專利名稱：以多退火步驟形成氮氧化硅柵極介電層的方法
以多退火步驟形成氮氧化硅柵極介電層的方法
才i術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明實(shí)施方案大致是有關(guān)形成氧氮化硅膜層的半導(dǎo)體處理。更詳細(xì) 地說(shuō)，本發(fā)明是有關(guān)一種用來(lái)形成氧氮化硅膜層的方法，其是利用包含等 離子氮化以及一種兩-步驟退火的工藝來(lái)完成。
背景技術(shù)：
隨著集成電路和晶體管的組件幾何尺寸日漸縮減，所需用以驅(qū)動(dòng)晶體 管柵極的電流也日益升高。已知晶體管的柵極驅(qū)動(dòng)電流會(huì)隨其柵極電容增
加而增加，且柵極電容等于矢x^，其中k是該柵極介電質(zhì)(通常是二氧化
硅)的介電常數(shù)，d是該介電質(zhì)的厚度，且A是柵極接點(diǎn)面積。因此，降低 介電質(zhì)的厚度與提高柵極介電質(zhì)的介電常數(shù)是兩種可用來(lái)提高柵極電容與 驅(qū)動(dòng)電流的方式。
已有人嘗試減少介電質(zhì)的厚度，例如降低二氧化硅層的厚度到20A以 下。但是，使用厚度低于20A的二氣化硅介電質(zhì)經(jīng)常會(huì)造成效能不佳及耐 用性降低。舉例來(lái)說(shuō)，在摻有硼的電極中，硼原子會(huì)從電極滲出穿過(guò)薄的 二氧化硅介電質(zhì)而進(jìn)入其下方的硅基材中。此外，還會(huì)出現(xiàn)不樂(lè)見(jiàn)的柵極 漏電流(即，通道電流(channel current))現(xiàn)象，因而增加?xùn)艠O的耗電量。薄 二氧化石圭柵極介電質(zhì)也較易受到負(fù)型通道金氧半導(dǎo)體(negative-channel metal-oxide semiconductor, NMOS)熱載子裂變、以及正型通道金氧半導(dǎo) 體(NMOS)負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)(negative bias temperature instability, NBTI) 定現(xiàn)象的影響。
將二氧化硅層氮化已是習(xí)用以降低二氣化硅介電質(zhì)厚度到20A以下的 方法。以等離子氮化將氮原子并入至柵極氧化物中。氮化可在電極/氧化物 界面中提供高濃度的氮原子。此界面中高濃度的氮原子可防止硼原子滲透進(jìn)入柵極氧化物中。相反的，該柵極氧化物塊材在等離子氮化過(guò)程中。僅 摻雜有微量的氮原子。塊材中低量的氮原子導(dǎo)致膜層具有較原來(lái)氧化物膜
層厚度為低的等效氧化物層厚度(equivalent oxide thickness, EOT),因而
可減少柵極漏電流。較佳是提供一種EOT^12A的介電質(zhì)。
氮化后將氧氮化硅膜層退火可改善通道電子的遷移力，但代價(jià)是會(huì)造 成EOT上升，此可在傳統(tǒng)氧氮化硅膜層退火過(guò)程中執(zhí)行尖峰瞬間導(dǎo)電度量 測(cè)中觀察到。相對(duì)于在較高EOT厚度下，通道電子的遷移力在較低EOT 厚度下的裂變較快。此外，較高的EOT值也會(huì)降低傳統(tǒng)退火的氧氮化硅膜 層的驅(qū)動(dòng)電流，因此，需要一種可使膜層具有欲求的通道電子遷移力、驅(qū) 動(dòng)電流和EOT的退火工藝。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種用以形成具有欲求的通道電子遷移力和驅(qū)動(dòng)電流的氧 氮化硅薄層的制備方法。依據(jù)本發(fā)明一實(shí)施方案，該方法包括以1~100毫 托耳的氧化氣體(其可為氧氣、氧化二氮或氧化氮)將氧氮化硅層退火，和 以約1 slm的氧氣將該氧氮化硅層退火。以1~100毫托耳的氧化氣體將氧 氮化硅層退火的步驟，是在較以約1 slm的氧氣將該氧氮化硅層退火的步 驟所需的更高溫度與更高壓力下進(jìn)行。


