等离子氮化处理装置、栅介质层制作方法及设备的制作方法

等离子氮化处理装置、栅介质层制作方法及设备的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种等离子氮化处理装置，包括具有用于支承具有二氧化硅膜的衬底的基座的真空处理腔室，向真空处理腔室供给含氮气体的气体供给机构，将含氮气体电离为氮等离子体的等离子体生成机构以及冷却机构。冷却机构用于在氮等离子体对二氧化硅膜注入前将基座冷却至-100℃～0℃。本发明还提供了具有上述等离子氮化处理装置的栅介质层制作设备及相应的栅介质层制备方法，本发明能够有效改善栅介质层的可靠性。
【专利说明】等离子氮化处理装置、栅介质层制作方法及设备

【技术领域】
[0001] 本发明涉及半导体制造【技术领域】，特别涉及一种等离子氮化处理装置、制作栅介 质层的设备及方法。

【背景技术】
[0002] 集成电路是由数百万个基础构件所组成，而这些基础构件包括晶体管、电容器及 电阻器。晶体管通常包括源极、漏极以及栅极堆叠，而栅极堆叠的组成是先在衬底上方形成 一介质层（通常为二氧化硅），然后在介质层上覆盖一层作为电极的薄膜（如多晶硅）。
[0003] 随着超大规模集成电路（VLSI)和特大规模集成电路（ULSI)的飞速发展，M0S器 件的尺寸不断地减小，为增加器件的反应速度、提高驱动电流与存储电容的容量，器件中二 氧化硅栅极介质层的厚度不断地降低。然而，随着二氧化硅栅极介电层的厚度的降低，会出 现一些降低器件性能的效应。例如，由于隧道效应（tunneling effect)出现栅极漏电流 (gate leakage)升高的情形；硼掺杂（boron doped)的栅极电极中的硼会渗透到下方的娃 衬底，不仅引起阈值电压的漂移，而且对二氧化硅栅极介质层造成损伤和降低二氧化硅栅 极介质层的可靠性；薄的二氧化娃栅极介质层容易受到热载子伤害（hot carrier damage) 的影响，移动穿过介质层的高能载流子则会伤害或破坏栅极；另外，薄的二氧化硅栅极介质 层亦容易受到负偏压温度不稳定性（NBTI)所影响，阈值电压或驱动电流随着栅极的操作 过程而漂移。
[0004] 另一方面，由驱动电流和栅电容的公式可知，栅电容越大，驱动电流越大；而栅极 介质层介电常数越大，栅电容越大。
[0005] 因此，需要一种替代的栅极介质层材料，不但要有够厚的实际厚度来降低漏电流 密度，而且能提供高的栅极电容来增加驱动电流。为了达到上述目的，替代的栅极介质层材 料所具有的介电常数需要高于二氧化硅的介电常数。
[0006] -种解决方法是将氮注入二氧化硅层中以形成氮氧化硅（SiOxNy)栅极介质层， 氮氧化硅层既能够阻止硼渗透至下方的硅衬底中，又能够提高了栅极介质层的介电常数， 进而允许使用较厚的介电层。近年来，等离子氮化技术（Decoupled Plasma Nitridation， DPN)被用于氮化栅极氧化层，该技术能够在多晶硅栅极/氧化层界面获得高氮含量，从而 防止硼渗透至氧化物介质层中。如图1所示，现有技术中氮氧化硅栅极介质层的制备主要 包括三个步骤，
[0007] 1.氧化层生长：硅衬底经过酸槽清洗后，采用原位水蒸汽氧化（In-Situ Steam Generation，ISSG)或炉管氧化（Furnace Oxidation)方法生长 Si02 介质层
[0008] 2.氮掺杂：采用去稱等离子氮化工艺（Decoupled Plasma Nitridation:DPN)对 Si02介质进行氮的掺杂，该步骤的工艺温度为室温；
[0009] 3.退火工艺：米用氮化后退火工艺（PNA，Post Nitridation Anneal)稳定氮掺杂 及修复介质层中的等离子体损伤。
