專利名稱：一種氮化氧化膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明技術(shù)屬于微電子超深亞微米CMOS器件及超大規(guī)模集成技術(shù)領(lǐng)域，具體地說涉及一種超薄氮化氧化膜的制備方法，也適用于一個芯片上需要同時生長多種厚度的氮化氧化膜的制備。
本發(fā)明的主要步驟為1.LOCOS(局部氧化)隔離或STI(淺槽)隔離；2.清洗；3.注前氧化；4.注入14N+能量15-30Kev，劑量(1-5)×1014cm-2；5.漂凈注前氧化膜；6.清洗先用上述各步驟中的傳統(tǒng)方法清洗，再用HF/IPA(異丙醇)/H2O室溫下浸泡，去離子水沖洗，甩干立即進爐；7.柵氧化大流量N2保護下550℃進舟，慢推，大流量N2保護；升溫至700-900℃，N2恒溫；同一溫度下，N2/O2＝5∶1氣氛氧化，氧化時間1-120分鐘；N2氣氛，700-900℃退火，15-60分鐘；N2保護下降溫至550℃，再在大流量N2保護下慢拉出舟；8.化學(xué)汽相沉積(LPCVD)多晶硅溫度620℃，壓力0.2乇，SiH4200sccm，Ar800sccm。


圖1給出了氮(14N+)注入硅再氧化生成的強化氮化氧化膜氧化速率降低的百分比隨氮注入劑量的變化。
圖2(a)給出了氮注入硅再氧化法(以下簡稱為強化氮化法)生成的20強化氮化膜的高分辨率透射電子顯微鏡照片(HRTEM)。
圖2(b)給出了氮注入硅再氧化法(以下簡稱為強化氮化法)生成的15強化氮化膜的高分辨率透射電子顯微鏡照片(HRTEM)。
圖3為不同類型氮化氧化柵介質(zhì)抗B穿透能力的比較。
圖4為新清洗法與常規(guī)清洗法對硅表面粗糙度的影響比較a) 3#-1#-HF/H2Odip表面微粗糙度(RMS)0.117nm；(b)3#-1#-HF/IPA/H2Odip表面微粗糙度(RMS)0.053nm。
圖5為強化氮化法生長的柵介質(zhì)膜表面及其與Si的界面的原子力顯微鏡照片(a)氮化氧化柵表面，表面微粗糙度(RMS)0.052nm；(b)剝?nèi)サ趸瘱牛砻娲治⒉诙?RMS)0.057nm。
圖6為溝道長度42nm的CMOS器件的ID-VD輸出特性(a)NMOS；(b)PMOS。
圖7為溝道長度42nm的器件的亞閾值特性(a)NMOS；(b)PMOS。
2.預(yù)氧化厚150，850℃，干O2，170分+N2，退火30分鐘。
3.化學(xué)汽相沉積(LPCVD)Si3N4厚1300，780℃。
4.清洗3#液10分鐘，1#液5分，H2O/HF(1/20)，漂15秒鐘。
5.Si3N4退火800℃，N2，退火30分鐘。
6.光刻有源區(qū)9912膠，1.2μm。
7.反應(yīng)離子刻蝕Si3N4有源區(qū)留SiO280，功率150W，壓力400mtor，CHF/SF6/He＝7sccm/30sccm/100sccm。
8.去膠清洗同步驟1硅片清洗。
9.場氧化1000℃，90分(H2+O2)，4700。
10.濕法腐蝕Si3N4H3PO4，160℃，1小時。
11.除去預(yù)氧化層H2O∶HF＝10∶1，漂凈有源區(qū)SiO2。
12.清洗同步驟4。
13.注前氧化厚200，900℃，干O2，150分+N2退火30分。
14.注入14N+能量20Kev，劑量3×1014cm2。
15.漂凈注前氧化膜用H2O/HF＝10∶1溶液按250漂。
16.清洗3#液清洗10分鐘，1#液5分鐘，HF/異丙醇(IPA)，室溫下浸漬5分鐘，去離子水沖15遍，甩干兩遍，立即進爐。
17.柵氧化膜厚15，大流量N2保護下550℃進舟，慢推10分鐘，防止自然氧化膜生成；大流量N2保護下升溫50分鐘至800℃，N2(5L/分)恒溫10分鐘，使生長溫度穩(wěn)定，并改善表面狀態(tài)；800℃下氧化，N2/O2＝5∶1(N2＝5L/分，O2＝1L/分)，2.5分鐘，以減速慢氧化速率，使膜生長更為致密、可控、重復(fù)性好；N2退火，800℃，30分鐘，改善界面態(tài)和氮的分布；N2保護下降溫50分鐘至550℃，以降低應(yīng)力；大流量N2保護下出舟，慢拉10分鐘，以防止自然氧化膜生成。
18.化學(xué)汽相沉積(LPCVD)多晶硅2000，溫度620℃，壓力0.2乇，SiH4200sccm，Ar800sccm。
由圖1可見，氮注入樣品明顯地降低了氧化速率，且隨14N+注入劑量增加，氧化延遲效應(yīng)越明顯。減慢的氧化速率有利于膜的均勻性、致密性和重復(fù)性提高。
圖2清楚地顯示了新方法形成的氮氧化硅/硅界面非常平整、光滑，這對器件電學(xué)性能改善是十分有利的。研究表明NMOS電容中20的強化氮化氧化柵介質(zhì)比21純氧化柵介質(zhì)有低的多的隧穿電流，15的強化氧化柵在1.2V和1.5V下的隧穿電流分別為5.65×10-2A/cm2和2.2×10-1A/cm2。同時表明PMOS電容中同樣20的強化氮化氧化柵介質(zhì)的隧穿電流比21的純氧化硅的要好，特別在低場下。這是由于純氧化樣品的穿透引起了大的低場漏電。在1.2V和1.5V下，15強化氮化氧化柵介質(zhì)的隧穿漏電流分別為1.67×10-3A/cm2和2.57×10-2A/cm2。