圖1為用以處理半導(dǎo)體基材的群集工具的分解示意圖。 圖2為用以形成一種氧氮化硅膜層的方法流程圖。 圖3為以各種處理?xiàng)l件(其是在兩步驟處理的兩個(gè)步驟中均包括有氧氣) 所形成的膜層的有效氧化物厚度與飽和驅(qū)動(dòng)電流的關(guān)系。
主要組件符號(hào)說(shuō)明
100 群集工具 102、 104 負(fù)載鎖定室106、 108快速熱退火或處理室
"0去耦合等離子氮室112沉積室
114冷卻室116基材處理工具
118基材200方法
202、 208步驟204第一步驟
206第二步驟
具體實(shí)施例方式
在閱讀過(guò)以下包括附圖及申請(qǐng)專利范圍的詳細(xì)說(shuō)明后，將可更了解本 發(fā)明上述特征。但須知，本發(fā)明范疇并不僅限于所揭示實(shí)施例中。
圖1為一群集工具100的示意圖，用以依據(jù)本發(fā)明各種實(shí)施方案來(lái)處 理半導(dǎo)體基材。此群集工具100的實(shí)例的一為應(yīng)用材料公司出品的GATE STACK CENTURA 群集工具。此群集工具100包括負(fù)栽鎖定室102、 104，快速熱退火或處理室(rapid thermal anneal or process, RTP) 106、 108,去耦合等離子氮化(decoupled plasma nitridation, DPN)室"0,沉 積室112，及冷卻室114。此群集工具100也包括一用來(lái)傳送基材118進(jìn) 出一特定處理室的基材處理工具116。
基材處理工具116位在一與其周圍各處理室連通的中央傳送室中。欲 處理的基材是位在負(fù)栽鎖定室102、 104中。沉積室112是一種化學(xué)或物 理氣相沉積室，其可被用來(lái)在一半導(dǎo)體基材上形成一膜或一層。
RTP處理室106、 108可用來(lái)在減壓下(例如，約等于或小于10托耳) 執(zhí)行快速熱處理?？捎玫腞TP處理室實(shí)例包括應(yīng)用材料公司出品的 RADIANCEXETM、 RADIANCE XE PLUS 和RADIANCETM RTP。、
圖2為用來(lái)形成一退火的氧氮化硅層的方法200的流程圖。 一開(kāi)始， 先處理一基板以于該基板表面上形成一層氧化硅層。接著，在步驟202中， 以 一諸如熱氮化或等離子氮化的類的氮化工藝來(lái)處理該氧化硅層，以形成一層氧氮化硅層。使用等離子氮化工藝來(lái)形成氧氮化硅層的方法揭示在
2003年6月12日提申的美國(guó)專利申請(qǐng)案10/461,143中，其全文在此并入 作為參考。
待形成氧氮化硅層后，讓該氧氮化硅層經(jīng)歴 一 種兩-步驟式的退火處 理。此退火處理的第一步驟204是在一處理室壓約為100毫托耳至800托 耳間，約700。C或更高溫度下實(shí)施約1~120秒。此退火處理的第一步驟204 可以在含有一惰性、還原、氧化或上述的混合的氣體環(huán)境下實(shí)施。適合的 惰性氣體包括氮?dú)?、氦氣及氬氣。適合的還原氣體包括氫氣。適合的氧化 氣體包括氧氣、氧化二氮、氣化氮及臭氧。上述這些氣體的混合氣體包括 由氮?dú)馀c氧氣組成的混合氣體。
氣氣流速是以分壓表示，至于其它壓力則是由流入處理室中的其它氣 體(例如，氮?dú)?分壓來(lái)平衡。當(dāng)提供氧氣時(shí)，須選擇氧氣流速使其可提供
約i~ioo毫托耳的氧氣分壓。如果第一退火步驟是在約100(rc下實(shí)施，
則此氧氣分壓較佳是在約1~15毫托耳的氧氣間。如果第一退火步驟是在 約105(TC下實(shí)施，則此氧氣分壓較佳是在約10~50毫托耳的氧氣間。如 果第一退火步驟是在約110(TC下實(shí)施，則此氧氣分壓較佳是在約75~200
毫托耳間。 一般并不樂(lè)見(jiàn)在第一退火步驟添加太多的氧氣，因?yàn)榭赡軙?huì)造 成過(guò)度氧化。
為比較由數(shù)種以各流速的氮?dú)馀c氧氣組成的組合在三種不同熱退火溫 度下所形成的膜層性質(zhì)，而觀察并紀(jì)錄飽和驅(qū)動(dòng)電流(其是為柵極電流密度
