專利名稱：用于改善等離子氮化柵極電介質(zhì)層中氮分布的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體處理，更具體地，涉及用于改善等離子氮化柵極電介質(zhì)層中的氮分布的方法。
背景技術(shù)：
被用于晶體管制造的柵極電介質(zhì)薄膜經(jīng)常用氮離子被氮化，以提高它們的電容量。這種薄膜中的一小部分氮在被加入到薄膜中之后，在進(jìn)一步處理之前被丟失了。由于工藝延遲中的差異，不同晶片之間總的氮含量可能不同，使得不同晶片的晶體管具有電容量顯著不同的電介質(zhì)層。

發(fā)明內(nèi)容
提供了一種方法，其中，在一個(gè)系統(tǒng)的室中被氮化的柵極電介質(zhì)薄膜隨后在同一系統(tǒng)的另一個(gè)室中被加熱或者“退火”。可以控制處理延遲，使得在系統(tǒng)中被處理的全部晶片經(jīng)歷類似的氮損耗。


參考附圖，以示例的方式進(jìn)一步描述本發(fā)明，附圖中圖1是用于處理襯底的系統(tǒng)的平面圖；圖2是圖示了在被插入圖1的系統(tǒng)之前的晶片襯底的橫截面?zhèn)纫晥D；圖3是圖示了系統(tǒng)被如何操作以將襯底插入其多個(gè)室中的一個(gè)中的流程圖；圖4是具有其中插入襯底的室的快速加熱裝置的橫截面?zhèn)纫晥D；圖5是圖4的裝置的蓋子的仰視圖；圖6是圖示了襯底在圖4的裝置中被如何處理的流程圖；圖7是晶片襯底在圖4的裝置中被處理之后類似于圖2的橫截面?zhèn)纫晥D；圖8是具有其中插入襯底的另一個(gè)室的等離子反應(yīng)器的立體圖；圖9是圖示了圖8的系統(tǒng)的室的橫截面?zhèn)纫晥D；圖10圖示了圖8和圖9的系統(tǒng)如何能夠被用于將氮加入到二氧化硅柵極電介質(zhì)層中；圖11是圖示了不同時(shí)間段之后的氮水平的示圖；圖12是圖示了在比圖1更小的時(shí)間段上經(jīng)過(guò)不同時(shí)間段后的氮水平的示圖；圖13是圖示了當(dāng)在退火步驟中使用不同溫度斜率時(shí)的氮的百分比的示圖；圖14是圖示了當(dāng)類似的薄膜分別在低壓氧環(huán)境和高壓氮環(huán)境中被退火時(shí)的氮的保持率的示圖。
具體實(shí)施例方式
附圖中的圖1圖示了用于處理半導(dǎo)體晶片的系統(tǒng)10。系統(tǒng)10包括工廠集成單元12，第一和第二批量負(fù)載固定(loadlock)組件14A和14B，傳遞室18，第一、第二和第三晶片處理室20A、20B、20C和20D。
各晶片處理室20A、20B或20C直接通到傳遞室18。相應(yīng)的縫隙閥82A、82B和82C被安裝用于打開(kāi)或關(guān)閉傳遞室18與相應(yīng)的一個(gè)晶片處理室20A、20B、20C或20D之間的通路。
機(jī)械手84位于傳遞室18內(nèi)。機(jī)械手84具有鏟86，當(dāng)機(jī)械手84被操作時(shí)，鏟86可以將晶片從室20A、20B或20C中的一個(gè)傳遞到另一個(gè)?；?8位于室20的每一個(gè)中，晶片可以被鏟86放置在該基座88上。
圖2圖示了在被插入系統(tǒng)10之前的襯底60。襯底60由硅制成，具有外延硅形成的上層，該層已經(jīng)被清潔使得其是暴露的。
控制器(未示出)被用于控制圖1所示的系統(tǒng)10的各種部件。
控制器通常是具有處理器的計(jì)算機(jī)，處理器被編程以執(zhí)行程序，控制系統(tǒng)10的所有部件。程序包括處理器可執(zhí)行代碼，并通常被存儲(chǔ)在盤或者其他計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)上，然后被加載進(jìn)計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器中，計(jì)算機(jī)的處理器從該存儲(chǔ)器處讀取并執(zhí)行程序，以控制系統(tǒng)10的部件。從下面的討論中，程序的具體特征以及它是如何編制的，對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)將是明顯的。