[0010] 然而，在上述制备工艺中，由于氮气等离子体仍以一定速度和能量注入二氧化硅 层，造成的等离子体损伤程度若过大难以通过PNA高温退火来修复。另一方面，也需要控制 氮气等离子体的扩散避免聚积在二氧化硅层和衬底的界面处造成对沟道载流子的迁移速 度产生负面影响。


【发明内容】

[0011] 本发明的主要目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种能够减小氮离子注入对二 氧化硅膜/硅衬底界面层损伤的等离子氮化处理装置以及相应的栅介质层制作设备及方 法。
[0012] 为达成上述目的，本发明提供一种等离子氮化处理装置，用于对衬底上的二氧化 硅膜实施等离子氮注入，其包括真空处理腔室，其具有用于支承所述具有二氧化硅膜的衬 底的基座；向所述真空处理腔室供给含氮气体的气体供给机构；将所述真空处理腔室内的 含氮气体电离为氮等离子体的等离子体生成机构；以及冷却机构，用于在所述氮等离子体 对所述二氧化硅膜注入前将所述基座冷却至-100°C?o°c。
[0013] 优选的，所述等离子氮化处理装置还包括传输机构和控制机构，所述传输机构用 于将所述具有二氧化硅膜的衬底输送并放置于所述基座上；所述控制机构用于在所述衬底 放置在冷却的所述基座上一定时间后，控制所述气体供给机构供给含氮气体及控制所述等 离子体生成机构生成氮等离子体。
[0014] 优选的，所述控制机构控制所述冷却机构在所述衬底放置于所述基座上之前开始 对所述基座冷却并持续冷却至所述等离子氮注入结束。
[0015] 优选的，所述基座中设有冷却通路，所述冷却通路具有进口和出口，所述冷却机构 的输出端和输入端分别通过传输管线与所述冷却通路的进口和出口相连，其通过向所述冷 却通路提供冷却剂以及从所述冷却通路回收经热交换的所述冷却剂对所述基座冷却。
[0016] 本发明还提供了一种栅介质层制作设备，其包括用于在衬底上形成二氧化硅膜的 成膜装置；用于对所述二氧化硅膜实施等离子氮注入的上述等离子氮化处理装置；用于对 氮注入的所述二氧化硅膜进行高温退火以形成栅介质层的热退火装置；用于将所述衬底依 次传输至所述成膜装置、等离子氮化处理装置及热退火装置进行处理的传输机构；以及控 制所述成膜装置、等离子氮化处理装置及热退火装置的启闭以及控制所述传输机构的输送 动作的控制机构。
[0017] 优选的，所述成膜装置包括快速热退火工艺腔和/或垂直炉管工艺腔，所述快速 热退火工艺腔为原位水蒸气氧化工艺腔和/或快速热氧化工艺腔。
[0018] 优选的，所述退火装置包括快速热退火工艺腔。
[0019] 优选的，所述控制机构在所述衬底放置在冷却的所述基座一定时间后，控制所述 气体供给机构供给含氮气体及控制所述等离子体生成机构生成氮等离子体。
[0020] 优选的，所述控制机构控制所述冷却机构在所述衬底放置于所述基座上之前开始 对所述基座冷却并持续冷却至所述等离子氮注入结束。
[0021] 进一步的，本发明还提供了一种利用上述设备制作栅介质层的方法，其包括：
[0022] 在所述衬底上形成所述二氧化硅膜；
[0023] 将所述等离子氮化处理装置的基座冷却至-100°C?0°C ;
[0024] 在所述基座冷却之后对所述二氧化硅膜进行等离子氮注入；以及
[0025] 对注入氮的所述二氧化硅膜进行高温退火，形成所述栅介质层。
[0026] 相较于现有技术，本发明所提出的等离子氮化处理装置、栅介质层制作方法及设 备通过在低温环境下将氮离子注入二氧化硅膜，促进了二氧化硅膜的非晶化，不仅能够降 低氮离子的扩散效应来使掺入的氮离子更多聚积于二氧化硅膜的上表面，而且能够打断更 多的Si-Ο键来与氮离子键合以提高氮离子的结合率。

【专利附图】

【附图说明】
[0027] 图1为现有技术中栅介质层制作方法的流程图；
[0028] 图2为本发明一实施例的等离子氮化处理装置的示意图；
[0029] 图3为本发明一实施例的栅介质层制作设备的方块图；
[0030] 图4为本发明一实施例的栅介质层制作方法的流程图。

