[发明专利]利用三氟化氮抑制高介电常数栅介质层和硅衬底之间界面层生长的方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体集成电路工艺技术领域，具体涉及一种抑制高介电常数栅介质层和硅衬底之间界面层生长的方法。 

背景技术

随着MOS （金属-氧化物-半导体，MOS是Metal-Oxide- Semiconductor的缩写）器件特征尺寸的不断缩小, 二氧化硅（SiO₂）栅介质层也按照等比例缩小的原则变得越来越薄，当SiO₂栅介质层薄到一定程度后,其可靠性问题,尤其是与时间相关的击穿及栅电极中的杂质向衬底的扩散等问题,将严重影响器件的稳定性和可靠性。现在，在MOS集成电路工艺中广泛采用高k栅介质层来取代SiO₂栅介质层，以增大电容密度和减小栅极泄漏电流。高k材料因具有大的介电常数值，可实现在与SiO₂具有相同等效栅氧化层厚度(Equivalent Oxide Thichness，EOT)的情况下，其实际厚度比SiO₂大的多，从而解决了SiO₂因接近物理厚度极限而产生的问题。 

然而用高k材料取代SiO₂作为MOS器件的栅介质层并不只是简单的替代问题。用高k材料替代SiO₂作为栅介质层时，基本上所有的高k材料薄膜生长工艺都会在薄膜生长期间或者淀积后的退火过程中引入高k材料层和硅衬底之间的界面层。界面层的出现是由于在薄膜生长过程中有多余的氧，这些氧首先穿过高k材料层对硅衬底的表面进行氧化，接着硅扩散进高k薄膜形成硅酸盐层。有些硅酸盐层在高温的淀积后退火中是不稳定的，因此发生相位分离而产生了界面层。对于用溅射方法淀积的薄膜而言，这种现象尤其明显，因为在薄膜淀积过程中会产生许多活性基团，这些基团将与硅衬底发生反应，生成很厚的界面层。高k栅介质层和硅衬底之间的界面层的存在阻碍了等效氧化层厚度的进一步减小。 

发明内容

本发明的目的在于提出一种可抑制高k栅介质层和硅衬底之间界面层生长的方法，以减小等效氧化层厚度、提高器件的性能。 

本发明提出抑制高介电常数（高k）栅介质层和硅衬底之间界面层生长的方法，利用三氟化氮（NF₃），具体步骤为： 

清洗硅衬底并对硅衬底进行干燥处理；

用三氟化氮等离子体对干燥后的硅衬底表面进行处理；

在经过三氟化氮等离子体处理后的硅衬底表面生长一层高介电常数栅介质层。

如上所述的利用NF₃抑制高介电常数栅介质层和硅衬底之间界面层生长的方法，所述的用三氟化氮等离子体对硅衬底表面进行处理，具体是将硅衬底放入反应设备中，然后向反应设备中通入三氟化氮气体，并通过直流放电或者交流放电的方法产生三氟化氮等离子体对硅衬底表面进行处理。反应设备比如为等离子体增强化学气相沉积（PECVD）设备、磁控溅射设备、等离子体刻蚀设备等。 

如上所述的利用NF₃抑制高介电常数栅介质层和硅衬底之间界面层生长的方法，所述的用三氟化氮等离子体对硅衬底表面进行处理的时间为1-30分钟。 

本发明在淀积高k栅介质层前先用NF₃等离子体对硅衬底进行预处理，能够有效地防止氧气在硅衬底中的扩散，从而抑制了高k栅介质层和硅衬底之间界面层的生长，降低了高k栅介质层的等效氧化层厚度，使得器件的击穿特性等性能得到改善。另外，氮原子对高k栅介质层中的缺陷以及高k栅介质层和硅衬底的界面陷阱还有很好的钝化作用，这使得器件的电特性等方面的性能也得到了改善。 

附图说明

图1为本发明所提出的利用三氟化氮等离子体对硅衬底表面进行处理的示意图。 

图2-图9为本发明提出的使用三氟化氮等离子体对硅衬底表面进行处理后制备p行沟道MOS晶体管的一个实施例的工艺流程图。 

具体实施方式