圖3是幫助圖示如何操作系統(tǒng)10的流程圖。
縫隙閥42初始時(shí)被關(guān)閉，使得傳遞室18的邊界不與負(fù)載固定室24連通。負(fù)載固定室24初始時(shí)被抽真空，以去除雜質(zhì)。負(fù)載固定室24然后用例如氮?dú)獾亩栊詺怏w回填。縫隙閥82是打開(kāi)的，使得晶片處理室20與傳遞室18連通。傳遞室18和晶片處理室20被例如氮?dú)獾亩栊詺怏w填充。第一負(fù)載固定組件14A的門40是打開(kāi)的。
位于工廠集成單元12中的機(jī)械手(未示出)然后將總共25個(gè)襯底加載到第一負(fù)載固定組件14A中的晶片盒上(步驟1)。門40然后被關(guān)閉，使得襯底被隔離在負(fù)載固定室24中(步驟2)。
縫隙閥42然后被打開(kāi)(步驟7)。機(jī)械手84然后從負(fù)載固定室24中的晶片盒移出一個(gè)襯底，并將該襯底放置在第一晶片處理室20A中?？p隙閥82然后被關(guān)閉，使得晶片處理室20與傳遞室18隔離開(kāi)(少驟9)。
如圖4和圖5所圖示的，晶片處理室20A是冷壁室，并構(gòu)成快速加熱裝置100的一部分。如圖1所示，快速加熱裝置100包括由側(cè)壁114和底壁115包圍的真空處理室20A。側(cè)壁114和底壁115優(yōu)選地由不銹鋼制成。室20A的側(cè)壁114的上部通過(guò)“O”形環(huán)116被密封到窗組件117上。輻射能光導(dǎo)管組件118被布置在窗組件117上方，并耦合到窗組件117上。輻射能組件118包括多個(gè)鎢鹵素?zé)?19，例如Sylvania EYT燈，每個(gè)燈被安裝到可以是不銹鋼、黃銅、鋁或其他金屬的光導(dǎo)管121中。
襯底60在其邊緣通過(guò)由碳化硅制成的支撐環(huán)162被支撐在室20A中。支撐環(huán)162被安裝在可旋轉(zhuǎn)的石英圓柱163上。通過(guò)旋轉(zhuǎn)石英圓柱163，可以使得支撐環(huán)162和襯底60旋轉(zhuǎn)。可以使用附加的碳化硅接合環(huán)來(lái)允許處理不同直徑的晶片(例如，150mm以及200mm)。支撐環(huán)162的外側(cè)邊緣優(yōu)選地從襯底60的外徑伸出不到兩英寸。室20A的容積近似是兩升。
裝置100的底壁115包括鍍金的上表面111，用于將能量反射到襯底60的背面。另外，快速加熱裝置100包括多個(gè)穿過(guò)裝置100的底壁115布置的光纖探頭170，以便在其底部表面上的多個(gè)位置探測(cè)襯底60的溫度。襯底60的背面與反射表面111之間的反射產(chǎn)生了黑體腔，使得溫度測(cè)量與晶片背面的發(fā)射率無(wú)關(guān)，從而提供了精確的溫度測(cè)量能力。
快速加熱裝置100包括穿過(guò)側(cè)壁114形成的氣體入口169，用于將處理氣體注入到室20A中，以使得能夠在室20A中實(shí)施各種處理步驟。耦合到氣體入口169上的是諸如O2之類的含氧氣體的例如罐的源，以及諸如H2之類的含氫氣體的例如罐的源。在側(cè)壁114中，布置在氣體入口169相對(duì)側(cè)上的是氣體出口168。氣體出口168被耦合到真空源，例如泵，以從室20A排出處理氣體，降低室20A中的壓力。在處理期間處理氣體被連續(xù)地送入室中的同時(shí)，真空源保持希望的壓力。
燈119包括被卷成線圈的燈絲，其軸線平行于燈罩的軸線。大多數(shù)光線垂直于軸線朝向周圍的光導(dǎo)管的壁發(fā)射。光導(dǎo)管長(zhǎng)度被選擇為至少與相關(guān)聯(lián)的燈一樣長(zhǎng)。只要到達(dá)晶片的功率不會(huì)由于增加的反射而顯著地衰減，光導(dǎo)管的長(zhǎng)度可以更長(zhǎng)。光組件118優(yōu)選地包括布置成六角形陣列或者“蜂房形”的187個(gè)燈，如圖2所示。燈119被布置成充分覆蓋支撐環(huán)162和襯底60的整個(gè)表面區(qū)域。燈119按區(qū)域分成組，它們可以被獨(dú)立地控制以提供對(duì)襯底60非常均勻的加熱?？梢酝ㄟ^(guò)在各個(gè)熱導(dǎo)管之間流過(guò)例如水的冷卻劑來(lái)冷卻熱導(dǎo)管121。含有多個(gè)光導(dǎo)管121和相關(guān)聯(lián)的燈119的輻射能量源118允許使用薄石英窗來(lái)提供用于對(duì)真空處理室中的襯底進(jìn)行加熱的光端口。