【具体实施方式】
[0031] 为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一 步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也 涵盖在本发明的保护范围内。
[0032] 图2显示了本发明一实施例的等离子氮化处理装置，其为去耦等离子体氮化处理 装置，可用于对衬底上的二氧化硅膜实施等离子氮注入，应该理解，等离子氮化处理装置仅 仅是示例性的，其可以包括更少或更多的组成元件，或该组成元件的安排可能与图中所示 相同或不同。
[0033] 请参见图2,等离子氮化处理装置包括真空处理器腔室1，气体供给机构3、等离子 体生成机构（图中未示）和冷却机构4。真空处理腔室1的底部设置有用于支承待处理衬 底W的基座2,衬底W上形成有二氧化硅膜。气体供给机构3将含氮气体供给至真空处理腔 室内。真空处理腔室的侧壁或顶板可设置气体导入部件，气体供给机构3与气体导入部件 相连，含氮气体通过气体管线到达气体导入部件进而导入至真空处理腔室内。真空处理腔 室1还可连接排气装置，排气装置将腔室1内经反应的含氮气体和反应副产物排出，使腔室 1内保持规定的真空度。等离子体生成机构（图中未示）用于将真空处理腔室1内的含氮 气体电离形成氮等离子体。等离子体生成机构可以具有多种形式，例如通过射频源RF向真 空处理腔室顶板或侧壁外部设置的感应线圈供电在腔室1内部形成电磁场将含氮气体等 离子体化，或通过多个缝隙的平面天线将微波导入腔室1内产生等离子体，本发明并不加 以限制。冷却机构4用于在氮等离子体对二氧化硅膜注入之前将基座冷却至-100°C?0°C。 具体来说，基座2中设有冷却通路，冷却机构4通过两条传输管线与冷却通路连接，其通过 向冷却通路提供冷却剂以及从冷却通路回收经与基座2上的待处理衬底W热交换的冷却剂 来对基座冷却，使基座的温度达到设定的温度。本实施例中，冷却机构4在腔室1内进行二 氧化硅膜的氮离子注入之前就将基座冷却至-l〇〇°C?0°C，因此氮离子的注入是在低温环 境下进行。而在低温环境下，注入的氮离子对二氧化硅膜的非晶化效果要高于室温条件的 效果，以等离子体生成机构包括以脉冲方式输出功率的射频源为例，在与现有技术相同功 率和占空比的条件下不仅降低氮离子的扩散效应使注入的氮离子能够更接近二氧化硅的 上表面，并且能够将更多的Si-Ο键打断提供更多的Si 来与N离子键合。因此，通过等离 子氮注入工艺时间或功率的调节能够掺入更多的N离子以提高氮含量同时对二氧化硅膜/ 硅衬底界面层的损伤也较小。
[0034] 此外，等离子氮化处理装置还包括传输机构和控制机构。在真空处理腔室1的侧 壁还设置有用于进行衬底搬入搬出的开口。传输机构从开口将衬底搬入腔室1内，载置在 基座2上。控制机构在衬底放置在冷却的基座2 -定时间，如1分钟后，控制气体供给机构 3供给含氮气体以及控制等离子体生成机构将含氮气体电离生成氮等离子体，从而在低温 环境下对二氧化硅膜进行氮离子注入，在此过程中冷却机构始终对基座2冷却使其温度保 持在-KKTC?0°C直至氮化处理结束。氮化处理完成后，传输机构将衬底搬出真空处理腔 室。
[0035] 接下来，将结合具体实施例对本发明的栅介质层制作设备及栅介质层制作方法加 以详细说明。
[0036] 请参照图3,其显示的是本实施例的栅介质层制作设备的方块图。栅介质层制作 设备包括用于在衬底上形成二氧化硅膜的成膜装置31、用于对二氧化硅膜实施等离子氮注 入的等离子氮化处理装置32、用于对氮注入的二氧化硅膜进行高温退火以形成栅介质层的 热退火装置33、用于将衬底依次传输至成膜装置31、等离子氮化处理装置32及热退火装置 33进行处理的传输机构34、以及控制成膜装置31、等离子氮化处理装置32及热退火装置 33的启闭以及控制传输机构的输送动作的控制机构35。
