用于生成四氮化三硅薄膜的超薄氧氮化物的UV预处理方法技术

用ＵＶ－激发气体（如氯或氮）预处理于半导体底物上形成的氧氮化物或氧化物层，以改善层表面的状况和增加用于继后的四氮化三硅沉积的核化点的密度。这种预处理显示减少了较薄的四氮化三硅膜（物理厚度低于３６，或甚至低于２０）的均方根表面糙度，该四氮化三硅薄膜是用化学气相沉积法（ＣＶＤ）沉积在氧氮化物层上的。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术一般地涉及用于ULSI应用的超薄介电薄膜表面糙度减至最小的方法。这些方法在用于通过化学气相沉积(CVD)技术于硅半导体底物上形成四氮化三硅薄膜时具有特殊的优点。
技术介绍
当金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的沟道长度减小时，栅介电厚度必须减小，以保持可接受的短沟道效应并使漏极电流最大限度地增加。由于直接隧道效应，对于薄二氧化硅(SiO2)定标的根本限制是大漏电流。栅氧化物层一般由硅半导体底物在基本纯净的氧气氛中热氧化形成。然而在超大规模集成(ULSI)电路中，这种在MOSFET中的栅氧化物层可表现出不能令人满意的特点，如较高的缺陷密度和电荷捕集，以及较低的可靠性和对于热载体效应的低耐受力。各种就地多层栅叠层方法已用于改进栅介电特性。一个实例是就地干洗硅半导体底物，继之以迅速热加工(RTP)工序。这种就地干洗一般包含三个步骤(1)利用UV-臭氧(100托压力)；(2)利用HF-甲醇蒸气(100托压力)；和(3)利用UV-氯(10托压力)。UV-臭氧和UV-Cl2干洗从底物表面分别除去有机残渣和金属污染物，以制备随后所需栅介电层沉积的表面。HF-甲醇蒸气除去在UV-臭氧处理期间形成的任何表面氧化物。底物表面清洗后，要经受一系列RTP过程，这些过程包括(1)用一氧化氮(NO)产生氧氮化物层；(2)用快速热化学气相沉积(RTCVD)法沉积氮化硅(SiNx)层；(3)在氨(NH3)环境中使底物与SiN层迅速热退火；和(4)在N2O环境中使底物迅速热退火。已经发现当氮化物层的物理厚度约25和以下时，沉积在二氧化硅层上的CVD四氮化三硅的表面糙度不合需要地高(即均方根(RMS)糙度约10和甚至直到20)。已出版的一些研究论文指出，在四氮化三硅薄膜的物理厚度超过约20之前，氮化物核化岛的聚结不发生。参见H.Resinger和Spitzer，“Electrical Breakdown Inducedby Silicon Nitride Roughness in Thin Oxide-Nitride-OxideFilms(因薄氧化物-氮化物-氧化物膜中四氮化三硅糙度引起的电击穿)”，J.Appl.Phys.，V.79，p.3028(1996)；M.Copel等，“Nucleationof Chemical Vapor Deposited Silicon Nitride on Silicon Dioxide(在二氧化硅上化学气相沉积的四氮化三硅的核化)”，Appl.Phys.Lett.，V.74，p.1830(1999)；和Y.Hu等，“An In-Situ Real TimeMeasurement of the Incubation Time for SiNucleation on SiO2in a Rapid Thermal Process(对于在快速热加工过程中于SiO2上Si核化的就地实时测量)”，Appl.Phys.Lett.，V.66，p.700(1995)。因此，由于氧化物层上的四氮化三硅薄膜的生长看来取决于有足够的核化点，所以较薄的氮化物膜已有导致不能接受的栅介电特性的不能接受的表面糙度。有人提出解决这一问题的方法是利用低能离子束(N+，H+或He+)预处理氧氮化物表面和增加核化点。Y.Hu等，“In-situ SurfacePretreatment Effect on Nucleat ion and Film Structure ofPolysilicon in a RTCVD System(用RTCVD体系对多硅(Polysilicon)的核化和表面结构的就地表面预处理的效果)”，4thInt’1 Conf.Advanc ed Thermal Processing of Semiconductors，RTP’96，p.128(1996)，近来，某些研究表明，遥控等离子氧化可改善超薄氧化物界面，参见Lucovsky等，Appl.Phys.Lett.，V.74，p.2005(1999)。遗憾的是，遥控等离子氧化需要特殊的加工设备而且用起来很复杂。其他产生更多核化点和减少薄的四氮化三硅膜表面糙度的方法正在探索中。