CN1209796C - 以软性含氮等离子体来形成超薄栅介电层的方法 - Google Patents
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Abstract
一种以软性含氮等离子体来形成超薄栅介电层的方法。先以软性含氮等离子体来氮化基底的表面以进行预氮化步骤，在此步骤中使用软性含氮等离子体以氮化基底的表面。此软性含氮等离子体的等离子体密度约为109-1013cm-3。再对基底进行热氧化步骤，将基底的表面氧化以形成超薄栅介电层于基底的表面上。本发明利用软性含氮等离子体先均匀地氮化基底表面以控制后续所形成氧化层的厚度。此方法可避免现有以离子注入法将氮离子直接注入基底时，对基底造成表面结构损伤的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体元件的制造方法，且特别是关于一种以软性含氮等离子体来形成超薄栅介电层的方法。
背景技术
当半导体集成电路元件所要求的集成度越来越大时，使得具有高介电常数以及很低漏电流的超薄栅介电层的需求也越来越高。当半导体工艺进入0.18μm以下时，栅介电层的厚度就降到30至40埃以下，此种厚度以下的介电层可称为超薄栅介电层。因此如何在工艺裕度(process window)日渐缩小的情况下制作出厚度如此薄的栅介电层，而且可以兼顾其厚度的均一性(uniformity)与较佳的抗崩溃电压能力(breakdown resistance)，成为制造此种超薄栅介电层亟需解决的问题。传统直接以热氧化法所制造出的栅氧化层的介电常数约在3.9左右，且其结构上常有针孔(pin hole)等结构缺陷，造成有直接隧道电流(direct-tunneling current)的问题，所以无法用来直接制作超薄栅介电层。
在美国第5,330,920号专利揭露了一种控制栅氧化层厚度的方法，其方法为先以离子注入法将氮离子注入于基底表层中，再进行热氧化法来在基底上形成栅氧化层。另外一篇美国第6,110,842号专利则以高密度等离子体将氮离子注入于基底的选定区域中，再进行热氧化法以在基底上形成栅氧化层。则在注入氮离子区域的基底上所生成的栅氧化层厚度较薄，而在没有注入氮离子区域的基底上所生成的栅氧化层厚度较厚。但是因为基底表面直接承受等离子体的轰击，所以基底表面的结构会有损伤，而且因为等离子体到达基底表面时的动能较大，氮离子的注入深度也无法使其尽可能只氮化基底的表面，以利形成超薄栅介电层。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种以软性(soft)含氮等离子体来形成超薄栅介电层的方法，此种软性含氮等离子体的产生方法包括有远距(remote)与去耦合(decoupled)产生的方式。
本发明的另一目的是提供一种以软性等离子体氮化法来延缓氧化基底表面速率的方法，此种软性含氮等离子体的产生方法包括远距与去耦合产生的方式。
根据上述目的，本发明提出一种先以软性等离子体氮化法氮化基底的表面，再对基底进行氧化步骤。
因此先以软性等离子体氮化法来进行预氮化步骤，在此步骤中使用软性含氮等离子体以氮化基底的表面。此软性含氮等离子体的等离子体密度为109-1013cm-3。然后进行热氧化步骤，将基底的表面氧化以形成超薄的栅介电层于该基底的表面上。
上述软性含氮等离子体的产生方法包括远距与去耦合产生的方式。若预氮化步骤是采用远距含氮等离子体来进行，则使用的气体源至少包括含氮气体，且此含氮气体的流速约为1至100sccm。而预氮化步骤是在温度摄氏0-650度与压力0.001-5托下进行，反应时间约3-180秒即足够了。
若预氮化步骤是采用去耦合含氮等离子体来进行，则所使用的气体源至少包括含氮气体，且此含氮气体的流速约为1至100sccm。而预氮化步骤是在温度摄氏0-100度与压力0.001-0.5托下进行，反应时间约3-60秒即足够了。
由上述可知，本发明利用软性含氮等离子体先均匀地氮化基底表面以控制后续所形成氧化层的厚度。此方法可避免现有以离子注入法将氮离子直接注入基底时，对基底造成表面结构损伤的问题。
具体实施方式