[0037] 其中，成膜装置31用于生长二氧化硅膜，其可包括快速热退火工艺腔和/或垂直 炉管工艺腔，也即是二氧化硅膜的生长可以在快速热退火工艺腔中采用快速热退火工艺来 生长，也可在垂直炉管工艺腔中采用炉管热氧化工艺来生长，还可以在这两个工艺腔中分 别采用对应的这两个工艺来生长。较佳地，快速热退火工艺腔为原位水蒸气氧化（In-Situ Steam Generation，ISSG)工艺腔和 / 或快速热氧化（Rapid Thermal Oxidation，RT0)工 艺腔，这样，二氧化硅膜可以在ISSG工艺腔中采用ISSG工艺来生长，也可以在RT0工艺腔 中采用RT0工艺来生长，还可以在ISSG和RT0这两个工艺腔中分别采用ISSG和RT0工艺 来生长。等离子氮化处理装置32通过将基座冷却至-KKTC?0°C在低温环境下对二氧化 硅膜实施氮离子注入。等离子氮化处理装置32的结构与动作与上述实施例相同，在此不作 赘述。退火装置33包括快速热退火工艺腔对氮掺杂的二氧化硅膜进行高温退火工艺，该工 艺可以在惰性气体氛围下进行。采用高温退火工艺一方面稳定Si-N键使二氧化硅膜中的 氮掺杂稳定，另一方面修复了二氧化硅膜的等离子体损伤，从而最终形成氮氧化硅的栅介 质层。由于在等离子氮化处理装置32中进行的低温等离子氮注入使更多的氮离子聚积在 二氧化硅膜的上表面处也降低了二氧化硅膜/硅衬底界面层的等离子体损伤，因此最终形 成的氮氧化硅栅介质层在其上表面处具有高氮含量且性能更佳。
[0038] 传输机构34将衬底依次传输至成膜装置31、等离子氮化处理装置32及热退火装 置33分别进行各自的处理，而控制机构35则控制成膜装置31、等离子氮化处理装置32、热 退火装置33及传输机构34的动作以实现栅介质层的制备。
[0039] 请参照图4,利用上述设备制作栅介质层的方法包括以下步骤：
[0040] S1 :在衬底上形成二氧化硅膜；
[0041] S2 :将等离子氮化处理装置的基座冷却至_100°C?0°C ;
[0042] S3 :在基座冷却之后对二氧化硅膜进行等离子氮注入；
[0043] S4 :对注入氮的二氧化硅膜进行高温退火，形成栅介质层。
[0044] 其中步骤S1在成膜装置31中完成，步骤S2和S3在等离子氮化处理装置32中完 成，步骤S4在热退火装置33中完成。
[0045] 接着对上述栅介质层制作过程中，具有如上结构的栅介质层的制作设备的各装置 和机构的动作进行说明。
[0046] 首先，控制机构35发出信号使传输机构34将衬底传输至成膜装置31的腔室内， 控制机构35控制成膜装置开启执行对衬底进行二氧化硅膜的生长工艺。在二氧化硅膜生 长过程中，控制机构35使等离子氮化处理装置32的冷却机构对等离子氮化处理装置32的 基座进行冷却，使其至-KKTC?0°C。二氧化硅膜生长完毕后，控制机构35使传输机构将 衬底从成膜装置31中搬出并搬入等离子氮化处理装置32的真空处理腔室1内放置在冷 却的基座上并控制等离子氮化装置进行氮离子注入步骤。具体来说，当衬底放置在冷却的 基座上一定时间如一分钟后，控制机构使气体供给机构3供给含氮气体以及控制等离子体 生成机构将含氮气体电离生成氮等离子体，从而在低温环境下对二氧化硅膜进行氮离子注 入，在此过程中冷却机构始终对基座2冷却使其温度保持在-100°C?0°C直至氮化处理结 束。氮化处理完成后，传输机构将衬底搬出真空处理腔室并搬入热退火装置33。控制机构 相应控制热退火装置33执行高温热退火工艺，对掺氮的二氧化硅膜进行等离子体损伤修 复以及促进氮含量的稳定，最终在衬底上形成氮氧化硅栅介质层。在高温热退火工艺完成 后，通过传输机构34将具有栅介质层的衬底搬出。
[0047] 综上所述，本发明通过对等离子氮化处理装置的基座进行冷却，在低温环境下进 行氮等离子体的注入，由此形成的氮氧化硅栅介质不仅具有更高的介电常数，较小的等离 子体损伤，且氮含量更多聚积于栅介质表面，可避免穿过二氧化硅而伤害或破坏栅极，因此 具有更高的可靠性。
