[发明专利]等离子氮化处理装置、栅介质层制作方法及设备

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

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)。

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，MOS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硅衬底，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；薄的二氧化硅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。

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。

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。

一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，

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SiO₂介质层

2.氮掺杂：采用去耦等离子氮化工艺(Decoupled Plasma Nitridation:DPN)对SiO₂介质进行氮的掺杂，该步骤的工艺温度为室温；

3.退火工艺：采用氮化后退火工艺(PNA，Post Nitridation Anneal)稳定氮掺杂及修复介质层中的等离子体损伤。

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

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。

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℃～0℃。

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。

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。