製作基極介電層的方法
2023-07-17 01:38:16 1
專利名稱：製作基極介電層的方法
技術領域：
本發明有關一種製作基極介電層的方法，特別是有關一種藉由遠端等離子體氮化處理法及熱回火處理法製作基極介電層的方法。
(2)背景技術基極介電層在金屬氧化物半導體場效應電晶體(metal oxide semiconductorfield effect transistor；MOSFET)中是非常重要的。為了要增加元件的速度，降低臨界電壓，基極介電層的厚度需要不斷地降低。基極介電層越薄，基極介電層的要求也就越嚴格，好的基極介電層必須具有較低的漏電流(及較高的崩潰電場)。
當基極介電層變薄的時候，對於某一定的操作電壓，其電場強度就增加了。這樣電流就可經由穿遂(Tunneling)的方法產生漏電流或是崩潰。通常檢驗基極介電層的方法為(1)崩潰電壓(Time-zero Dielectric Breakdown，TZDB)加一階梯電壓到試片，直到漏電電流大於某一數值或有一跳躍(jump)電流(稱為崩潰(Breakdown)；(2)崩潰電荷(Charge Breakdown)加一定電流到試片，直到電壓有一跳躍值；(3)基極電壓偏移(Gate Voltage Shift)加一定電流到試片，量測基極電壓的變化量；(4)壽命長短(Life Time)加數個電壓到試片上，量測其崩潰所需的時間，利用外插的方法，預測其壽命長短。
製作基極介電層較為傳統的方法為利用熱氧化法的製程，在底材上形成一氧化物層作為基極介電層。隨著製程寬度越來越小，基極介電層的厚度也需越來越薄，以符合體積較小的半導體元件結構的需求。因此，目前較為新穎的方法為利用遠端等離子體氮氧化物層作為基極介電層，使其在厚度較薄的基極介電層上獲得較高的介電常數，以配合縮小後的半導體元件的需求。
參照圖1所示，此為在底材上形成內部蒸氣產生氧化層(in-situ steamgeneration oxide layer；ISSG oxide layer)的示意圖。首先提供一晶片，該晶片至少包括一底材10。此底材10可為一矽底材。接下來在此底材上形成一內部蒸氣產生氧化層20。此內部蒸氣產生氧化層20為利用一溼氧的製程(wetoxidation procedure)所形成。
參照圖2所示，接下來將晶片送入反應室內進行遠端等離子體氮化處理的製程。利用遠端等離子體氮化處理的製程將氮離子25以等離子體的方式引入內部蒸氣產生氧化層20中而變成遠端等離子體氮氧化物層30(參照圖3所示)。此遠端等離子體氮氧化物層30即可作為基極介電層。氮離子25所引入的深度及所引入的濃度隨著半導體產品的元件需求而改變。
利用遠端等離子體氮化處理法所形成的遠端等離子體氮氧化物層，雖然可在厚度較薄的狀態下得到介電常數較高的性質，以符合基極介電層的需求。但是利用此遠端等離子體氮氧化物層所形成的基極介電層和傳統利用氧化物所形成的基極介電層比較起來，其通道內遷移率(channel mobility)較低，因此容易降低基極介電層的性能，並降低基極介電層的穩定度。半導體元件的品質也將隨著基極介電層的效能及穩定度的降低而降低。
在傳統利用遠端等離子體氮化處理法形成遠端等離子體氮氧化物層作為基極介電層的製程中，需要利用溼氧的製程在底材上形成內部蒸氣產生氧化層，以使經過遠端等離子體氮化處理後的內部蒸氣產生氧化層形成可作為基極介電層的遠端等離子體氮氧化物層。因此容易造成製程步驟的複雜化而降低製程的運作效率。
(3)發明內容由於利用傳統的遠端等離子體氮氧化物層作為基極介電層的方法，容易降低基極介電層的性能與穩定度，進而降低半導體元件的品質與製程運作效率，本發明提供了一種方法，依序藉由遠端等離子體氮化處理法及熱回火處理法處理氧化物層作為基極介電層，以獲得較佳的通道內遷移率。