本发明利用软性含氮等离子体先均匀地氮化基底表面以控制后续所形成氧化层的厚度，而此软性含氮等离子体的产生方法目前有远距等离子体产生法与新近发展出来的去耦合等离子体产生法。以远距等离子体来进行氮化反应称为远距等离子体氮化法(remote plasmanitridation；RPN)，此乃是使用在距离晶片远处(a remote location)所产生含有氮自由基(nitrogen radical)的等离子体来进行氮化反应。而以去耦合等离子体来进行氮化反应的方法称为去耦合等离子体氮化法(decoupled plasma nitridation；DPN)，此法是使用射频(RF)以准远距(quasi-remote)的方式来产生含有氮自由基(nitrogen radical)的等离子体以进行氮化反应。
若使用软性等离子体氮化法来氮化硅晶片的表层，则可在硅晶片的表层形成氮化硅或氮氧化硅的网状键结(network bonding)。如此再继续进行热氧化步骤，便可以降低基底的氧化速率，以利控制形成超薄栅介电层。
一般来说，远距等离子体氮化法是使用微波和含氮气体作用来产生含有氮自由基的等离子体。然后当此等离子体经过一段传输路径以使其动能降至几乎为零时，其所含的氮自由基才与硅晶片接触，在温度约为摄氏0-650度与压力约为0.001-5托下，进行氮化反应以利在晶片很浅的表层形成氮化硅或氮氧化硅。一般反应时间约为3-180秒就已经足够了。
因为氮自由基仅靠扩散的方式和晶片产生反应，所以不会有现有因等离子体撞击所造成的晶片表面结构受损的问题。而且因为氮自由基只靠扩散的方式和晶片产生反应，所以可以使氮离子注入的深度比一般离子注入法还要浅且均匀，此为可形成超薄栅介电层的重要因素。
而去耦合等离子体氮化法的产生等离子体方式为准远距的方式，所以和远距等离子体氮化法有类似的特性，亦即等离子体在和晶片反应时，其动能是几乎为零。但是去耦合等离子体氮化法可以在更低的温度与压力下进行，其温度与压力分别约为摄氏0-100度与为0.001-0.5托。所以使用去耦合等离子体氮化法不仅可节省生产成本，也可以使氮离子注入的深度比远距等离子体更浅，也因此更容易控制其氮离子注入的轮廓(profile)，以利在晶片更浅层形成氮化硅或氮氧化硅层。而且，去耦合等离子体氮化法所需的反应时间也比远距等离子体氮化法更短，约3-60秒就已经足够了，一般来说约需30秒，因此可使产量大幅提高。此外，去耦合等离子体氮化法工艺裕度也比远距等离子体氮化法要大，可增加产品的良率。
因为去耦合等离子体氮化法是以准远距的方式来产生含氮等离子体以与晶片产生反应，所以不会有现有因等离子体撞击所造成的晶片表面结构受损的问题。而且去耦合等离子体氮化法可以使氮离子在晶片表面的注入深度比远距等离子体氮化法更浅，所以可以形成更薄的栅介电层。
上述两者可使用的含氮气体可以为氮气或氨气，其流速可在1-100sccm之间。含氮气体还可以和惰性气体(例如氦气或氩气)或者含氧气体(例如一氧化氮、一氧化二氮或氧气)来随意组合，作为产生等离子体的气体源。所产生的等离子体的等离子体密度约为109-1013cm-3。
接着以热氧化法(thermal oxidation)或原位蒸汽形成法(in-situsteamed generation；ISSG)来氧化晶片的表面，以在晶片表面上形成超薄栅介电层。
以此方法所形成的超薄栅介电层，可以将热电子留在栅介电层中，减少金属氧化物半晶体管因热电子而退化(hot electron degradation)的问题。另外因为晶片表面结构没有受到损伤，还可增加栅介电层的完整性(Integrity)，降低栅极的漏电流。另外栅介电层含有氮，所以可增加栅介电层的介电常数，减少其等效氧化层厚度(equivalent oxidethickness；EOT)，使其可被应用在线宽小于0.18微米的工艺上，甚至可被应用在0.10微米的工艺上。
虽然本发明已以一较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当以权利要求书并结合说明书及附图所界定者为准。
Claims (22)