窗組件117包括多個(gè)短光導(dǎo)管141，它們被銅焊接到上/下法蘭盤上，法蘭盤的外邊緣被密封到外壁144上。例如水的冷卻劑可以被注入光導(dǎo)管141之間的空間中，用于冷卻光導(dǎo)管141和法蘭。光導(dǎo)管141對(duì)準(zhǔn)照明器的光導(dǎo)管121。水冷法蘭被夾在兩個(gè)石英窗147和148之間，該法蘭具有與燈殼體對(duì)準(zhǔn)的光導(dǎo)管圖案。在法蘭的圓周附近，這些板用“O”形環(huán)149和151被密封到法蘭上。上和下法蘭盤板含有溝槽，這些溝槽提供了光導(dǎo)管之間的連通。通過(guò)經(jīng)由連接到光導(dǎo)管141中的一個(gè)上，從而又連接到法蘭的其余部分上的管道153進(jìn)行抽氣，可以在多個(gè)光導(dǎo)管141中產(chǎn)生真空。這樣，當(dāng)該夾層結(jié)構(gòu)被放在處理室20A上時(shí)，一般是不銹鋼的并且具有良好機(jī)械強(qiáng)度的金屬法蘭提供了足夠的結(jié)構(gòu)支撐。實(shí)際密封了處理室20A的下石英窗148由于兩側(cè)是真空，所以承受很小的壓差或者沒(méi)承受壓差，因而可以被做得很薄。窗組件117的接合板的原理允許石英窗被容易地更換，用于清洗或者分析。另外，窗組件117的石英窗147和148之間的真空提供了防止有毒氣體從反應(yīng)室漏出的額外水平的保護(hù)。
快速加熱裝置100是能夠以25～100℃/秒的速率傾斜改變襯底60溫度的單晶片反應(yīng)室。因?yàn)樵谘趸に嚻陂g，晶片溫度比室側(cè)壁114的溫度至少高400℃，所以該快速加熱裝置100被稱作“冷壁”反應(yīng)室。加熱/冷卻流體可以被循環(huán)穿過(guò)側(cè)壁114和/或底壁115，以將壁維持在希望的溫度。對(duì)于使用本發(fā)明的現(xiàn)場(chǎng)水汽生成(insitu moisture generation)的蒸氣氧化工藝，室壁114和115被維持在大于室溫(23℃)的溫度，以便防止凝結(jié)?？焖偌訜嵫b置100優(yōu)選地被構(gòu)造為包括負(fù)載固定裝置和具有機(jī)械手的傳遞室的“工具組(cluster tool)”的一部分。
根據(jù)本發(fā)明的快速熱氧化工藝中的水汽或蒸氣的現(xiàn)場(chǎng)生成方法被圖示在圖6的流程圖300中。本發(fā)明的方法將相對(duì)于在圖4和圖5所圖示的快速加熱裝置中的現(xiàn)場(chǎng)水汽生成工藝來(lái)描述。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，本發(fā)明的現(xiàn)場(chǎng)水汽生成氧化工藝可以被用于氧化任何形態(tài)的硅，包括外延的、無(wú)定形的或者多晶的，包括摻雜的以及無(wú)摻雜的形式。另外，該工藝可以被用于鈍化或者氧化其他器件或者電路特征，包括但不限于發(fā)射器和電容器二極管、互連線路和溝槽，以及被用于形成柵極電介質(zhì)層。
如框302中所表示的，根據(jù)本發(fā)明的第一個(gè)步驟是將晶片或者襯底，例如襯底60，移到真空室20A中。如同利用現(xiàn)代工具組的典型情況那樣，襯底60將被機(jī)械手從負(fù)載固定裝置通過(guò)傳遞室被傳遞，并被面向上的放置在位于室20A中的碳化硅支撐環(huán)162上，如圖1所示。襯底60一般將在傳遞壓力近似20托的氮?dú)?N2)氣氛中被傳遞到真空室20A中。室20A然后被封閉。