本發明的第二個目的為依序藉由遠端等離子體氮化處理法及熱回火處理法處理氧化物層作為基極介電層，以提高基極介電層的性能。
本發明的第三個目的為依序藉由遠端等離子體氮化處理法及熱回火處理法處理氧化物層作為基極介電層，以提高基極介電層的穩定度。
本發明的第四個目的為依序藉由遠端等離子體氮化處理法及熱回火處理法處理氧化物層作為基極介電層，以提高半導體元件的品質。
本發明的再一個目的為依序藉由遠端等離子體氮化處理法及熱回火處理法處理氧化物層作為基極介電層，以提高半導體製程的運作效率。
根據以上所述的目的，本發明提供了一種方法，依序藉由遠端等離子體氮化處理法及熱回火處理法處理氧化物層以製作品質良好的基極介電層。本發明首先在晶片底材上形成一基礎氧化物層。此基礎氧化物層為以任何方法所形成的氧化層。接下來利用遠端等離子體氮化處理法將氮離子引入基礎氧化物層中以形成遠端等離子體氮氧化物層作為基極介電層。最後將晶片放置在氧氣或是一氧化氮的環境中，對遠端等離子體氮氧化物層進行熱回火的處理，以提高本發明的基極介電層的通道內遷移率與性能。本發明也可提高基極介電層的穩定度並提高半導體元件的品質。本發明更可提高半導體製程的運作效率並改善通道效應。
(4)
圖1為在底材上形成內部蒸氣產生氧化層的示意圖；圖2為將晶片送入反應室內進行遠端等離子體氮化處理的示意圖；圖3為在底材上形成遠端等離子體氮氧化物層的示意圖；圖4為在底材上形成基礎氧化層的示意圖；圖5為將晶片送入反應室內進行遠端等離子體氮化處理的示意圖；圖6為為在底材上形成遠端等離子體氮氧化物層的示意圖；圖7為對底材上的遠端等離子體氮氧化物層進行氣體熱回火的製程的示意圖；及圖8為以三種方式在底材上形成基極介電層的性能比較示意圖。
(5)具體實施方式
本發明的一些實施例予以詳細描述如下。然而，除了詳細描述外，本發明還可以廣泛地應用在其他的實施例，且本發明的範圍不受其限定，而是以權利要求所限定的專利保護範圍為準。
參照圖4所示，此為在底材上形成基礎氧化層的示意圖。首先提供一晶片，該晶片至少包括一底材100。此底材100可為一矽底材。接下來在此底材上形成一基礎氧化物層200。此基礎氧化物層200可以任何形成氧化物層的方法形成。此基礎氧化物層200的厚度隨著半導體產品的需求而改變。
參照圖5所示，接下來將晶片送入反應室內進行遠端等離子體氮化處理的製程。利用遠端等離子體氮化處理的製程將氮離子250以等離子體的方式植入基礎氧化層200中而變成遠端等離子體氮氧化物層300(參照圖6所示)。此遠端等離子體氮氧化物層300即可作為基極介電層。氮離子250所引入的深度及所引入的濃度隨著半導體產品的需求而改變。在遠端等離子體氮化處理的製程中，反應室內所採用的溫度大約為450至900℃，而最佳的溫度值大約為500℃。反應室內所採用的壓力大約為1至2.2託(torr)，而最佳的壓力值大約為1.3託。進行遠端等離子體氮化處理製程的時間大約為40至120秒，而最佳的處理製程的時間大約為70秒。在遠端氮化處理的製程中，反應室內的氣體並非全部均為氮氣。反應室內的氣體大約含有50％至90％的載流氣體(carrier gas)會伴隨著氮氣分布在反應室中進行遠端等離子體氮化處理製程。在最佳的狀態時，反應室內的氣體大約含有76％的載流氣體以進行遠端等離子體氮化處理製程。通常採用氦氣作為此載流氣體。