由圖3可見，2.0nm氮化氧化柵介質(zhì)PMOS電容的平帶電壓(VFB)隨快速熱退火(RTA)溫度變化很緩慢，而同樣厚度的純SiO2柵介質(zhì)PMOS電容的平帶電壓(VFB)隨快速熱退火溫度漂移很厲害，且隨快速熱退火溫度的變化很激烈，N2O退火樣品次之，15強化氮化氧化樣品比21N2O退火樣品還要好。這充分表明本項技術(shù)有極好的防B穿透能力，這是由于N注入硅再氧化，除膜質(zhì)好以外，其N濃度峰值離SiO2/Si界面較N2O退火樣品要更接近表面，故有更強的對B的勢壘阻擋作用。
同時實驗表明，氧化前的清洗對改善硅表面的質(zhì)量至關(guān)重要，原子力顯微鏡(AFM)分析表明，用HF/IPA/H2O漂洗比HF/H2O漂洗有好得多的表面微粗糙度，如圖4所示。由圖可見，用HF/H2O溶液清洗的硅表面為微粗糙度(RMS)為0.117nm，而用HF/IPA/H2O清洗的硅表面為粗糙度(RMS)為0.053nm，表面質(zhì)量得到了成倍的改善。
為更進一步弄清楚氮注入硅再氧化方法的優(yōu)越的原因，除對樣品進行高分辨率透射顯微鏡(HRTEM)和二次離子質(zhì)譜(SIMS)分析外，本發(fā)明對樣品表面進行原子力顯微鏡(AFM)分析，分析其表面的微粗糙度，如圖5所示。表明氮化氧化柵介質(zhì)表面及它與Si之間的界面都有極小的微粗糙度(RMS)，表面及界面極光滑。
本發(fā)明制備的氮化氧化膜在納米器件中應(yīng)用的結(jié)果采用20強化氮化氧化柵介質(zhì)溝道長度為42nm的高性能CMOS器件，在1.5V電源電壓下，NMOS和PMOS的驅(qū)動電流Ion分別為745μA/μm和-530μA/μm，相應(yīng)的NMOS和PMOS的關(guān)態(tài)電流Ioff分別為3.5nA/μm和-15nA/μm。NMOS和PMOS的亞閾值斜率分別為的分別為72mV/Dec和82mV/Dec。如圖6和7所示。以上結(jié)果表明本方法形成的強化氮化氧化膜具有優(yōu)良的特性，使器件的關(guān)態(tài)漏電流很小。
權(quán)利要求
1.一種氮化氧化膜的制備方法，主要步驟為·局部氧化隔離或淺槽隔離；·清洗；·注前氧化；·注入14N+能量15-30 Kev，劑量(1-5)×1014cm-2；·漂凈注前氧化膜；·清洗先用上述各步驟中的傳統(tǒng)方法清洗，再用氫氟酯/異丙醇/水＝(0.2-0.7)％/(0.01-0.04)％/1溶液室溫下浸泡1-10分鐘，去離子水沖洗，甩干立即進爐；·柵氧化大流量氮氣保護下400-600℃進舟，慢推，大流量氮氣保護；升溫至700-900℃，氮氣恒溫；同一溫度下，氮氣/氧氣＝3-7∶1氣氛氧化，氧化時間1-120分鐘；氮氣氣氛，700-900℃退火，15-60分鐘；氮氣保護下降溫至550℃，再在大流量氮氣保護下慢拉出舟；·化學(xué)汽相沉積多晶硅1600-2200，溫度620℃，壓力0.2乇，SiH4200sccm，Ar800sccm。
2.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，注前氧化膜為200；
3.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述注入14N+的能量為20-22Kev，劑量3×1014cm-2。
4.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述氫氟酯/異丙醇/水＝0.5％/0.02％/1％。
5.如權(quán)利要求1或4所述的制備方法，其特征在于，所述氫氟酯/異丙醇/水溶液室溫下浸泡5分鐘。
6.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述柵氧化步驟為大流量氮氣保護下550℃推舟10分鐘；氮氣保護下升溫50分至800-830℃，氮氣恒溫10分鐘；同一溫度下，氮氣/氧氣＝5∶1氣氛氧化，氧化時間2.5-4.5分鐘；氮氣氣氛，800-830℃退火30分鐘；氮氣保護下降溫50分鐘至550℃，在大流量氮氣保護下慢拉10分鐘出舟；氮化氧化膜厚度為14-20。
7.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述化學(xué)汽相沉積多晶硅為2000。
全文摘要
一種氮化氧化膜的制備方法，將氮離子注入到硅襯底中再氧化。步驟為在完成隔離的硅片上清洗后生長注前氧化膜，然后對有源區(qū)進行
文檔編號H01L21/02GK1404113SQ0214723
公開日2003年3月19日 申請日期2002年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月18日
發(fā)明者徐秋霞, 侯瑞兵, 高文方, 韓鄭生 申請人:中國科學(xué)院微電子中心