接著，如在框304中所表示的，通過(guò)經(jīng)由氣體出口168抽空氮?dú)?N2)氣氛，室20A中的壓力被進(jìn)一步降低。室20A被抽空至足夠去除氮?dú)鈿夥盏膲毫?。?0A被抽氣至預(yù)反應(yīng)壓力，該預(yù)反應(yīng)壓力低于將會(huì)發(fā)生現(xiàn)場(chǎng)水汽生成的壓力，優(yōu)選地，室20A被抽氣至小于1托的壓力。
與預(yù)反應(yīng)抽氣同時(shí)地，向燈119提供功率，而燈119照射襯底60和碳化硅支撐環(huán)162，從而將襯底60和支撐環(huán)162加熱到穩(wěn)定溫度。襯底60的穩(wěn)定溫度小于引發(fā)被用于現(xiàn)場(chǎng)水汽生成的含氫氣體和含氧氣體的反應(yīng)所要求的溫度(反應(yīng)溫度)。在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中的穩(wěn)定溫度約為500℃。
一旦達(dá)到了穩(wěn)定溫度和預(yù)反應(yīng)壓力，則室20A被希望的處理氣體的混合物回填，如框306所示。處理氣體包括反應(yīng)物氣體混合物，該混合物含有兩種反應(yīng)物氣體含氫氣體和含氧氣體，它們可以一起反應(yīng)，在400℃到1250℃之間的溫度上，生成水汽(H2O)。含氫氣體優(yōu)選地是氫氣(H2)，但也可以是其他含氫氣體，例如但不限于氨(NH3)、氘(重氫)和例如甲烷(CH4)的烴。含氧氣體優(yōu)選地是氧氣(O2)，但也可以是其他類型的含氧氣體，例如但不限于一氧化二氮(N2O)。如果需要，可以在處理氣體混合物中包括其他氣體，例如但不限于氮?dú)?N2)。含氧氣體和含氫氣體優(yōu)選地在室20A中混合在一起，以形成反應(yīng)物氣體混合物。
接著，如框308中所表示的，給燈119的功率被增加，使得襯底60的溫度傾斜升高到處理溫度。襯底60優(yōu)選地以10℃/秒到100℃/秒之間，優(yōu)選的是至少50℃/秒的速率從穩(wěn)定溫度傾斜變化至處理溫度。本發(fā)明的優(yōu)選處理溫度在600℃到1150℃之間，優(yōu)選的是950℃。處理溫度必須至少在通常是至少600℃的溫度(即，必須至少是可以通過(guò)襯底60引發(fā)含氧氣體與含氫氣體之間的反應(yīng)的溫度)。應(yīng)當(dāng)注意，實(shí)際的反應(yīng)溫度依賴于反應(yīng)物氣體混合物的分壓以及反應(yīng)物氣體混合物的濃度比(concentrationratio)，可以在400℃與1250℃之間。
隨著襯底60的溫度傾斜升高至處理溫度，它經(jīng)過(guò)了反應(yīng)溫度，并引起含氫氣體與含氧氣體的反應(yīng)，以形成水汽或蒸氣(H2O)。由于快速加熱裝置100是“冷壁”反應(yīng)器，所以室20A中足夠熱而引發(fā)反應(yīng)的表面只有襯底60和支撐環(huán)162。這樣，在本發(fā)明中，水汽生成反應(yīng)發(fā)生在距離襯底60表面約1cm附近。在本發(fā)明中，水汽生成反應(yīng)被限定在大約為襯底60的兩英寸的范圍內(nèi)，或者大約為支撐環(huán)162伸出襯底60外側(cè)邊緣的量的范圍內(nèi)。由于是晶片(和支撐環(huán))的溫度引發(fā)或者“開(kāi)啟”水汽生成反應(yīng)，所以該反應(yīng)被稱作是被襯底60(和支撐環(huán)162)的溫度熱控制的。此外，本發(fā)明的水汽生成反應(yīng)被稱作是“表面催化”的，因?yàn)榫谋患訜岜砻鎸?duì)于反應(yīng)的發(fā)生是必需的；但是，它在生成水汽的反應(yīng)中并不被消耗。
接著，如框310所表示的，一旦已經(jīng)達(dá)到了希望的處理溫度，則襯底60的溫度在充足的一段時(shí)間中被保持恒定，以使得從含氫氣體與含氧氣體的反應(yīng)中生成的水汽可以使硅或薄膜氧化，以形成SiO2。襯底60通常將在30秒到120秒之間被保持在處理溫度。處理時(shí)間和溫度一般由所希望的氧化薄膜的厚度、氧化的目的以及處理氣體的類型和濃度來(lái)規(guī)定。