參照圖7所示，接下來將晶片放置於一反應室內以進行熱回火的製程。反應室內包括氣體400，此氣體400包括氧氣或是氧化氮氣體。若在反應室內使用氧氣對遠端等離子體氮氧化物層300進行熱回火的製程，則反應室內所採用的溫度大約為600至1000℃。而反應室內最佳的溫度值大約為1000℃。反應室的壓力大約為30至60託，而最佳的壓力值大約為50託。在反應室內利用氧氣對遠端等離子體氮氧化物層300進行熱回火製程的製程時間大約為10至20秒，而最佳的製程時間大約為15秒。反應室內的氧氣的流量大約為每分鐘3至7公升。而反應室內最佳的氧氣流量，大約為每分鐘5公升。
若在反應室內使用一氧化氮對遠端等離子體氮氧化物層300進行熱回火的製程，則反應室內所採用的溫度大約為600至1000℃。而反應室內最佳的溫度值大約為1000℃。反應室的壓力大約為30至60託，而最佳的壓力值大約為50託。在反應室內利用一氧化氮對遠端等離子體氮氧化物層300進行熱回火製程的製程時間大約為10至20秒，而最佳的製程時間大約為15秒。反應室內的氧氣的流量大約為每分鐘1至5公升。最佳的氧氣流量，大約為每分鐘3公升。
未經過熱回火製程的遠端等離子體氮氧化物層，因為通道內遷移率較低，因此，當其作為基極介電層時，容易降低基極介電層的性能，並容易降低基極介電層的穩定度。半導體元件的品質也將隨著基極介電層的效能及穩定度的降低而降低。
經過熱回火製程處理過後的遠端等離子體氮氧化物層，因為在熱回火的製程中，遠端等離子體氮氧化物層與底材間的離子懸浮鍵(dangling bonds)減少，而提高其通道內遷移率。當以此經過熱回火製程處理後的遠端等離子體氮氧化物層作為基極介電層時，可提高基極介電層的性能，並且可同時提高基極介電層的穩定性。因此，半導體元件的品質可隨基極介電層的性能及穩定性的提升而提升。
一般利用未經過熱回火製程處理的遠端等離子體氮化物層作為基極介電層時，因為經過一道遠端等離子體氮化處理的製程，因此其表面品質較差。當在後續形成基極的製程後，此表面品質較差的基極介電層可能會影響基極的性能，進而降低半導體元件的穩定度與品質。利用本發明的遠端等離子體氮氧化物層作為基極介電層時，因為增加了一道熱回火的製程，因此經過遠端等離子體氮化處理的遠端等離子體氮氧化物層的表面可在熱回火的製程中進行修補，使得本發明的基極介電層有較佳的表面品質，因此可提高基極介電層的穩定性並提高半導體元件的品質。
一般作為基極介電層的遠端等離子體氮氧化物層，必須先在底材上以溼式氧化法形成內部蒸氣產生氧化層，接下來才能對此內部蒸氣產生氧化層進行遠端等離子體氮化處理以形成遠端等離子體氮氧化物層作為基極介電層。其規定與製程步驟較為繁雜而降低製程運作的效率。本發明增加了一道熱回火的製程，因此可以各種形成氧化物層的方式在底材上形成基礎氧化物層，諸如快速熱氧化法、乾式氧化法等。隨著產品需求及製程需求的不同，採用不同的方式形成基礎氧化物層。接下來再進行遠端等離子體氮化處理及熱回火的製程以在底材上形成遠端等離子體氮氧化物作為基極介電層。因此，本發明的方法有助於提高製程運作的效率與製程運作的靈活性。
參照圖8所示，此為以三種方式在底材上形成基極介電層的性能比較圖。圖中的橫軸可表示電場的強度，此電場的強度可以電子的數目(Ns)表示，單位為1/cm2。縱軸表示有效的遷移率(effective mobility；Ueff)，單位為cm2/V-sec。圖中三種曲線均是對一厚度為12埃的氧化物層進行處理。三種不同的方式在遠端等離子體氮化處理的製程時的溫度均約為500℃。第一曲線510表示先在底材上形成氧化物層，接下來經過溫度為500℃的遠端等離子體氮化處理製程後即形成基極介電層。第一曲線510並未經過熱回火的製程。第二曲線520表示先在底材上形成氧化物層，接下來經過溫度為500℃的遠端等離子體氮化處理製程，最後在一包括氧氣的反應室內進行熱回火的製程。第三曲線530表示先在底材上形成氧化物層，接下來經過溫度為500℃的遠端等離子體氮化處理製程，最後在一包括一氧化氮氣體的反應室內進行熱回火的製程。
