一種形成氮氧化硅柵極介電層的方法，包括： 利用等離子氮化制程而將氮并入介電薄膜以形成氮氧化硅薄膜； 該氮氧化硅薄膜于第一環境下進行退火，該第一環境包括于第一溫度下而氧氣具有第一分壓的惰性環境；以及 該氮氧化硅薄膜于第二環境下進行退火，該第二環境包括于第二溫度下而氧氣具有第二分壓，其中氧氣的該第二分壓大于氧氣的該第一分壓。
【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】
本專利技術的實施例涉及半導體制造的領域，特別是一種利用等離子氮化及等離子氮化后的二階段退火(PNA)制程而形成一氮氧化硅(SiOxNy) 柵極介電層，并將其并入柵極堆迭(gate stack)的方法。
技術介紹
集成電路是由數百萬個主動及被動裝置所組成，而這些主動及被動裝 置是作為基礎構件，例如電晶體、電容器及電阻器。電晶體通常包括源 極(source)、漏極(drain)以及柵極堆迭，而柵極堆迭的組成是于基板 (硅)上方形成一介電層(通常為二氧化硅；SiO2)，且介電層上覆蓋有 一電極(如多晶硅)。隨著集成電路及其上方的電晶體的尺寸日益減小，用以增加電晶體速 度的柵極驅動電流亦已增加。由于驅動電流隨著柵極電容的增加而增加， 且電容與柵極介電層的厚度成反比，因此降低柵極介電層厚度為增加驅動電ifu的一種方法。已嘗試將二氧化硅柵極介電層的厚度降低至低于20 A (埃)，然而， 卻發現使用厚度低于20 A的薄二氧化硅柵極介電層會造成柵極效能及耐 久性的不良效應。舉例來說，硼摻雜(boron doped)的柵極電極中的硼會 滲透通過薄二氧化硅柵極介電層而至下方的硅基板；另外，在薄介電層存 在下，通常亦出現柵極漏電流(gate leakage)升高的情形，亦稱的為穿 隧(tunneling),因而增加了柵極所消耗的電量。二氧化硅柵極介電層容 易受到熱載子傷害(hot carrier damage)的影響，移動穿過介電層的高能 載子則會傷害或破壞柵極。二氧化硅柵極介電層亦容易受到負偏壓溫度不 穩定性(NBTI)所影響，其中臨界電壓或驅動電流則隨著柵極的操作過程 而漂移。因此，需要一種替代的柵極介電層材料，不但可使用夠厚的實際厚度而降低漏電流密度，亦能提供高柵極電容。為了達到上述目的，替代的柵 極介電層材料所具有的介電常數需高于二氧化硅的介電常數。 一般來說， 上述的替代的柵極介電質材料層的厚度是以等效氧化層厚度(EOT)來表示，因此，若一特定電容器中的一替代柵極介電層的EOT等于該替代柵極 介電層具有的厚度，則柵極介電層的介電常數亦即為二氧化硅的介電常數。已針對薄二氧化硅柵極介電層的問題提出一方法來解決的，亦即將氮 并入二氧化硅層中以形成氮氧化硅(SiOxNy)柵極介電層。將氮并入二氧 化硅層阻絕硼滲透至下方的硅基板中，并提高了柵極介電層的介電常數， 進而允許使用較厚的介電層。自0.2卩m至0.13 ijm的裝置世代，使用熱生長(thermally grown) 氮氧化硅而作為柵極介電層已有數年的時間。當裝置技術由0.2 nm進展至 0.1 |jm,柵極氧化層則由〉25 A變薄為< 12 A。為了阻絕硼并降低柵極漏 電流的情形，則將薄膜中氮的含量由25 A氮氧化硅層含〈3。/。增加至12 A 氮氧化硅層含5~10%。當使用一氧化氮(NO)以及二氧化氮(N20)以 形成氮氧化硅柵極介電層時，氮并入介電薄膜而氮氧化物亦同時生成，因 此氮是均勻地分布在薄膜中。若一氧化氮以及氧化亞氮是用于在一升溫狀 態下對 一 既存的二氧化硅層進行退火以形成氮氧化硅，則氮的并入是藉由 在硅基板/氧化層介面形成SiON。后述實例的氮含量(<2% )低于前述實 例的氮含量(4 ~ 5 % )。近年來，等離子氮化(PN)是用以氮化(將氮并入)柵極氧化層，此 技術于多晶硅柵極/氧化層介面獲得高氮含量，而預防硼滲透至氧化物介電 層中。同時，于等離子氮化制程中，氧化物介電層的主體摻雜些許未解離 氮，藉此減少起始氧化層的等效氧化層厚度(EOT)。此允許在相同的EOT 下，相對于傳統熱制程而可達到較佳的柵極漏電流降低情形。如何將介電 層的EOT限定于〈12 A范圍，并保存良好的通道遷移率(channel mobility) 及驅動電流(ldsat;飽和電流)已成為工業上的一大挑戰。于高溫下進行的氮氧化硅的氮化后的退火(PNA)制程為一于EOT增 力口的情況下而改善跨導(peak transconductance;其取代通道遷移率)的 消耗的方法，此結果證實于美國專利申請第2004/0175961號，申請曰為 2004年3月4曰，專利名稱為r Two-Step Post Nitridation Annealing For Lower EOT Plasma Nitrided Gate Dielectrics」，其是受讓給應用材剩-7> 司(Applied Materials, Inc.),于此處將其并入以作為參考，并不與本發 明呈現沖突。于低壓及高溫下，二氧化硅分解為一氧化硅(SiO)， 一氧化硅會自 硅表面去吸附(desorb)而造成一種點蝕(pitting)的現象。因此，仍須一改良的后退火方法，而用以沉積一氮氧化硅柵極介電層， 而使其具有較薄的EOT及較佳的遷移率，并解決一氧化硅去吸附的問題。
