用于制備高k介質(zhì)層的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，更具體地說(shuō)，本發(fā)明設(shè)及一種用于制備高k(高介電 常數(shù)）介質(zhì)層的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著超大規(guī)模集成電路（VLSI)和特大規(guī)模集成電路扣LSI)的飛速發(fā)展，MOS器件 的尺寸不斷地減小。為增加器件的反應(yīng)速度、提高驅(qū)動(dòng)電流與存儲(chǔ)電容的容量，器件中柵氧 化層的厚度不斷地降低。然而，隨之而來(lái)的兩個(gè)問(wèn)題成為了阻礙集成電路進(jìn)一步發(fā)展的重 要因素：漏電和擊穿。當(dāng)柵氧化層的厚度低于20A，由于量子隧道效應(yīng)，載流子能流過(guò)該個(gè) 超薄柵介質(zhì)，并且載流子隧穿幾率隨著氧化層的厚度的減少按指數(shù)規(guī)律上升。當(dāng)集成電路 中MOS陽(yáng)T工作時(shí)，電荷流過(guò)器件導(dǎo)致在柵介質(zhì)層和Si02/Si界面產(chǎn)生缺陷，當(dāng)臨界缺陷密 度達(dá)到時(shí)，柵介質(zhì)層發(fā)生擊穿，導(dǎo)致器件失效。當(dāng)技術(shù)節(jié)點(diǎn)到45納米W下，傳統(tǒng)的SiON柵 介質(zhì)已經(jīng)不能滿足器件的漏電和擊穿要求，不僅由于漏電過(guò)大導(dǎo)致器件無(wú)法正常工作，而 且經(jīng)時(shí)擊穿（TDDB)不能滿足可靠性要求。
[0003] 由驅(qū)動(dòng)電流和柵電容的公式可知，柵電容越大，驅(qū)動(dòng)電流越大；而柵極介質(zhì)層介電 常數(shù)越大，柵電容越大。
[0004] Id~y/Lg*C"(VDD-VTH)2
[0005] C〇x= kA/d
[0006] 其中Id為驅(qū)動(dòng)電流，y為載流子遷移率，Lg為柵極長(zhǎng)度，C。為柵電容，Vdd為工作 電壓，V?為闊值電壓，k為柵極介質(zhì)層介電常數(shù)，A為器件面積，d為柵極介質(zhì)層厚度。
[0007] 因此，需要一種替代的柵極介質(zhì)層材料，不但要有夠厚的實(shí)際厚度來(lái)降低漏電流 密度和加強(qiáng)經(jīng)時(shí)擊穿（TDDB)可靠性要求，而且能提供高的柵極電容來(lái)增加驅(qū)動(dòng)電流。為了 達(dá)到上述目的，替代的柵極介質(zhì)層材料所具有的介電常數(shù)需要高于傳統(tǒng)的氮氧化娃（SiON) 的介電常數(shù)。因此在45納米技術(shù)節(jié)點(diǎn)W下，迫切需要采用新型的高k柵介質(zhì)如Hf基、Zr或 A1的氧化物來(lái)取代SiON。
[000引由于高k柵介質(zhì)材料主要W金屬氧化物為主，在制備過(guò)程中必定有氧的存在，而 氧與娃的反應(yīng)會(huì)在高k介質(zhì)層與娃襯底之間形成二氧化娃或娃化物的界面氧化層，由于該 氧化層的存在使得氧化物等效厚度巧0T)的縮小變得困難。為了抑制該氧化層的生成，需 要在高k介質(zhì)層沉積之前生長(zhǎng)一層高品質(zhì)的超薄Si02或SiON層。
[0009] 高k柵介質(zhì)常用的制備流程為；首先進(jìn)行前清洗；隨后執(zhí)行超薄Si02或SiON層生 長(zhǎng)；此后進(jìn)行高k介質(zhì)層沉積；隨后執(zhí)行高k介質(zhì)層后退火處理（PostAnneal)，其中將馬、 馬0、NO、〇2或其混合氣作為退火氣體。
[0010] 但是，現(xiàn)有技術(shù)的高k柵介質(zhì)的制備方法中，高k介質(zhì)層和高k界面層中的金屬離 子濃度偏高，而且高k界面層中存在缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在上述缺陷，提供一種能夠降低 高k界面層中的金屬離子濃度偏高并且消除高k界面層中存在缺陷的用于制備高k介質(zhì)層 的方法。
[0012] 為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，根據(jù)本發(fā)明，提供了一種用于制備高k介質(zhì)層的方法，包 括；第一步驟，用于對(duì)半導(dǎo)體娃襯底進(jìn)行前清洗；第二步驟，用于執(zhí)行Si〇2或SiON層生長(zhǎng)； 第S步驟，用于沉積高k介質(zhì)層；第四步驟，用于對(duì)高k介質(zhì)層進(jìn)行退火處理，其中將化、HC1 和馬的混合氣作為退火氣體。
[0013] 優(yōu)選地，所述高k介質(zhì)層為高k柵極介質(zhì)層。
[0014] 優(yōu)選地，工藝溫度為600°C，馬流量為20Slm，〇2流量為5Slm，肥1流量為0.ISlm， 工藝時(shí)間為0. 5min。
[0015] 優(yōu)選地，第S步驟沉積的高k介質(zhì)層的厚度介于20A至60A,之間。
[0016] 優(yōu)選地，第S步驟沉積的高k介質(zhì)層的厚度為40A。
[0017] 優(yōu)選地，高k介質(zhì)層為Hf〇2層、ZrO2層或A12〇3層；
[0018] 優(yōu)選地，第二步驟生長(zhǎng)的Si〇2或SiON層的厚度介于5A至15A之間。