由圖8中可得知，在相同電場強度的下，第三曲線530所表現出的有效遷移率最高。而第一曲線所表現出的有效遷移率最低。由此可得知當氧化物層經過遠端等離子體氮化處理及一氧化氮的熱回火製程後，可得到最高的有效遷移率。而基極介電層的有效遷移率越高則代表基極介電層的效能越好。因此採用此方法所形成的基極介電層有最高的性能。當氧化物層經過遠端等離子體氮化處理及氧氣的熱回火製程後，可得到次高的有效遷移率。因此採用此方法所形成的基極介電層有次高的性能。
故在使用遠端等離子體氮氧化物層作為基極介電層時，利用本發明的方法對遠端等離子體氮氧化物層進行熱回火的製程，可提升基極介電層的性能與穩定性。而就熱回火的製程而言，採用一氧化氮的環境對遠端等離子體氮氧化物層進行熱回火的製程所得到的基極介電層比採用氧氣的環境對遠端等離子體氮氧化物層進行熱回火的製程所得到的基極介電層，具有較佳的性能。因此，當利用遠端等離子體氮氧化物層作為基極介電層時，採用一氧化氮的環境對遠端等離子體氮氧化物層進行熱回火的製程，可得到最佳品質的基極介電層。
綜合上述，本發明提供了一種方法，依序藉由遠端等離子體氮化處理法及熱回火處理法處理氧化物層以製作品質良好的基極介電層。本發明首先在晶片底材上形成一層氧化物層。此氧化物層為以任何方法所形成的基礎氧化層。接下來利用遠端等離子體氮化處理法將氮離子引入氧化物層中以形成遠端等離子體氮氧化物層作為基極介電層。最後將晶片放置在氧氣或是一氧化氮的環境中，對遠端等離子體氮氧化物層進行熱回火的處理，以提高本發明的基極介電層的通道內遷移率與性能。本發明也可提高基極介電層的穩定度並提高半導體元件的品質。本發明更可提高半導體製程的運作效率及靈活性。
以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，此實施例僅是用來說明而非用以限定本發明的專利保護範圍。在不脫離本發明的實質內容的精神的情況下仍可予以變化而加以實施，此等變化應仍屬本發明的範圍。因此，本發明的範圍是由權利要求所界定。
權利要求
1.一種製作一基極介電層的方法，其特徵在於，包括提供一晶片，該晶片包括一底材；形成一基礎氧化物層於該底材上；引入一氮離子於該基礎氧化物層內；及放置該晶片於一反應室中進行一熱回火製程，該反應室內包括一種氣體。
2.如權利要求1所述的製作該基極介電層的方法，其特徵在於，所述的氮離子以一遠端等離子體氮化製程引入該基礎氧化物層上。
3.如權利要求1所述的製作該基極介電層的方法，其特徵在於，所述的氣體還包括氧化氮氣體。
4.如權利要求3所述的製作該基極介電層的方法，其特徵在於，所述的氧化氮氣體的流量大約為每分鐘1至5公升。
5.如權利要求1所述的製作該基極介電層的方法，其特徵在於，所述的氣體還包括氧氣。
6.如權利要求5所述的製作該基極介電層的方法，其特徵在於，所述的氧氣的流量大約為每分鐘3至7公升。
7.如權利要求1所述的製作該基極介電層的方法，其特徵在於，所述的熱回火製程的溫度大約為600至1000℃。
8.如權利要求1所述的製作該基極介電層的方法，其特徵在於，所述的熱回火製程的壓力大約為30至60託。
9.如權利要求1所述的製作該基極介電層的方法，其特徵在於，所述的熱回火製程的時間大約為10至20秒。
10.一種製作基極介電層的方法，其特徵在於，該方法包括提供一晶片，該晶片包括一底材；形成一基礎氧化物層於該底材上；放置該晶片於一第一反應室中進行一遠端等離子體氮化處理製程以引入一氮離子於該基礎氧化物層內，其中，該第一反應室內包括一種氣體且該氣體包括氮氣；及放置該晶片於一第二反應室中進行一熱回火製程，該第二反應室內包括一氧化氮氣體。