的函數(shù))。對(duì)一使用約10~50毫托耳氧氣的工藝來(lái)說(shuō)，當(dāng)其第一退火步驟是
在105crc下實(shí)施時(shí)，其最大飽和驅(qū)動(dòng)電流出現(xiàn)在柵極電流密度為
簡(jiǎn)mA/mm2時(shí)。
該退火處理的第二步驟206是在約10~100毫托耳的較低壓力及約 900 110CTC溫度下實(shí)施。該第二退火步驟206是實(shí)施約1~120秒?？煽?制該第二步驟206使其能增加氧氮化硅層EOT約0.1~2A。可將氧氣及其 它氧化氣體引入至RTP室。氧化氣體包括氧氣、氧化二氮、氧化氮及臭氧。在一較佳的該第二退火步驟206中，以可提供約0.5 3.0托耳的氧氣分壓 的速率將氧氣流入處理室中約15秒。舉例，可使用約1 slm的速率來(lái)提供 此范圍的氧氣分壓。
在第二退火步驟206之后，可在該群集工具的另一處理室內(nèi)形成一帽 蓋層于氧氮化硅層表面上(步驟208)?？稍谠撊杭ぞ邇?nèi)執(zhí)行其它額外的處 理或是將基板轉(zhuǎn)移至其另一工具中。
圖3為以各種處理?xiàng)l件(包括本發(fā)明實(shí)施例的處理?xiàng)l件)所形成的膜層 的有效氧化物厚度與飽和驅(qū)動(dòng)電流的關(guān)系?？招膱A圈代表在1000'C下以 0.5托耳氧氣(每一影化步驟中其余氣體部份均為氮?dú)?實(shí)施15秒的一步驟 退火，實(shí)心圓圈則代表在1000。C下以氮?dú)鈱?shí)施15秒的第一退火步驟加上 以0.5托耳氧氣實(shí)施15秒的第二退火步驟。實(shí)心三角形代表在100CTC下 以氮?dú)鈱?shí)施45秒的第一退火步驟加上以0.5托耳氧氣實(shí)施15秒的第二退 火步驟。至于實(shí)心方形則代表在950。C下以氮?dú)鈱?shí)施45秒的第 一退火步驟 加上以0.5托耳氧氣實(shí)施15秒的第二退火步驟。依據(jù)這些結(jié)果，本發(fā)明中 兩步驟的退火處理結(jié)果遠(yuǎn)較一步驟的退火處理來(lái)得優(yōu)異。此外，較佳是在 兩步驟退火處理的第一步驟同時(shí)使用氧氣和氮?dú)?。但是，須知這是較佳實(shí) 施例，本發(fā)明尚涵蓋其它實(shí)施方案。
依據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案，可觀察到以各種工藝條件形成的膜層，其氧氣 分壓為溫度的函數(shù)。相較于不使用氧氣的第一退火步驟于1000'C、 1050
。c、及11ocrc所形成的組件而言，使用氧氣在第一退火步驟中所形成的大 部份組件比較能被接受。這些結(jié)果顯示，相較于不在退火期間添加氧氣的 組件來(lái)說(shuō)，于高溫下實(shí)施的第一退火步驟期間添加氧氣可提供更多無(wú)缺陷 的組件。
雖然本發(fā)明已揭示如上，習(xí)知技藝人士應(yīng)知在不悖離本發(fā)明精神范疇 下，仍可對(duì)本發(fā)明技術(shù)作多種改良與修飾，這些改良與修飾仍應(yīng)被視為涵 蓋在權(quán)利要求中。
權(quán)利要求
1. 一種用以處理半導(dǎo)體基材的方法，包含形成氧氮化硅膜層；在分壓約1～100毫托耳的氧化氣體存在下，將該氧氮化硅膜層退火；及以分壓約0. 5～3.0托耳的氧氣，將該氧氮化硅膜層退火。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中該形成氧氮化硅膜層的步驟以等離 子氮化來(lái)實(shí)施。
3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中該在分壓約1~100毫托耳的氧化 氣體存在下將該氧氮化硅膜層退火的步驟是在約700。C或更高溫度下實(shí)施。
4. 如權(quán)利要求3所述的方法，其中該在分壓約1~100毫托耳的氧化氣體存在下將該氧氮化硅膜層退火的步驟是在約100crc iio(rc間實(shí)施。
5. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中該在分壓約1~100毫托耳的氧化 氣體存在下將該氧氮化硅膜層退火的步驟是實(shí)施約1~120秒。
6. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中該在分壓約1~100毫托耳的氧化 氣體存在下將該氧氮化硅膜層退火的步驟是在處理室壓約100毫托耳至 800托耳間實(shí)施。
7. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中該氧化氣體是選自氧氣、氣化二氮、 氧化氮及臭氧中。
8. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中該氧化氣體為氧氣。
9. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中該在分壓約1~100毫托耳的氧化氣體存在下將該氧氮化硅膜層退火的步驟更包含以一還原氣體將該氧氮化 硅膜層退火。
10. 如權(quán)利要求9所述的方法，其中該還原氣體是氬氣。
11. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中該在分壓約1~100毫托耳的氧化氣體存在下將該氧氮化硅膜層退火的步驟更包含以一惰性氣體將該氧氮化 硅膜層退火。
12. 如權(quán)利要求11所述的方法，其中該惰性氣體是選自氮?dú)?、氦?及氬氣。
13. 如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體組件，其中在以氧氣將該氧氮化硅膜 層退火的步驟中，氧氣的流速約為1 slm且是在約900'C至約110(TC下實(shí)施。
14. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中在以氧氣將該氧氮化硅膜層退火 的步驟中，氧氣的流速約為1 slm且是在約10毫托耳至約100托耳的壓力下實(shí)施。
15. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中該以分壓約0.5~3.0托耳的氧氣 將該氧氮化硅膜層退火的步驟，是實(shí)施約1秒至約120秒。
16. —種用以退火一處理室中具有氧氮化硅膜層的半導(dǎo)體基材的方法， 包含在約ioocrc至約110crc的溫度下，將約i~ioo毫托耳的氧化氣體流入該處理室中；以約1 slm流速將約0.5~3托耳的氧氣流入該處理室中；其中該將約1 ~ 100毫托耳的氧化氣體流入該處理室中的步驟是在較該將約0.5~3托耳的氧氣流入該處理室的步驟更高溫度與更高處理室壓下實(shí)施。
17. 如權(quán)利要求16所述的方法，其中該將約1~100毫托耳的氧化氣 體流入該處理室中的步驟是在約10OO'C的溫度下實(shí)施。
18. 如權(quán)利要求16所述的方法，其中該將約1~100毫托耳的氧化氣 體流入該處理室中的步驟是實(shí)施約1秒至約120秒。
19. 如權(quán)利要求16所述的方法，其中該將約1~100毫托耳的氧化氣 體流入該處理室中的步驟是在處理室壓約100毫托耳至約800托耳下實(shí)施。
20. 如權(quán)利要求16所迷的方法，其中該氧化氣體是選自氧氣、氧化 二氮、氧化氮及臭氧中。
全文摘要
所揭示的為一種在處理室中處理半導(dǎo)體基材的方法，包括利用一種兩-步驟退火的工藝來(lái)形成氧氮化硅膜層。第一退火步驟包括在分壓約1～100毫托耳的氧化氣體下將該氧氮化硅膜退火，且第二退火步驟包括在流速約1slm的氧氣下將該氧氮化硅膜退火。第一退火步驟是在比第二退火步驟更高溫且更高壓力下實(shí)施。
文檔編號(hào)H01L21/28GK101416286SQ200780012443
公開(kāi)日2009年4月22日 申請(qǐng)日期2007年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月3日
發(fā)明者C·S·奧爾森 申請(qǐng)人:應(yīng)用材料股份有限公司