接著，如框312中所表示的，給燈119的功率被降低或者關(guān)閉，以降低襯底60的溫度。襯底60的溫度降低(傾斜下降)得與其能夠冷卻的速度(大約50℃/秒)一樣快。同時(shí)，N2吹掃氣體被送入室20A中。當(dāng)襯底60和支撐環(huán)162降到反應(yīng)溫度以下時(shí)，水汽生成反應(yīng)終止。同樣，是襯底溫度(和支撐環(huán))規(guī)定了水汽反應(yīng)何時(shí)被“開(kāi)啟”或“關(guān)閉”。
接著，如框314中所表示的，室20A被抽氣，優(yōu)選地降到低于1托，以保證在室20A中不存在殘余的含氧氣體和含氫氣體。室然后被N2氣體回填至大約20托的希望的傳遞壓力，襯底60被傳遞出室20A，以完成處理。此時(shí)，新的晶片可以被傳遞進(jìn)入室20A，并重復(fù)在流程圖300中所表示的處理。
再次參考圖1，襯底60然后放置在傳遞室18中。圖7圖示了被移到傳遞室18中之后的襯底60。薄二氧化硅層62被形成在晶片襯底60上。
鏟86立即將襯底60從處理室20A經(jīng)由傳遞室18傳遞到處理室20B中。傳遞時(shí)間一般小于30秒，但是理想地是小于10分鐘，更優(yōu)選地是小于兩分鐘。
如圖8和圖9中所圖示的，氮化處理室20B構(gòu)成等離子反應(yīng)器210的一部分。等離子反應(yīng)器210包括室20B、襯底夾具214、射頻(RF)線圈216和電極板218。
具體參考圖8，等離子反應(yīng)器210還包括下傳遞室226和傳遞機(jī)構(gòu)228。室20B位于傳遞室226的頂部。傳遞室226的內(nèi)部容積230被布置為通過(guò)室20B基底中的圓形開(kāi)口232與室20B的內(nèi)部容積224相連通。襯底夾具214固定在傳遞機(jī)構(gòu)228的頂部，傳遞機(jī)構(gòu)228可以被用于升起或降下襯底夾具214。
使用中，傳遞機(jī)構(gòu)228被操作使得襯底夾具214被降到傳遞室226的內(nèi)部容積230中。然后，位于與機(jī)械手連接的鏟上的晶片襯底60通過(guò)傳遞室226壁中的縫隙閥開(kāi)口被傳遞到內(nèi)部容積230中。傳遞機(jī)構(gòu)228然后被操作以升起襯底夾具214，使得襯底夾具214接觸晶片襯底的下表面，并將晶片襯底升高離開(kāi)鏟。然后鏟從傳遞室226中移走，此后，傳遞機(jī)構(gòu)228再次被操作以將襯底夾具214升起到開(kāi)口232中。位于襯底夾具214上的晶片襯底的上表面于是被暴露于室20B的內(nèi)部容積224。
室20B主要包括導(dǎo)電主體236和電介質(zhì)石英上壁238。導(dǎo)電主體236構(gòu)成了室20B的下部，上壁238構(gòu)成了室20B的上部。導(dǎo)電主體236和上壁238一起界定內(nèi)部容積224。
穿過(guò)導(dǎo)電主體236到內(nèi)部容積224中，形成了四個(gè)氣體噴嘴端口240。氣體噴嘴端口240圍繞襯底夾具214以90°間隔布置。導(dǎo)電主體236還在其一側(cè)上界定有真空抽氣通道242。氣體噴嘴端口240通過(guò)閥被連接到氣體歧管，真空抽氣通道242被連接到泵。當(dāng)泵工作時(shí)，氣體通過(guò)真空抽氣通道242從內(nèi)部容積224中被抽出，以降低內(nèi)部容積224中的壓力?？梢圆僮鏖y以允許氣體通過(guò)閥和氣體噴嘴端口240從歧管進(jìn)入內(nèi)部容積224。
現(xiàn)在更具體地參考圖9，上壁238具有拱形形狀，電極板218具有與上壁238外表面相符合的拱形形狀。電極板218實(shí)際上直接位于上壁238上。電極板218在上壁238中心上方界定有圓形開(kāi)口244。上壁238和電極板218圍繞縱軸246是對(duì)稱的。