[0048] 虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述诸多实施例仅为了便于说明而举例 而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作 若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。
【权利要求】
1. 一种等离子氮化处理装置，用于对衬底上的二氧化硅膜实施等离子氮注入，其特征 在于，包括： 真空处理腔室，其具有用于支承所述具有二氧化硅膜的衬底的基座； 向所述真空处理腔室供给含氮气体的气体供给机构； 将所述真空处理腔室内的含氮气体电离为氮等离子体的等离子体生成机构；以及 冷却机构，用于在所述氮等离子体对所述二氧化硅膜注入前将所述基座冷却 至-100。。?(TC。
2. 根据权利要求1所述的等离子氮化处理装置，其特征在于，还包括： 传输机构，用于将所述具有二氧化硅膜的衬底输送并放置于所述基座上； 控制机构，用于在所述衬底放置在冷却的所述基座上一定时间后，控制所述气体供给 机构供给含氮气体及控制所述等离子体生成机构生成氮等离子体。
3. 根据权利要求2所述的等离子氮化处理装置，其特征在于，所述控制机构控制所述 冷却机构在所述衬底放置于所述基座上之前开始对所述基座冷却并持续冷却至所述等离 子氮注入结束。
4. 根据权利要求1所述的等离子氮化处理装置，其特征在于，所述基座中设有冷却通 路，所述冷却通路具有进口和出口，所述冷却机构的输出端和输入端分别通过传输管线与 所述冷却通路的进口和出口相连，其通过向所述冷却通路提供冷却剂以及从所述冷却通路 回收经热交换的所述冷却剂对所述基座冷却。
5. -种栅介质层制作设备，其特征在于，包括： 成膜装置，用于在衬底上形成二氧化硅膜； 如权利要求1或4所述的等离子氮化处理装置，用于对所述二氧化硅膜实施等离子氮 注入； 热退火装置，用于对氮注入的所述二氧化硅膜进行高温退火以形成栅介质层； 传输机构，用于将所述衬底依次传输至所述成膜装置、等离子氮化处理装置及热退火 装置进行处理；以及 控制机构，控制所述成膜装置、等离子氮化处理装置及热退火装置的启闭以及控制所 述传输机构的输送动作。
6. 根据权利要求5所述的栅介质层制作设备，其特征在于，所述成膜装置包括快速热 退火工艺腔和/或垂直炉管工艺腔，所述快速热退火工艺腔为原位水蒸气氧化工艺腔和/ 或快速热氧化工艺腔。
7. 根据权利要求5所述的栅介质层制作设备，其特征在于，所述退火装置包括快速热 退火工艺腔。
8. 根据权利要求5所述的栅介质层制作设备，其特征在于，所述控制机构在所述衬底 放置在冷却的所述基座一定时间后，控制所述气体供给机构供给含氮气体及控制所述等离 子体生成机构生成氮等离子体。
9. 根据权利要求5所述的栅介质层制作设备，其特征在于，所述控制机构控制所述冷 却机构在所述衬底放置于所述基座上之前开始对所述基座冷却并持续冷却至所述等离子 氣注入结束。
10. -种利用权利要求5所述的栅介质层制作设备制作栅介质层的方法，其特征在于， 包括： 在所述衬底上形成所述二氧化硅膜； 将所述等离子氮化处理装置的基座冷却至-100°C?o°c ; 在所述基座冷却之后对所述二氧化硅膜进行等离子氮注入；以及 对注入氮的所述二氧化硅膜进行高温退火，形成所述栅介质层。
【文档编号】H01L21/28GK104157598SQ201410415005
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月21日 优先权日:2014年8月21日
【发明者】肖天金, 康俊龙, 余德钦 申请人:上海华力微电子有限公司