1.一种以软性含氮等离子体来形成超薄栅介电层的方法，该超薄栅介电层的厚度小于40埃，该方法至少包括：
进行一预氮化步骤，使用一软性含氮等离子体以氮化一基底的表面，该软性含氮等离子体的等离子体密度为109-1013cm-3；以及
进行一热氧化步骤，将该基底的表面氧化以形成一栅介电层于该基底的表面上。
2.根据权利要求1所述的以软性含氮等离子体来形成超薄栅介电层的方法，其特征在于：该软性含氮等离子体的气体源包括一含氮气体。
3.根据权利要求2所述的以软性含氮等离子体来形成超薄栅介电层的方法，其特征在于：该含氮气体选自氮气、氨气与它们的任意组合所组成的族群。
4.根据权利要求2所述的以软性含氮等离子体来形成超薄栅介电层的方法，其特征在于：该含氮气体的流量为1-100sccm。
5.根据权利要求2所述的以软性含氮等离子体来形成超薄栅介电层的方法，其特征在于：该含氮等离子体的气体源还包括一惰性气体。
6.根据权利要求5所述的以软性含氮等离子体来形成超薄栅介电层的方法，其特征在于：该惰性气体选自氦气、氩气与它们的任意组合所组成的族群。
7.根据权利要求2所述的以软性含氮等离子体来形成超薄栅介电层的方法，其特征在于：该软性含氮等离子体的气体源还包括一含氧气体。
8.根据权利要求7所述的以软性含氮等离子体来形成超薄栅介电层的方法，其特征在于：该含氧气体选自NO、N2O、O2与它们的任意组合所组成的族群。
9.根据权利要求1所述的以软性含氮等离子体来形成超薄栅介电层的方法，其特征在于：该软性含氮等离子体包括一远距含氮等离子体。
10.根据权利要求9所述的以软性含氮等离子体来形成超薄栅介电层的方法，其特征在于：该预氮化步骤是在摄氏0-650度下进行。
11.根据权利要求9所述的以软性含氮等离子体来形成超薄栅介电层的方法，其特征在于：该预氮化步骤是在0.001-5托下进行。
12.根据权利要求9所述的以软性含氮等离子体来形成超薄栅介电层的方法，其特征在于：该预氮化步骤的进行时间为3-180秒。
13.根据权利要求1所述的以软性含氮等离子体来形成超薄栅介电层的方法，其特征在于：该软性含氮等离子体包括一去耦合含氮等离子体。
14.根据权利要求13所述的以软性含氮等离子体来形成超薄栅介电层的方法，其特征在于：该预氮化步骤是在温度摄氏0-100度下进行。
15.根据权利要求13所述的以软性含氮等离子体来形成超薄栅介电层的方法，其特征在于：该预氮化步骤是在压强0.001-0.5托下进行。
16.根据权利要求13所述的以软性含氮等离子体来形成超薄栅介电层的方法，其特征在于：该预氮化步骤的进行时间为3-60秒。
17.一种以远距等离子体氮化法来延缓氧化基底表面速率的方法，该方法至少包括：
进行一远距等离子体氮化步骤，使用一远距含氮等离子体以氮化一基底的表面，该远距含氮等离子体所使用的气体源包括一含氮气体，且其所产生的等离子体密度为109-1013cm-3；以及
进行一热氧化步骤，将该基底的表面氧化以形成一栅介电层于该基底的表面上。
18.根据权利要求17所述的以远距等离子体氮化法来延缓氧化基底表面速率的方法，其特征在于：该预氮化步骤是在摄氏0-650度与0.001-5托下进行。
19.根据权利要求17所述的以远距等离子体氮化法来延缓氧化基底表面速率的方法，其特征在于：该预氮化步骤的进行时间为3-180秒。
20.一种以去耦合等离子体氮化法来延缓氧化基底表面速率的方法，该方法至少包括：
进行一去耦合等离子体氮化步骤，使用一去耦合含氮等离子体以氮化一基底的表面，该含氮等离子体所使用的气体源包括一含氮气体，且其所产生的等离子体密度为109-1013cm-3；以及
进行一热氧化步骤，将该基底的表面氧化以形成一栅介电层于该基底的表面上。
21.根据权利要求20所述的以去耦合等离子体氮化法来延缓氧化基底表面速率的方法，其特征在于：该预氮化步骤是在温度摄氏0-100度与压强0.001-0.5托下进行。
22.根据权利要求20所述的以去耦合等离子体氮化法来延缓氧化基底表面速率的方法，其特征在于：该预氮化步骤的进行时间为3-60秒。
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