線圈216圍繞縱軸246和開(kāi)口244盤旋。線圈216位于電極板218上，并與電極板218的拱形形狀相符合。線圈216的一端連接到RF源250，線圈216的相對(duì)的一端連接到地252。
現(xiàn)在結(jié)合在一起參考圖9和圖10。將晶片襯底插入等離子反應(yīng)器210中的目的是將氮(N)加入到二氧化硅層62中，用于改變或改善其電介質(zhì)特性。在內(nèi)部容積224中產(chǎn)生氮離子等離子體222(N2+)。氮離子具有由等離子體的特性所定義的能量，該能量導(dǎo)致氮離子被加入到二氧化硅層62中。
通過(guò)首先將內(nèi)部容積224中的壓力降低到預(yù)定水平來(lái)產(chǎn)生等離子體。然后將含氮?dú)怏w引入到內(nèi)部容積224中。含氮?dú)怏w例如可以是純氮?dú)?N2)、氮?dú)夂秃獾幕旌衔?N2/He)、氮?dú)夂湍蕷獾幕旌衔?N2/Ne)或者氮?dú)夂蜌鍤獾幕旌衔?N2/Ar)。為了進(jìn)一步討論，給出氣體是純氮?dú)獾氖纠?br> RF源250然后被操作，以向線圈216提供頻率為12.56MHz的RF電流。RF線圈216產(chǎn)生RF場(chǎng)，該RF場(chǎng)通過(guò)電極板218跨過(guò)上壁238傳播。圓形開(kāi)口244允許RF場(chǎng)穿過(guò)上壁238進(jìn)入內(nèi)部容積224。RF場(chǎng)然后與內(nèi)部容積224中的氮?dú)怦詈?。RF場(chǎng)最初激發(fā)少量的自由電子。自由電子然后與其他原子碰撞，以從這些原子中釋放出更多電子。過(guò)程持續(xù)，直到達(dá)到穩(wěn)態(tài)條件，其中等離子體222具有穩(wěn)定數(shù)量的自由電子和自由離子、穩(wěn)定的電子溫度和相對(duì)于地的恒定電壓。于是在內(nèi)部容積224中產(chǎn)生了離子“庫(kù)”，并且等離子體222的電勢(shì)幫助從這個(gè)庫(kù)中將離子加入到二氧化硅層62中。在整個(gè)處理期間，襯底和襯底夾具214的電勢(shì)自由浮動(dòng)，但是等離子體222的電壓與襯底夾具214的電壓是有差異的，該差值驅(qū)動(dòng)離子的加入。襯底溫度被保持在25℃到30℃之間，室20B中的壓力為10毫托左右。
再次參考圖1，襯底60然后在板86上通過(guò)傳遞室18從處理室20B移出，然后立即被移動(dòng)到退火處理室20C中。從處理室20B到退火處理室20C的傳遞一般小于30秒，但是優(yōu)選地是小于10分鐘，更加優(yōu)選地是小于兩分鐘。
圖11圖示了不同時(shí)間段之后剩余的氮。相對(duì)于氮化與后期退火之間的延遲，示出了氮百分比的X射線光電子能譜(XPS)測(cè)量結(jié)果。可以通過(guò)襯底60在室20B中被處理之后立即在室20C中進(jìn)行處理，來(lái)最小化二氧化硅層中的氮的損耗。此外，通過(guò)控制在一個(gè)系統(tǒng)10中的處理，可以控制室20B和室20C中的處理之間的時(shí)間差。例如，如果襯底首先被傳遞到外部環(huán)境中(例如，空氣中)，然后在另一個(gè)系統(tǒng)中被處理，則處理中的時(shí)間差不能被控制。此外，不同的襯底可以不同地被處理，使得在處理中，一個(gè)襯底可以例如具有幾分鐘的延遲，而另一個(gè)襯底可以例如具有幾小時(shí)的延遲。這樣的延遲差異將引起在不同襯底上的不同氮損耗和不同的電介質(zhì)層電容。
處理室20C可以構(gòu)成與圖4所示的裝置完全相同的裝置的一部分。氫氣被引入到處理室20C中。在另一個(gè)實(shí)施例中，可以使用氮?dú)饣蛘咂渌麣怏w。處理室20C中的熱量對(duì)電介質(zhì)層進(jìn)行“退火”。最佳的溫度可以在700℃到1100℃之間。在本示例中，溫度大約是1000℃，壓力在0.5托到5托之間。襯底被退火大約15秒。電介質(zhì)層退火的效果是氮損耗被大大降低了。代替地，襯底可以從處理室20B直接被傳遞返回處理室20A，電介質(zhì)層可以在這里被退火。可以在系統(tǒng)中的另一個(gè)室中，例如室20D中，實(shí)施進(jìn)一步的處理，例如形成多晶硅柵極電介質(zhì)層，或者襯底60可以被移出系統(tǒng)。因?yàn)樘幚碇g的時(shí)間被控制并且是可重復(fù)的，所以不同的晶片將具有電容類似的電介質(zhì)層。襯底以圖3中所示順序的相反順序被移出。