技術實現思路
本專利技術的實施例通常提供一形成一 SiOxNy柵極介電層的方法。該方 法包括利用 一 等離子氮化制程而將氮并入 一 介電薄膜中以形成 一 氮氧化硅 薄膜。氮氧化硅薄膜接著進行一等離子后的二階段退火制程；第一階段包 含氮氧化硅薄膜于一第一環境下進行退火，且第一環境包括于一第一溫度 下而氧具有一第一分壓的惰性環境；第二階段包含氮氧化硅薄膜于一第二 環境下進行退火，且第二環境包括于一第二溫度下而氧具有一第二分壓， 其中氧的第二分壓大于氧的第一分壓。于一實施例中，氧的第一分壓介于 1-100毫托，而氧的第二分壓介于0.1 ~ 100托。于另一實施例中，在等離子后的二階段退火制程之后， 一柵極電極沉 積于氮氧化硅薄膜上。于一實施例中，柵極電極包括一多晶硅薄膜；于另 一實施例中，柵極電極包括一非晶硅薄膜；又另一實施例中，柵極電極包 括一金屬電極。本專利技術的實施例亦提供于一整合式制程系統中形成一 SiOxNy柵極介 電層的方法。 一硅基板導入整合式制程系統的第一制程室，則二氧化硅薄 膜形成于基板上；基板轉移至整合式制程系統的一第二制程室，則基板暴 露于一包含氮源的等離子；基板接著轉移至整合式制程系統的一第三制程 室，使基板進行一等離子后的二階段退火制程第一階段包含氮氧化硅薄 膜于一第一環境下進行退火，且第一環境包括于一第一溫度下而氧具有一 第一分壓的惰性環境；第二階段包含氮氧化硅薄膜于一第二環境下進行退火，且第二環境包括于一第二溫度下而氧具有一第二分壓，其中氧的第二 分壓大于氧的第一分壓。于另一實施例中，等離子氮化制程包括去耦等離 子氮化。于另一實施例中，形成一 SiOxNy柵極介電層的方法包括于一包括 氨的空氣中加熱一結構，該結構包括一上方含有一氧化硅薄膜的硅基板， 而使氮并入氧化硅薄膜中，接著將該結構暴露于一包含氮源的等離子，以 于基板上形成SiOxNy柵極介電層。附圖說明本專利技術上方所詳述的特征皆可詳細地被了解，而有關于本專利技術更進一 步的描述可參閱實施例，并摘錄于上方的
技術實現思路
中，而部分特征亦繪示 于附圖當中。然而，值得注意的是，附圖僅繪示本專利技術的一般實施例，但 并非限制本專利技術的技術范疇，其他等效的實施例亦應屬于本專利技術。圖1,繪示一整合式制程系統的上視圖。圖2，繪示本專利技術的 一 實施例的流程圖。圖3,繪示根據本專利技術的實施例而形成一柵極本文檔來自技高網...
【技術保護點】
【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】1.一種形成氮氧化硅柵極介電層的方法，包括利用等離子氮化制程而將氮并入介電薄膜以形成氮氧化硅薄膜；該氮氧化硅薄膜于第一環境下進行退火，該第一環境包括于第一溫度下而氧氣具有第一分壓的惰性環境；以及該氮氧化硅薄膜于第二環境下進行退火，該第二環境包括于第二溫度下而氧氣具有第二分壓，其中氧氣的該第二分壓大于氧氣的該第一分壓。2. 如權利要求1所述的方法，其中該第一溫度的范圍為約700 ~iioo°c，而該第二溫度的范圍為約900~ iioo°c。3. 如權利要求2所述的方法，其中氧氣的該第一分壓介于1 ~100毫 托，而氧氣的該第二分壓介于0.1 ~ 100托。4. 如權利要求3所述的方法，其中該氮氧化硅薄膜于該第一環境進行 退火的步驟是發生于該第一溫度為約105CTC,而氧氣的該第一分壓為約 15毫托下進行第一時間長度約30秒，該氮氧化硅薄膜于該第二環境進行 退火的步驟是發生于該第二溫度為約1050°C，而氧氣的該第二分壓為約 0.5托下進行第二時間長度約15秒。5. 如權利要求1所述的方法，其中該氮氧化硅薄膜于該第二環境進行 退火的步驟包括以氧氣或是含氧氣體對該氮氧化硅薄膜進行退火。6. 如權利要求1所述的方法，其中該介電薄膜為二氧化硅。7. 如權利要求1所述的方法，其中該氮并入該介電薄膜而形成氮濃度 最高值，而該最高值發生于該氮氧化硅柵極介電層的頂表面。8. 如權利要求1所述的方法，其中該氮并入該介電薄膜而具有氮濃度 等于或大于5%。9. 一種形成氮氧化硅柵極介電層的方法，包括 提供一結構，該結構包括形成于硅基板上的二氧化硅薄膜； 將該結構暴露于包括氮源的等離子，而于該基板上形成氮氧化硅薄膜； 該氮氧化硅薄膜于第一環境下進行退火，該第一環境包括在溫度介于700- 1100。C之間，而氧氣具有第一分壓的惰性環境；該氮氧化硅薄膜于第二環境下進行退火，該第二環境包括在介于 900~ 1100。C之間的溫度，而氧氣具有第二分壓，其中該第二分壓大于該 第一分壓；以及沉積;嫩極電極于該氮氧化硅薄膜上。10. 如權利要求9所述的方法，其中氧氣的該第一分壓介于1-100...
【專利技術屬性】
技術研發人員：C·S·奧利森，
申請(專利權)人：應用材料股份有限公司，
類型：發明
國別省市：
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