[0019] 優(yōu)選地，第二步驟生長(zhǎng)的Si〇2或SiON層的厚度為8A。
[0020] 優(yōu)選地，在第一步驟中，使用酸槽對(duì)半導(dǎo)體娃襯底進(jìn)行高k前清洗。
[0021] 優(yōu)選地，所述半導(dǎo)體娃襯底包括N/P阱結(jié)構(gòu)和淺溝槽隔離STI結(jié)構(gòu)。
[0022] 本發(fā)明在高k介質(zhì)層后退火處理中引入肥1來(lái)降低高k界面層中的金屬離子（化+ 和K+等金屬離子）濃度和修復(fù)高k介質(zhì)層中的缺陷，并且同時(shí)還能降低高k界面層中Si/ Si化界面的界面態(tài)。而且，Cl離子能夠與高k界面層中化/K離子反應(yīng)并W氣態(tài)形式揮發(fā)， 達(dá)到降低化/K離子濃度的效果；C1離子能夠消除界面層中Si/Si化界面處的懸掛鍵，達(dá)到 降低Si/Si〇2界面態(tài)的效果。
【附圖說(shuō)明】
[0023] 結(jié)合附圖，并通過(guò)參考下面的詳細(xì)描述，將會(huì)更容易地對(duì)本發(fā)明有更完整的理解 并且更容易地理解其伴隨的優(yōu)點(diǎn)和特征，其中：
[0024] 圖1示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的用于制備高k介質(zhì)層的方法的流程 圖。
[0025] 需要說(shuō)明的是，附圖用于說(shuō)明本發(fā)明，而非限制本發(fā)明。注意，表示結(jié)構(gòu)的附圖可 能并非按比例繪制。并且，附圖中，相同或者類似的元件標(biāo)有相同或者類似的標(biāo)號(hào)。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 為了使本發(fā)明的內(nèi)容更加清楚和易懂，下面結(jié)合具體實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明的內(nèi) 容進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0027] 圖1示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的用于制備高k介質(zhì)層的方法的流程 圖。例如，所述高k介質(zhì)層為高k柵極介質(zhì)層。
[002引如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的用于制備高k介質(zhì)層的方法包括：
[0029] 第一步驟Sl，用于對(duì)半導(dǎo)體娃襯底進(jìn)行前清洗；優(yōu)選地，對(duì)半導(dǎo)體娃襯底使用酸 槽進(jìn)行高k前清洗；例如，所述半導(dǎo)體娃襯底包括N/P阱結(jié)構(gòu)和淺溝槽隔離STI結(jié)構(gòu)，由此 可W后續(xù)進(jìn)行高k柵極介質(zhì)層的形成；
[0030]第二步驟S2,用于執(zhí)行超薄Si〇2或SiON層生長(zhǎng)；優(yōu)選地，SiO2或SiON層的厚度 介于5A至15A之間；進(jìn)一步優(yōu)選地，si〇2或siON層的厚度為8A;
[003U具體地，例如，在第二步驟S2中，利用原位水汽生成工藝（in-s;Uusteam generation,ISSG)生長(zhǎng)SiON層，其中工藝溫度為900°C，工藝氣體為N2O+H2+N2。
[003引 例如，在第二步驟S2中，利用DPN(DecoupledPlasmaNitridation)工藝生長(zhǎng) SiON層，其中工藝條件為ePRF900W，工藝氣體為馬。
[003引 例如，在第二步驟S2中，利用PNA(PostNitridationAnneal)工藝生長(zhǎng)SiON層， 其中工藝溫度為ll00°C，工藝氣體為馬0+馬。
[0034] 第S步驟S3,用于沉積高k介質(zhì)層；優(yōu)選地，高k介質(zhì)層為Hf〇2層、Zr〇2層或A12〇3 層。而且，優(yōu)選地，高k介質(zhì)層的厚度介于20A至60A之間。進(jìn)一步優(yōu)選地，高k介質(zhì)層的 厚度為40A。
[003引第四步驟S4,用于對(duì)高k介質(zhì)層進(jìn)行退火處理，其中將02、肥1和N2的混合氣作為 退火氣體。優(yōu)選地，在退火處理中，工藝溫度為600°C，馬流量為20Slm，02流量為5Slm，肥1 流量為0.ISlm，工藝時(shí)間為0. 5min。
[0036] 本發(fā)明在高k介質(zhì)層后退火處理中引入肥1來(lái)降低高k界面層中的金屬離子（化+ 和K+等金屬離子）濃度和修復(fù)高k介質(zhì)層中的缺陷，并且同時(shí)還能降低高k界面層中Si/ Si化界面的界面態(tài)值it)。而且，Cl離子能夠與高k界面層中化/K離子反應(yīng)并W氣態(tài)形式 揮發(fā)，達(dá)到降低化/K離子濃度的效果；C1離子能夠消除界面層中Si/Si化界面處的懸掛鍵， 達(dá)到降低Si/Si〇2界面態(tài)的效果。