11.如權利要求10所述的製作該基極介電層的方法，其特徵在於，所述的氣體包括一載流氣體。
12.如權利要求11所述的製作該基極介電層的方法，其特徵在於，所述的載流氣體為氦氣。
13.如權利要求10所述的製作該基極介電層的方法，其特徵在於，所述的一氧化氮氣體的流量大約為每分鐘1至5公升。
14.如權利要求10所述的製作該基極介電層的方法，其特徵在於，所述的熱回火製程的溫度大約為600至1000℃。
15.如權利要求10所述的製作該基極介電層的方法，其特徵在於，所述的熱回火製程的壓力大約為30至60託。
16.如權利要求10所述的製作該基極介電層的方法，其特徵在於，所述的熱回火製程的時間大約為10至20秒。
17.如權利要求10所述的製作該基極介電層的方法，其特徵在於，所述的遠端等離子體氮化製程的時間大約為40至120秒。
18.如權利要求10所述的製作該基極介電層的方法，其特徵在於，所述的遠端等離子體氮化製程的溫度大約為450至900℃。
19.如權利要求10所述的製作該基極介電層的方法，其特徵在於，所述的遠端等離子體氮化製程的壓力大約為1至2.2託。
20.一種製作一基極介電層的方法，其特徵在於，該方法包括提供一晶片，該晶片包括一底材；形成一基礎氧化物層於該底材上；放置該晶片於一第一反應室中進行遠端等離子體氮化製程以引入一氮離子於該基礎氧化物層內，其中，該第一反應室內包括一氮氣與一載流氣體；及放置該晶片於一第二反應室中進行一熱回火製程，該第二反應室內包括氧氣。
21.如權利要求20所述的製作該基極介電層的方法，其特徵在於，所述的載流氣體為氦氣。
22.如權利要求20所述的製作該基極介電層的方法，其特徵在於，所述的氧氣的流量大約為每分鐘3至7公升。
23.如權利要求20所述的製作該基極介電層的方法，其特徵在於，所述的熱回火製程的溫度大約為600至1000℃。
24.如權利要求20所述的製作該基極介電層的方法，其特徵在於，所述的熱回火製程的壓力大約為30至60託。
25.如權利要求20所述的製作該基極介電層的方法，其特徵在於，所述的熱回火製程的時間大約為10至20秒。
26.如權利要求20所述的製作該基極介電層的方法，其特徵在於，所述的遠端等離子體氮化製程的時間大約為40至120秒。
27.如權利要求20所述的製作該基極介電層的方法，其特徵在於，所述的遠端等離子體氮化製程的溫度大約為450至900℃。
28.如權利要求20所述的製作該基極介電層的方法，其特徵在於，所述的遠端等離子體氮化製程的壓力大約為1至2.2託。
全文摘要
本發明係為一種製作基極介電層(gate dielectriclayer)的方法，特別是有關於一種依序藉由遠端等離子體氮化處理(remote plasma nitridation；RPN)法及熱回火(thermalannealing)處理法處理氧化物層作為基極介電層的方法。本發明首先在晶片底材上形成一基礎氧化物層(base oxide layer)。此基礎氧化物層為以任何方法所形成的氧化層。接下來利用遠端等離子體氮化處理法將氮離子引入基礎氧化物層中而形成遠端等離子體氮氧化物層(remote plasma nitrided oxide layer)。最後將晶片放置在一氧氣(oxygen；O
文檔編號H01L21/28GK1402307SQ02143319
公開日2003年3月12日 申請日期2002年9月23日 優先權日2002年1月28日
發明者劉傳璽, 林秀珊, 林於尹, 潘同明, 黃國泰 申請人:聯華電子股份有限公司