[发明专利]栅氧化层的制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种栅氧化层的制造方法。

背景技术

在半导体制造技术中，栅氧化层通常作为介质层，用于实现栅极与衬底之间的电性隔离，栅氧化层的性能通常会直接影响并决定半导体器件的电学特性和可靠性。因此，栅氧化层的制备工艺是半导体制造过程中的关键步骤。

由于半导体器件的特征尺寸持续缩小，栅氧化层的厚度也越来越薄。随着栅氧化层厚度的降低，栅极漏电流会以指数形式增长。另一方面，栅极、栅氧化层和硅衬底之间存在杂质的浓度梯度，随着栅氧化层厚度的不断降低，栅极中掺入的硼等杂质会从栅极扩散到栅氧化层和硅衬底中，这会影响器件的阈值电压，从而影响器件的性能。因此，对于薄型栅氧化层而言，如何保持低的漏电流和高的可靠性是非常重要的技术问题。

为此，通常在制备栅氧化层的过程进行氮掺杂使氮元素扩散进入SiO₂栅氧化层中使之成为致密的SiON栅氧化层。掺入氮元素的栅氧化层具有相对较高的介电常数，能有效阻挡来自P+多晶的硼扩散，解决硼穿透问题，同时分布于栅氧化层与硅衬底界面的少量氮原子还可改善此界面的特性，增强栅氧化层的可靠性，降低漏电流。

目前，业界有三种工艺方法实现栅氧化层的氮掺杂，以形成SiON栅氧化层。第一种工艺方法是在栅氧化层的生长过程中通入NO等含氮气体，在栅氧化层的生长过程中直接掺入氮。第二种工艺方法是让生长完成后的SiO₂栅氧化层在含有N₂O的气氛中进一步退火而掺入氮。第三种工艺方法是通过等离子体实现氮掺杂，即在SiO₂栅氧化层生长结束之后通过等离子体氮化技术让生长完成后的SiO₂栅氧化层掺入氮。其中，第一种工艺方法和第二种工艺方法均属于高温氮掺杂，掺入的氮元素浓度比较低且均匀性不易控制。第三种工艺方法的温度比较低，掺入的氮元素浓度比较高，而且氮元素主要分布于栅氧化层的上表面，远离栅氧化层与硅衬底的界面，是目前业界广泛采用的栅氧化层的制造方法。

通过等离子体实现氮掺杂的具体工艺过程如下：首先，通过原位水蒸气氧化方法(In-suit SteamGeneration，简称ISSG)在硅衬底上生长SiO₂栅氧化层；接着，通过去耦等离子体氮化(Decoupled Plasma Nitridation，简称DPN)向SiO₂栅氧化层中掺杂氮；最后，采用高温退火工艺(Post Nitridation Anneal，简称PNA)稳定注入SiO₂栅氧化层中的氮原子，并修复晶格损伤。

然而，在通过等离子体实现氮掺杂的工艺过程中，由于注入的氮原子主要分布在栅氧化层的上表面，因此后续的高温退火工艺既容易造成栅氧化层表面的氮原子的挥发，又使得栅氧化层中的氮原子获得能量而继续扩散。可见，采用等离子体氮化技术形成的SiON栅氧化层并不稳定，后续的高温退火工艺会改变SiON栅氧化层中的氮含量。

因此，如何解决现有的栅氧化层的氮含量低或氮含量不稳定的问题成为当前亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种栅氧化层的制造方法，以解决现有技术中栅氧化层掺入的氮含量低或氮含量不稳定的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种栅氧化层的制造方法，所述栅氧化层的制造方法包括：

提供一硅衬底；

对所述硅衬底进行热氧化工艺，以在所述硅衬底的表面上形成二氧化硅栅氧化层；

对所述二氧化硅栅氧化层采用等离子体氮化工艺进行氮注入，以形成氮氧化硅栅氧化层；

对所述氮氧化硅栅氧化层采用高温氮化工艺以修复晶格损伤并形成稳定的Si-N键；

对高温氮化处理后的氮氧化硅栅氧化层采用低温氧化工艺以修复SiO₂/Si之间的界面。

优选的，在所述的栅氧化层的制造方法中，所述热氧化工艺包括快速热处理工艺和/或垂直炉管工艺。

优选的，在所述的栅氧化层的制造方法中，所述快速热处理工艺包括原位水蒸气氧化工艺和/或快速热氧化工艺。

优选的，在所述的栅氧化层的制造方法中，所述原位水蒸气氧化工艺包括以N₂O和H₂为反应气体的一氧化二氮原位水蒸气氧化工艺和/或以O₂和H₂为反应气体的氢气原位水蒸气氧化工艺。