用于制备高k介质层的方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及半导体制造领域，更具体地说，本发明设及一种用于制备高k(高介电 常数）介质层的方法。
【背景技术】
[0002] 随着超大规模集成电路（VLSI)和特大规模集成电路扣LSI)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，器件中栅氧 化层的厚度不断地降低。然而，随之而来的两个问题成为了阻碍集成电路进一步发展的重 要因素：漏电和击穿。当栅氧化层的厚度低于20A，由于量子隧道效应，载流子能流过该个 超薄栅介质，并且载流子隧穿几率随着氧化层的厚度的减少按指数规律上升。当集成电路 中MOS阳T工作时，电荷流过器件导致在栅介质层和Si02/Si界面产生缺陷，当临界缺陷密 度达到时，栅介质层发生击穿，导致器件失效。当技术节点到45纳米W下，传统的SiON栅 介质已经不能满足器件的漏电和击穿要求，不仅由于漏电过大导致器件无法正常工作，而 且经时击穿（TDDB)不能满足可靠性要求。
[0003] 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。
[0004] Id~y/Lg*C"(VDD-VTH)2
[0005] C〇x= kA/d
[0006] 其中Id为驱动电流，y为载流子迁移率，Lg为栅极长度，C。为栅电容，Vdd为工作 电压，V?为阔值电压，k为栅极介质层介电常数，A为器件面积，d为栅极介质层厚度。
[0007] 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 密度和加强经时击穿（TDDB)可靠性要求，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传统的氮氧化娃（SiON) 的介电常数。因此在45纳米技术节点W下，迫切需要采用新型的高k栅介质如Hf基、Zr或 A1的氧化物来取代SiON。
[000引由于高k栅介质材料主要W金属氧化物为主，在制备过程中必定有氧的存在，而 氧与娃的反应会在高k介质层与娃衬底之间形成二氧化娃或娃化物的界面氧化层，由于该 氧化层的存在使得氧化物等效厚度巧0T)的缩小变得困难。为了抑制该氧化层的生成，需 要在高k介质层沉积之前生长一层高品质的超薄Si02或SiON层。
[0009] 高k栅介质常用的制备流程为；首先进行前清洗；随后执行超薄Si02或SiON层生 长；此后进行高k介质层沉积；随后执行高k介质层后退火处理（PostAnneal)，其中将馬、 馬0、NO、〇2或其混合气作为退火气体。
[0010] 但是，现有技术的高k栅介质的制备方法中，高k介质层和高k界面层中的金属离 子浓度偏高，而且高k界面层中存在缺陷。
【发明内容】
[0011] 本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在上述缺陷，提供一种能够降低 高k界面层中的金属离子浓度偏高并且消除高k界面层中存在缺陷的用于制备高k介质层 的方法。
[0012] 为了实现上述技术目的，根据本发明，提供了一种用于制备高k介质层的方法，包 括；第一步骤，用于对半导体娃衬底进行前清洗；第二步骤，用于执行Si〇2或SiON层生长； 第S步骤，用于沉积高k介质层；第四步骤，用于对高k介质层进行退火处理，其中将化、HC1 和馬的混合气作为退火气体。
[0013] 优选地，所述高k介质层为高k栅极介质层。
[0014] 优选地，工艺温度为600°C，馬流量为20Slm，〇2流量为5Slm，肥1流量为0.ISlm， 工艺时间为0. 5min。
[0015] 优选地，第S步骤沉积的高k介质层的厚度介于20A至60A,之间。
[0016] 优选地，第S步骤沉积的高k介质层的厚度为40A。
[0017] 优选地，高k介质层为Hf〇2层、ZrO2层或A12〇3层；
[0018] 优选地，第二步骤生长的Si〇2或SiON层的厚度介于5A至15A之间。
[0019] 优选地，第二步骤生长的Si〇2或SiON层的厚度为8A。
[0020] 优选地，在第一步骤中，使用酸槽对半导体娃衬底进行高k前清洗。
[0021] 优选地，所述半导体娃衬底包括N/P阱结构和浅沟槽隔离STI结构。
[0022] 本发明在高k介质层后退火处理中引入肥1来降低高k界面层中的金属离子（化+ 和K+等金属离子）浓度和修复高k介质层中的缺陷，并且同时还能降低高k界面层中Si/ Si化界面的界面态。而且，Cl离子能够与高k界面层中化/K离子反应并W气态形式挥发， 达到降低化/K离子浓度的效果；C1离子能够消除界面层中Si/Si化界面处的悬挂键，达到 降低Si/Si〇2界面态的效果。
【附图说明】
[0023] 结合附图，并通过参考下面的详细描述，将会更容易地对本发明有更完整的理解 并且更容易地理解其伴随的优点和特征，其中：
[0024] 图1示意性地示出了根据本发明优选实施例的用于制备高k介质层的方法的流程 图。
[0025] 需要说明的是，附图用于说明本发明，而非限制本发明。注意，表示结构的附图可 能并非按比例绘制。并且，附图中，相同或者类似的元件标有相同或者类似的标号。
【具体实施方式】
[0026] 为了使本发明的内容更加清楚和易懂，下面结合具体实施例和附图对本发明的内 容进行详细描述。
[0027] 图1示意性地示出了根据本发明优选实施例的用于制备高k介质层的方法的流程 图。例如，所述高k介质层为高k栅极介质层。
[002引如图1所示，根据本发明优选实施例的用于制备高k介质层的方法包括：