相信由于薄膜中的氮與薄膜上方的氣體之間的化學(xué)不平衡，SiOxNy薄膜頂部部分中的氮首先離開(kāi)薄膜。離最終的晶體管溝道最遠(yuǎn)的氮，即在頂部表面的氮，也是最重要要被保持的。保留頂部表面的氮改善了氮分布，并潛在地改善了電介質(zhì)性能。薄膜頂部的氮的損耗可以在一個(gè)工藝中被降低，該工藝降低氮丟失的總量。
例如，圖12圖示出在等離子氮化之后的第一個(gè)五分鐘期間，最多的氮被丟失。在等離子氮化之后的第一個(gè)兩分鐘之內(nèi)，優(yōu)選地在第一分鐘之內(nèi)的退火步驟可以極大地降低總的氮丟失，尤其是在薄膜頂部的氮丟失。
溫度斜率也可以影響氮的丟失，如圖13所示。溫度斜率優(yōu)選地高于60℃/s，以最小化達(dá)到大于800℃的溫度的時(shí)間，并從而最小化任何潛在的氮丟失。
如圖14所示，在其中實(shí)施退火步驟的壓力和環(huán)境也可以顯著地影響薄膜中的氮保持率的大小。在0.5托的氧環(huán)境中實(shí)施的退火產(chǎn)生8.3％的氮保持率，而在100托的氮?dú)夥罩袦囟戎挥?00℃的退火在薄膜中產(chǎn)生大約8.45％的氮保持率。相信氮?dú)夥蘸透叩膲毫@兩者在薄膜中的氮與薄膜上方的氣體之間產(chǎn)生較低的化學(xué)不平衡，相應(yīng)地具有氮從薄膜中丟失的較低的比率。對(duì)在100托的氮環(huán)境中不同溫度處的氮保持率的歸納顯示出在1000℃溫度處100托的氮環(huán)境中實(shí)施的退火步驟可以產(chǎn)生約8.6％的氮保持率。在另一個(gè)實(shí)施例中，壓力可以至少是50托。在另一個(gè)實(shí)施例中，室20C可以具有至少是50％體積的氮。
雖然已經(jīng)在附圖中示出并描述了本發(fā)明的某些示例實(shí)施例，但是應(yīng)當(dāng)理解，這些實(shí)施例僅僅是示例性的，而非對(duì)本發(fā)明的限定，并且因?yàn)楸绢I(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以想到各種修改，所以本發(fā)明并不限于所示出和描述的特定結(jié)構(gòu)和安排。
權(quán)利要求
1.一種處理襯底的方法，包括當(dāng)所述襯底位于系統(tǒng)的氮化室中時(shí)，將氮加入到形成在所述襯底上的柵極電介質(zhì)層中；在不將所述襯底傳遞出所述系統(tǒng)的情況下，將所述襯底傳遞到所述系統(tǒng)的退火室中；以及當(dāng)在所述退火室中時(shí)，通過(guò)將所述襯底加熱到比所述襯底在所述氮化室中的溫度高的溫度，退火所述柵極電介質(zhì)層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在所述氮被加入之后的五分鐘之內(nèi)，所述襯底被退火。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，在所述氮被加入之后的兩分鐘之內(nèi)，所述襯底被退火。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，在所述氮被加入之后的一分鐘之內(nèi)，所述襯底被退火。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述襯底在所述退火室中的溫度斜率至少是60℃/秒。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述退火室是冷壁室。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述襯底在所述退火室中被加熱到至少800℃。