[0037] 此外，需要說(shuō)明的是，除非特別說(shuō)明或者指出，否則說(shuō)明書(shū)中的術(shù)語(yǔ)"第一"、"第 二"、"第立"等描述僅僅用于區(qū)分說(shuō)明書(shū)中的各個(gè)組件、元素、步驟等，而不是用于表示各個(gè) 組件、元素、步驟之間的邏輯關(guān)系或者順序關(guān)系等。
[003引可W理解的是，雖然本發(fā)明已W較佳實(shí)施例披露如上，然而上述實(shí)施例并非用W限定本發(fā)明。對(duì)于任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍情況下， 都可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案作出許多可能的變動(dòng)和修飾，或修改為等 同變化的等效實(shí)施例。因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì) W上實(shí)施例所做的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化及修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案保護(hù)的范圍 內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種用于制備高k介質(zhì)層的方法，其特征在于包括： 第一步驟，用于對(duì)半導(dǎo)體硅襯底進(jìn)行前清洗； 第二步驟，用于執(zhí)行3102或SiON層生長(zhǎng)； 第三步驟，用于沉積高k介質(zhì)層； 第四步驟，用于對(duì)高k介質(zhì)層進(jìn)行退火處理，其中將02、HC1和隊(duì)的混合氣作為退火氣
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于制備高k介質(zhì)層的方法，其特征在于，所述高k介質(zhì)層為 高k柵極介質(zhì)層。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于制備高k介質(zhì)層的方法，其特征在于，在第四步驟的 退火處理中，工藝溫度為400~800°C，N2流量為10~50Slm，0 2流量為1~lOSlm，HC1流 量為0. 02~0. 5Slm，工藝時(shí)間為0. 2~5min;優(yōu)選地，工藝溫度為600°C，N2流量為20Slm， 〇2流量為5Slm，HC1流量為0?lSlm，工藝時(shí)間為0? 5min。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于制備高k介質(zhì)層的方法，其特征在于，第三步驟沉積 的高k介質(zhì)層的厚度介于2〇A。至之間。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于制備高k介質(zhì)層的方法，其特征在于，第三步驟沉積的高 k介質(zhì)層的厚度為40A。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于制備高k介質(zhì)層的方法，其特征在于，高k介質(zhì)層為 Hf02層、ZrO2層或A1 203層。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于制備高k介質(zhì)層的方法，其特征在于，第二步驟生長(zhǎng) 的3102或51(^層的厚度介于5A.至15A.之間。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于制備高k介質(zhì)層的方法，其特征在于，第二步驟生長(zhǎng) 的3102或SiON層的厚度為8人。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于制備高k介質(zhì)層的方法，其特征在于，在第一步驟 中，使用酸槽對(duì)半導(dǎo)體硅襯底進(jìn)行高k前清洗。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于制備高k介質(zhì)層的方法，其特征在于，所述半導(dǎo)體 硅襯底包括N/P阱結(jié)構(gòu)和淺溝槽隔離STI結(jié)構(gòu)。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種用于制備高k介質(zhì)層的方法，包括：第一步驟，用于對(duì)半導(dǎo)體硅襯底進(jìn)行前清洗；第二步驟，用于執(zhí)行SiO2或SiON層生長(zhǎng)；第三步驟，用于沉積高k介質(zhì)層；第四步驟，用于對(duì)高k介質(zhì)層進(jìn)行退火處理，其中將O2、HCl和N2的混合氣作為退火氣體。在第四步驟的退火處理中，工藝溫度為400～800℃，N2流量為10～50Slm，O2流量為1～10Slm，HCl流量為0.02～0.5Slm，工藝時(shí)間為0.2～5min。
【IPC分類】H01L21-762
【公開(kāi)號(hào)】CN104701240
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510149025
【發(fā)明人】肖天金
【申請(qǐng)人】上海華力微電子有限公司
【公開(kāi)日】2015年6月10日
【申請(qǐng)日】2015年3月31日