温氧化，具体是在高温氧化炉管中进行高温湿氧氧化工艺，氧化温度是850℃～1000℃，氧化气氛是湿氧，氧化时间是12分钟～52分钟；最终，形成氮氧化硅介质薄膜，如图3所示。本专利技术步骤(b)中坚膜工艺，如果采用厚氧化层屏蔽没有光刻胶也可不进行该步骤；本专利技术方法中本专利技术方法中的氧化、注入、光刻、SiO2的腐蚀、去胶、清洗本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可集成高密度氮氧化硅材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：a.MOS电容有源区制备；b.对有源区硅衬底进行氮离子注入；c.对硅衬底进行清洗；d.对所述硅衬底进行氮硅高温氧化。

【技术特征摘要】
1.一种可集成高密度氮氧化硅材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：a.MOS电容有源区制备；b.对有源区硅衬底进行氮离子注入；c.对硅衬底进行清洗；d.对所述硅衬底进行氮硅高温氧化。2.根据权利要求1所述可集成高密度氮氧化硅材料的制备方法，其特征在于：所述MOS电容有源区制备方法如下：将已完成MOS电容下极板制备的硅片采用光刻出MOS电容上极板窗口区域，再用二氧化硅腐蚀液腐蚀SiO2至SiO2层腐蚀干净为止，然后用硫酸与双氧水的混合液，在100-140℃温度下清洗去除光刻胶，最后采用厚氧化层屏蔽。3.根据权利要求2所述可集成高密度氮氧化硅材料的制备方法，其特征在于：所述二氧化硅腐蚀液为双氧水与氢氟酸的混合物液，双氧水：氢氟酸＝2:1(v/v)。4.根据权利要求1所述可集成高密度氮氧化硅材料的制备方法，其特征在于，步骤b为：在氮氧化硅介质区域注入氮离子，注入能量为5～25Ke...

【专利技术属性】
技术研发人员：张杨波，王志宽，黄磊，
申请(专利权)人：中电科技集团重庆声光电有限公司，
类型：发明
国别省市：重庆,50