一种氮氧化硅栅氧化层制造方法技术

本发明专利技术提出一种MOS器件氮氧化硅栅氧化层制造方法，该方法包括：首先在提供的硅衬底上氮化形成氮氧化硅，然后热氧化形成氮氧化硅和硅衬底之间的第一氧化硅层和氮氧化硅上的第二氧化硅层，接着第二退火所述硅衬底之后，在第二氧化硅层上沉积多晶硅；刻蚀形成栅极和氮氧化硅栅氧化层。本发明专利技术在硅衬底和氮氧化硅之间引入氧化硅层，使氮氧化硅栅氧化层与硅衬底之间的悬挂键减少，从而降低氮氧化硅栅氧化层与衬底之间的界面态电荷密度，改善了MOS器件的某些特性，如提高了器件的阈值电压稳定性，降低了器件的热载流子效应及闪烁噪声等。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体制造领域，特别涉及。
技术介绍
金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide Semiconductor FieldEffect Transistor,M0S)器件结构包括有源区、源极、漏极和栅极，其中，所述有源区位于半导体硅 衬底中，所述栅极位于有源区上方，所述栅极两侧的有源区分别进行离子注入后形成源极 和漏极，栅极下方具有导电沟道，所述栅极和导电沟道之间有栅氧化层。根据离子注入的不 同类型，MOS器件又分为PMOS器件和NMOS器件。在MOS器件的制造过程中，最先在半导体 硅衬底上生长栅氧化层和栅极，再生长MOS器件的其它结构。为了控制MOS器件导电沟道的 短沟道效应，小尺寸MOS器件要求进一步提高栅极电容。这能够通过不断减薄栅氧化层厚 度实现，但栅氧化层厚度减小同时导致了栅氧化层漏电流的增加。氧化硅层材料的栅氧化 层厚度降低到一定程度时(低于2. 0纳米)，栅氧化层漏电流过大造成器件漏电流过大而无 法工作。因此，目前用氮氧化硅(SiOxNy)替代氧化硅层作为栅氧化层，称为氮氧化硅栅氧化 层。氮氧化硅的主要优势有首先，氮的掺杂提高了栅氧化层的介电常数(k值)，延缓了小 尺寸器件对栅氧化层减薄的依赖。其次，显著减少PMOS器件中掺杂的硼从栅极扩散到栅氧 化层的数量，有助于控制阈值电压的漂移；最后，NMOS器件热载流子效应得到进一步改善。传统的氮氧化硅栅氧化层制造工艺是先对硅衬底进行热氧化形成氧化硅层-硅 衬底结构，再对氧化硅层-硅衬底结构进行氮化。氮化通常采用在退火的同时通入一氧化 二氮(N2O),氨气(NH3)或一氧化氮(NO)等含氮反应气体，使反应气体在高温下穿透氧化硅 层，和硅衬底发生反应，生成氮氧化硅。最后得到氧化硅层-氮氧化硅-硅衬底结构的氮氧 化硅栅氧化层。氮氧化硅栅氧化层中氮原子的含量是的一个重要的指标，通过氮化工艺参 数的控制可以达到目标含量。结合图1 4现有技术氮氧化硅栅氧化层制造过程的剖面结构示意图，说明现有 技术氮氧化硅栅氧化层制造步骤。要说明的是，剖面结构示意图仅表示器件结构，并不代表器件各部分的实际比例。步骤一，参见图1，提供硅衬底101，在硅衬底101上热氧化生长氧化硅层102 ；本步骤中，生长氧化硅层的厚度范围是10埃到100埃。步骤二，氮化氧化硅层-硅衬底，在硅衬底上形成氮氧化硅103，参见图2 ；本步骤中，氮化的方法是在退火的同时通入一氧化氮气体，在通入一氧化氮气体 的同时，还可以用氮气作为辅助气体，其中，一氧化氮所占的比例范围是2%到100% ；本步骤中，退火温度范围是800摄氏度到950摄氏度；本步骤中，退火时间范围是60秒到3600秒；本步骤中，所述一氧化氮的流量范围是0. 2标准升每分到5标准升每分；本步骤中，一氧化氮会穿透氧化硅层102，与其下方的硅衬底101发生反应，在硅 衬底和氧化硅层之间形成氮氧化硅103 ；本步骤中，氧化硅层102和氮氧化硅103中氮原子的含量范围是0. 到3%。步骤三，参见图3，氧化硅层上沉积多晶硅104 ；步骤四，参见图4，光刻后，依次刻蚀多晶硅、氧化硅层和氮氧化硅，形成栅极106 和氮氧化硅栅氧化层105。硅衬底和氮氧化硅之间的过渡界面形成硅氮悬挂键，硅氮悬挂键是不饱和键，在 栅极施加电压时会吸收电子(施加正电压时)或释放电子(施加负电压时)，参与栅极电容 充放电。电子在硅_栅氧化层界面的充放电使栅极下方的导电沟道电流不稳定，出现闪烁 噪声；由于散射作用，电子在充放电时经过碰撞进入栅氧化层，产生热载流子效应。随着栅 极电容充放电次数的增加，最终导致器件的阈值电压不稳定，影响器件的可靠性。