专利技术概述在本专利技术中我们用UV-激发气体(优选氯(Cl2)，氮(N2)和Cl2与N2的混合物)预处理在半导体底物表面上形成的氧化物或氧氮化物膜，以产生用于CVD氮化物沉积的更多的核化点。在我们的方法中，在氧氮化物层于半导体底物(优选硅半导体底物)上形成后，用UV-激发气体处理氧氮化物层。然后，在这一预处理后，四氮化三硅薄膜沉积在处理过的氧氮化物层上，优选，用快速热加工法于温度至少约800℃形成氧氮化物层。优选，用化学气相沉积(CVD)法于温度范围约700℃至约850℃，最优选700℃至800℃，和在压力范围约1.5托至约3托，并用气流比1∶40∶50的SiH4∶NH3∶Ar将四氮化三硅薄膜沉积在氧氮化物层上。我们发现，由于这种预处理四氮化三硅的表面糙度大大减小。在一个实例中，当22.6厚的四氮化三硅层(物理厚度)沉积于未处理的氧化物上时，表面糙度RMS为9.2。相比之下，当22.5厚的四氮化三硅层(物理厚度)沉积于已经用UV-激发的氯气预处理过的氧化物层上时，表面糙度减少至RMS 2.1。因此这一方法改进了被沉积层的质量。UV-激发气体预步骤可用于制备接受一氧化氮处理的半导体表面，产生氧氮化物层。本专利技术的预处理步骤是在四氮化三硅沉积步骤之前进行，以增加核化点密度和制备用于四氮化三硅工艺的氧氮化物表面层。附图的简要说明附图说明图1是现有技术方法的图解表示，其中四氮化三硅薄膜直接施加于未经预处理步骤的氮氧化物层上；图2是本专利技术方法的图解表示，其中用UV-激发气体处理氮氧化物层是在施加四氮化三硅薄膜之前，以便产生更多的核化点和减少表面糙度；图3A和3B是表明CVD沉积的四氮化三硅薄膜的表面结构图3B是用而图3A是未用UV-激发的氯气预处理氧氮化物层的；和图4是用和未用UV预处理方法的薄膜糙度对比图解。优选具体实施方案的详细说明图1以图解形式描述了在半导体底物上的氧化物或氧氮化物层上形成四氮化三硅层的已知现有技术方法。硅半导体底物12上沉积一个氧氮化物层14，一般是通过把半导体底物12暴露于一氧化氮(NO)气氛以氧化硅表面。氧氮化物的厚度按最终栅叠层的椭圆偏光法和电的数据一般估算为约6。此后，利用快速热化学气相沉积(CVD)法将四氮化三硅薄膜16沉积在氧氮化物层上。将带有氧氮化物层14的半导体底物12暴露于硅烷(SiH4)，氨(NH3)和氩的混合物，是在密闭的室中，在压力约1.5托下。在保持该压力和在气态环境条件下，将物被加热至约800℃的温度。CVD加工可持续1秒直至数据分钟。典型的加工时间是5-60秒。在氧氮化物层上形成的四氮化三硅薄膜16的物理厚度约36一直到约20。这一栅叠层应有一个等效的二氧化硅(SiO2)厚度(EOT)，为约24直至约16。考虑到栅介电技术的进展，物理厚度为20和以下的极薄四氮化三硅膜在紧接着的ULSI装置的产生中是理想的。图2以图解形式描述了本专利技术的方法。UV-激发气体预处理步骤在四氮化三硅薄膜沉积在氧氮化物层上之前本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在半导体底物表面上形成四氮化三硅薄膜的方法，其包括：用选自氯气、氮气和它们的混合物的ＵＶ－激发气体处理在半导体底物上形成的氧氮化物薄层；和将四氮化三硅薄膜沉积在处理过的氧氮化物层上。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2000-4-17 60/197,5751.一种在半导体底物表面上形成四氮化三硅薄膜的方法，其包括用选自氯气、氮气和它们的混合物的UV-激发气体处理在半导体底物上形成的氧氮化物薄层；和将四氮化三硅薄膜沉积在处理过的氧氮化物层上。2.权利要求1的方法，其中氧氮化物薄层的物理厚度为6-10。3.权利要求1的方法，其中UV-激发气体是在压力5-20托和温度约80℃引入。4.权利要求1的方法，其中用UV-激发气体处理氧氮化物层用时至少30秒。5.权利要求1的方法，其中四氮化三硅薄膜的物理厚度为30或小于30。6.权利要求1的方法，其中四氮化三硅薄膜的物理厚度范围为20-36。7.权利要求2的方法，其中氧氮化物层是用快速热加工法于温度至少800℃在硅半导体底物上形成的。8.权利要求5的方法，其中四氮化三硅薄膜是应用化学气相沉积法在温度范围700℃-850℃下沉积的。9.权利要求8的方法，其中化学气相沉积是在1.5托至3托压力下进行，SiH4∶NH3∶Ar的气流比为1∶40∶50。10.权利要求1的方法，其中UV-激发气体是氯。11.一...

【专利技术属性】
技术研发人员：SP泰，S利维，YZ胡，J盖尔皮，
申请(专利权)人：马特森技术公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]