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述襯底在所述退火室中被加熱到至少800℃。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，當(dāng)被退火時(shí)，所述電介質(zhì)層被暴露給氮?dú)饣蛘哐鯕狻?br> 10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，所述電介質(zhì)層暴露到的氣體包括至少50％體積的氮。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，所述退火室中的壓力至少為50托。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述退火室中的壓力至少為50托。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在所述氮被加入之后的五分鐘之內(nèi)，所述電介質(zhì)層被退火，所述退火室中的所述襯底的溫度斜率至少是60℃/秒，并且當(dāng)所述電介質(zhì)層被退火時(shí)，所述退火室至少部分地用氮?dú)馓畛洹?br> 14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，通過(guò)將所述電介質(zhì)層暴露給氮等離子體，所述氮被加入。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述電介質(zhì)層是二氧化硅。
16.一種處理襯底的方法，包括將氮加入到形成在所述襯底上的柵極電介質(zhì)層中；以及在所述氮被加入之后的兩分鐘之內(nèi)，通過(guò)將所述襯底加熱到比當(dāng)加入氮時(shí)所述襯底的溫度高的溫度，退火所述柵極電介質(zhì)層。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，在所述氮被加入之后的一分鐘之內(nèi)，所述襯底被退火。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述襯底在所述退火室中的溫度斜率至少是60℃/秒。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，當(dāng)被退火時(shí)，所述電介質(zhì)層被暴露給氮?dú)狻?br> 20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述退火室中的壓力至少為50托。
21.一種用于處理半導(dǎo)體晶片的系統(tǒng)，包括傳遞室；在所述傳遞室中的機(jī)械手；通到所述傳遞室的氮化室；通到所述傳遞室的退火室；和控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)被編程以(i)用所述機(jī)械手將晶片傳遞到所述氮化室中，(ii)在所述氮化室中，將氮加入到形成在每個(gè)晶片上的電介質(zhì)層中，(iii)用所述機(jī)械手將每個(gè)相應(yīng)的晶片從所述氮化室經(jīng)由所述傳遞室傳遞到所述退火室中，以及(iv)在所述退火室中退火所述電介質(zhì)層。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種方法，其中，在一個(gè)系統(tǒng)的室中被等離子氮化的柵極電介質(zhì)薄膜隨后在同一系統(tǒng)的另一個(gè)室中被加熱或“退火”?？梢钥刂铺幚硌舆t，使得在系統(tǒng)中被處理的全部晶片經(jīng)歷類似的氮含量。
文檔編號(hào)H01L29/78GK1656604SQ03811926
公開(kāi)日2005年8月17日 申請(qǐng)日期2003年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月12日
發(fā)明者克里斯托弗·S·奧爾森 申請(qǐng)人:應(yīng)用材料公司