专利名称：一种高介电栅介质及其制备方法
技术领域：
本发明属于半导体集成电路制造工艺技术领域，具体涉及一种超薄高介电栅介质(high-k dielectric)。
人们首先想到的是氮化硅。对SiO2和与之密切相关的SiON而言，界面陷阱和体内陷阱通常是1010cm-2eV-1和1010cm-2数量级，电荷诱捕(traps)和栅介质的可靠性是非常重要的考虑因素；与硅有关的热稳定性也是一个重要的考虑因素，因为高温退火通常用于源漏和多晶硅的掺杂激活。有关文献报道了先氧化硅后氮化硅栅介质结构，采用炉子生长(LPCVD)，并先后在氨气(NH3)和笑气(N2O)中退火(800-1000℃)，其结果令人鼓舞。生产上的可行性，即低的漏电流，硼穿透的抑制，可比拟的载流子迁移率，是显而易见的。对等价氧化物厚度为1.4nm的CVD氮化硅Si3N4而言，其漏电流小两个数量级。硼的穿透完全被氧化硅上的氮化物所抑制。优化后的迁移率可达热氧化硅的值，从而使饱和电流也与热氧化硅可比。然而氮化物的介电常数不够高(K-8)，对SiO2等价电学厚度1.0-1.4nm的器件而言难以胜任，所以还需寻求更高介电常数的栅介质材料。
本发明的目的在于提出一种具有更高介电常数的栅介质材料及其制备方法，从而使SiO2等价电学厚度延伸至1.0-1.4nm或更小。
本发明提出的高介电常数栅介质材料，是一种SiON-SiN掺杂高介电元素所形成的SiON-SiNX(亦记为Si-N-X)高介电栅介质，其中X为掺杂的高介电元素如Ba、Ta、Sr之一种。
上述高介电栅介质可在低压高真空快速热生长炉子(LPCVD)里完成高介电栅介质制备，具体步骤如下1)先用NO气体生长SiON界面层；2)再用DCS(SiH2Cl2)、NH3和掺杂剂生长高介电层Si-N-X，X为Ba、Ta、Sr等；3)然后，在原位用NH3退火；4)最后，在原位用N2O退火；上述用快速热生长炉子和NO气体生长SiON界面层，炉子腔内温度为700-900℃，气压为80-120Torr，NO为1.5-2.5slm(升/每分钟)，生长时间6-10秒；上述用快速热生长炉子和掺杂方法热生长高介电层Si-N-X(X为Ba，Ta，Sr等)的具体参数如下炉子腔内温度600-900℃，气压为200-270mTorr，DCS为35-55sccm(立方厘米/每分钟)、NH3为160-200sccm，掺杂剂(如BaCH2)15-25sccm，生长时间15-25秒；上述用快速热生长炉子和NH3进行原位退火，以消除堆层缺陷，具体参数如下NH3流量为1.5-2.5slm，温度为800-1000℃，气压为450-550Torr，时间各为25-35秒；上述用快速热生长炉子和N2O进行原位退火，以消除堆层缺陷，具体参数如下N2O流量为1.5-2.5slm，温度为800-1000℃，气压为450-550Torr，时间各为25-35秒。
在具体制备之前，先对硅片表面进行清洗1)金属污染用UVCl2(紫外光激活氯气)去除；2)硅表面自然氧化层用HF-Me(氢氟酸-甲醇)去除，以上清洗过程可在高真空(本底真空-10-6Torr)清洗腔完成。
本发明用4步法生长高介电堆层SiON-SiNX(X为Ba、Ta、Sr等)，采用低压快速热生长炉子(LPCVD)生长，具有低的漏电流、抑制硼穿透、可比拟的载流子迁移率、稳定性好和产额高。本工艺成熟，操作简便，很适合于大生产。本发明的特点是通过掺杂Ba、Ta或Sr等高介电元素来延长SiON-Si3N4堆层的使用寿命。
2、SiON界面层生长清洗后的硅片放入低压快速热生长炉子(LPCVD)，生长界面层SiON，控制腔内温度为800℃左右，气压为100Torr左右，NO 2slm(升/每分钟)左右，生长时间8秒左右；3、高介电层Si-N-X淀积采用快速热生长炉子(LPCVD)生长高介电层Si-N-X(X为Ba、Ta、Sr等)，控制腔内温度为750℃左右，气压为235mTorr左右，DCS45sccm(立方厘米/每分钟)，NH3180sccm和掺杂剂(如BaCH2)20sccm，生长时间20秒左右。
4、NH3和N2O原位退火紧接着在快速热生长炉子(LPCVD)先用NH32slm，后用N2O2slm气体进行原位退火，控制腔内温度为900℃，气压为500Torr，时间各为30秒。
即可得到所需的超薄高介电栅介质材料。
权利要求
1.一种高介电栅介质，其特征在于由SiON-SiN掺杂高介电元素所形成的SiON-SiNX高介电栅介质，X为所掺杂的高介电元素Ba，、Ta，、Sr。
2.一种如权利要求1、2所述的高介电栅介质的制备方法，其特征在于在快速热生长炉子(LPCVD)里进行，具体步骤为1)先用NO气体生长SiON界面层；2)再用DCS(SiH2Cl2)、NH3和掺杂剂生长高介电层Si-N-X，X为Ba、Ta、Sr；3)然后，在原位用NH3退火；4)最后，在原位用N2O退火。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于用快速热生长炉子和NO气体热生长SiON界面层时，控制炉子腔内温度为700-900℃，气压为80-120Torr，NO为1.5-2.5slm(升/每分钟)，生长时间6-10秒。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于用快速热生长炉子和掺杂方法生长高介电层Si-N-X的具体参数如下控制炉子腔内温度为600-900℃，气压为200-270mTorr，DCS为35-55sccm(立方厘米/每分钟)、NH3为160-200sccm，掺杂剂为15-25sccm，生长时间为15-25秒。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于用快速热生长炉子和NH3进行原位退火，以消除堆层缺陷的具体参数如下控制NH3流量为1.5-2.5slm，温度为800-1000℃，气压为450-550Torr，时间为25-35秒。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于用快速热生长炉子和N2O进行原位退火，以消除堆层缺陷的具体参数如下控制N2O流量为1.5-2.5slm，温度为800-1000℃，气压为450-550Torr，时间为25-35秒。
全文摘要
本发明属于半导体集成电路制造工艺技术领域，具体涉一种超薄Si－N－X高介电栅介质材料及其制备方法。随着器件尺寸的不断缩小，当栅氧厚度＜1.4nm时，SiON－Si
文档编号H01L21/285GK1450603SQ0311693
公开日2003年10月22日 申请日期2003年5月15日 优先权日2003年5月15日
发明者缪炳有, 徐小诚 申请人:上海集成电路研发中心有限公司, 上海华虹(集团)有限公司