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术解决的技术问题是硅衬底和氮氧化硅之间的过渡界面形成硅氮悬挂键使栅极电容参与充放电的电 荷密度增加，导致MOS器件阈值电压不稳定，热载流子效应增强，可靠性降低。为解决上述问题，本专利技术的技术方案具体是这样实现的，该方法包括氮化提供的硅衬底，在所述硅衬底表面形成氮氧化硅；热氧化所述氮氧化硅，在氮氧化硅和硅衬底之间形成第一氧化硅层，在氮氧化硅 上形成第二氧化硅层；第二退火所述硅衬底；在所述第二氧化硅层上沉积多晶硅；依次刻蚀所述多晶硅、第二氧化硅层、氮氧化硅和第一氧化硅层，形成多晶硅控制 栅和氮氧化硅栅氧化层。所述氮化的方法是第一退火同时通入含氮和含氧的反应气体。所述含氮和含氧的反应气体为一氧化氮气体。所述一氧化氮用氮气作为辅助气体，所述一氧化氮所占的比例范围是2%到 100%。所述第一退火温度范围是700摄氏度到950摄氏度。所述第一退火时间范围是60秒到3600秒。所述氮氧化硅栅氧化层厚度范围是10埃到100埃。所述氮氧化硅栅氧化层中氮原子的含量范围是0. 到3%。由上述的技术方案可见，本专利技术提出了一种栅氧化层的制造方法，该方法形成的 氧化硅层_氮氧化硅_氧化硅层结构的氮氧化硅栅氧化层，在硅衬底和氮氧化硅之间加 入一层氧化硅层，能够使硅衬底和氧化硅层界面形成硅氧键，相比硅氮键，界面处悬挂键减 少，从而参与栅极电容充放电的电荷密度减低，提高了 MOS器件的可靠性。附图说明图1 图4为现有技术氮氧化硅栅氧化层制造的剖面结构示意图；图5 图8为本专利技术氮氧化硅氧化层制造的剖面结构示意图。具体实施例方式为使本专利技术的目的、技术方案、及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例， 对本专利技术进一步详细说明。结合图5 图8本专利技术氮氧化硅栅氧化层制造的剖面结构示意图，说明本专利技术氮 氧化硅栅氧化层制造步骤。步骤一，参见图5，提供的硅衬底101，同时氮化所述硅衬底101，在硅衬底上形成 氮氧化硅202 ；本步骤中，氮化硅衬底形成氮氧化硅的方法是在对硅衬底第一退火的同时通入一 氧化二氮(N2O),或一氧化氮(NO)等含氮和含氧的反应气体，本实施例采用一氧化氮气体。 在通入一氧化氮气体的同时，还可以用氮气作为辅助气体，一氧化氮所占的比例范围是2% 到 100%，例如 2%，50%或 100% ；本步骤中，所述第一退火温度范围是700摄氏度到950摄氏度，例如700摄氏度、 900摄氏度或950摄氏度；本步骤中，所述第一退火时间范围是60秒到3600秒，例如60秒、1800秒或3600 秒；本步骤中，所述一氧化氮的流量范围是0. 2标准升每分到5标准升每分，例如0. 2 标准升每分、2标准升每分或5标准升每分。本步骤中，通入的一氧化氮直接与硅衬底发生反应，在硅衬底101上形成氮氧化 硅202，其中，氮氧化硅中氮原子的含量大于目标含量，是因为后续热氧化步骤中会降低氮 原子含量。除了本实施例提供的第一退火同时通入含氮和含氧的反应气体的氮化方法外，还 有化学气相沉积和物理气相沉积的方法在硅衬底表面形成氮氧化硅。步骤二，参见图6，热氧化氮氧化硅202，在氮氧化硅202和硅衬底101之间形成第 一氧化硅层203，在氮氧化硅上形成第二氧化硅层204 ；本步骤中，热氧化方法可以是干法热氧化也可以是湿法热氧化，本实施例采用干 法热氧化，具体地，硅衬底置于反应腔中，加热反应腔并通入氧气，高温下，一部分氧气会穿 透会氮氧化硅，与其下方的硅衬底反应，在氮氧化硅和硅衬底之间反应生成第一氧化硅层 203，还有一部分氧气与氮氧化硅反应，置本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种氮氧化硅栅氧化层制造方法，该方法包括：氮化提供的硅衬底，在所述硅衬底表面形成氮氧化硅；热氧化所述氮氧化硅，在氮氧化硅和硅衬底之间形成第一氧化硅层，在氮氧化硅上形成第二氧化硅层；第二退火所述硅衬底；在所述第二氧化硅层上沉积多晶硅；依次刻蚀所述多晶硅、第二氧化硅层、氮氧化硅和第一氧化硅层，形成多晶硅控制栅和氮氧化硅栅氧化层。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：高伟辉，陆肇勇，
申请(专利权)人：中芯国际集成电路制造上海有限公司，
类型：发明
国别省市：31