[0029] 第一步骤Sl，用于对半导体娃衬底进行前清洗；优选地，对半导体娃衬底使用酸 槽进行高k前清洗；例如，所述半导体娃衬底包括N/P阱结构和浅沟槽隔离STI结构，由此 可W后续进行高k栅极介质层的形成；
[0030]第二步骤S2,用于执行超薄Si〇2或SiON层生长；优选地，SiO2或SiON层的厚度 介于5A至15A之间；进一步优选地，si〇2或siON层的厚度为8A;
[003U具体地，例如，在第二步骤S2中，利用原位水汽生成工艺（in-s;Uusteam generation,ISSG)生长SiON层，其中工艺温度为900°C，工艺气体为N2O+H2+N2。
[003引 例如，在第二步骤S2中，利用DPN(DecoupledPlasmaNitridation)工艺生长 SiON层，其中工艺条件为ePRF900W，工艺气体为馬。
[003引 例如，在第二步骤S2中，利用PNA(PostNitridationAnneal)工艺生长SiON层， 其中工艺温度为ll00°C，工艺气体为馬0+馬。
[0034] 第S步骤S3,用于沉积高k介质层；优选地，高k介质层为Hf〇2层、Zr〇2层或A12〇3 层。而且，优选地，高k介质层的厚度介于20A至60A之间。进一步优选地，高k介质层的 厚度为40A。
[003引第四步骤S4,用于对高k介质层进行退火处理，其中将02、肥1和N2的混合气作为 退火气体。优选地，在退火处理中，工艺温度为600°C，馬流量为20Slm，02流量为5Slm，肥1 流量为0.ISlm，工艺时间为0. 5min。
[0036] 本发明在高k介质层后退火处理中引入肥1来降低高k界面层中的金属离子（化+ 和K+等金属离子）浓度和修复高k介质层中的缺陷，并且同时还能降低高k界面层中Si/ Si化界面的界面态值it)。而且，Cl离子能够与高k界面层中化/K离子反应并W气态形式 挥发，达到降低化/K离子浓度的效果；C1离子能够消除界面层中Si/Si化界面处的悬挂键， 达到降低Si/Si〇2界面态的效果。
[0037] 此外，需要说明的是，除非特别说明或者指出，否则说明书中的术语"第一"、"第 二"、"第立"等描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个 组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。
[003引可W理解的是，虽然本发明已W较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用W限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下， 都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等 同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对 W上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围 内。
【主权项】
1. 一种用于制备高k介质层的方法，其特征在于包括： 第一步骤，用于对半导体硅衬底进行前清洗； 第二步骤，用于执行3102或SiON层生长； 第三步骤，用于沉积高k介质层； 第四步骤，用于对高k介质层进行退火处理，其中将02、HC1和队的混合气作为退火气
2. 根据权利要求1所述的用于制备高k介质层的方法，其特征在于，所述高k介质层为 高k栅极介质层。
3. 根据权利要求1或2所述的用于制备高k介质层的方法，其特征在于，在第四步骤的 退火处理中，工艺温度为400~800°C，N2流量为10~50Slm，0 2流量为1~lOSlm，HC1流 量为0. 02~0. 5Slm，工艺时间为0. 2~5min;优选地，工艺温度为600°C，N2流量为20Slm， 〇2流量为5Slm，HC1流量为0?lSlm，工艺时间为0? 5min。
4. 根据权利要求1或2所述的用于制备高k介质层的方法，其特征在于，第三步骤沉积 的高k介质层的厚度介于2〇A。至之间。
5. 根据权利要求3所述的用于制备高k介质层的方法，其特征在于，第三步骤沉积的高 k介质层的厚度为40A。
6. 根据权利要求1或2所述的用于制备高k介质层的方法，其特征在于，高k介质层为 Hf02层、ZrO2层或A1 203层。
7. 根据权利要求1或2所述的用于制备高k介质层的方法，其特征在于，第二步骤生长 的3102或51(^层的厚度介于5A.至15A.之间。
8. 根据权利要求1或2所述的用于制备高k介质层的方法，其特征在于，第二步骤生长 的3102或SiON层的厚度为8人。
9. 根据权利要求1或2所述的用于制备高k介质层的方法，其特征在于，在第一步骤 中，使用酸槽对半导体硅衬底进行高k前清洗。
10. 根据权利要求1或2所述的用于制备高k介质层的方法，其特征在于，所述半导体 硅衬底包括N/P阱结构和浅沟槽隔离STI结构。
【专利摘要】本发明提供了一种用于制备高k介质层的方法，包括：第一步骤，用于对半导体硅衬底进行前清洗；第二步骤，用于执行SiO2或SiON层生长；第三步骤，用于沉积高k介质层；第四步骤，用于对高k介质层进行退火处理，其中将O2、HCl和N2的混合气作为退火气体。在第四步骤的退火处理中，工艺温度为400～800℃，N2流量为10～50Slm，O2流量为1～10Slm，HCl流量为0.02～0.5Slm，工艺时间为0.2～5min。
【IPC分类】H01L21-762
【公开号】CN104701240
【申请号】CN201510149025
【发明人】肖天金
【申请人】上海华力微电子有限公司
【公开日】2015年6月10日
【申请日】2015年3月31日