TW201543572A - 用於在薄膜堆疊中精確置入氮的氨環境中之毫秒退火 - Google Patents

用於在薄膜堆疊中精確置入氮的氨環境中之毫秒退火 Download PDF

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Shankar Muthukrishnan
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Gia Pham
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Abstract

本發明實施例係關於處理基板的方法。在一實施例中,方法包括在基板上面形成介電層,其中介電層的介電值為約3.9或以上、利用燈具或置於處理腔室內的基板支撐件的加熱器,加熱基板達約600℃或以下的第一溫度,及在處理腔室中,以約600℃至約1400℃的第二溫度,在大氣氮環境中,退火處理介電層,以將氮併入介電層,其中退火步驟係按毫秒級進行。

Description

用於在薄膜堆疊中精確置入氮的氨環境中之毫秒退火
本發明的實施例大體係關於半導體製造。
微電子裝置係製造在半導體基板上做為積體電路,其中各種導電層彼此內接而容許電子訊號在裝置內傳播。此類裝置一例為互補式金氧半導體(CMOS)場效電晶體(FET)或MOSFET。例如在CMOS電晶體中,半導體材料經加工而在源極區與汲極區間形成閘極結構,源極區與汲極區形成於半導體材料中。閘極結構通常包括閘電極和閘介電質。閘電極設在閘介電質上面,以控制通道區的帶電載子流動,通道區形成在汲極與源極區間的閘介電質下方。閘介電質通常包括介電常數約4.0的薄材料層,例如閘氧化物,例如二氧化矽(SiO2)。閘電極與通道區間的閘介電質當作絕緣體,以防止大漏電流流入通道區。
近來電晶體縮放致力聚焦於介電常數大於SiO2的高K介電材料。比起SiO2,高K介電材料可形成厚層(即大塊 高K介電質)且仍能降低閘極漏電流及產生相等場效性能。 為避免大塊高K介電質與底下半導體材料(通常為矽)間發生不當相互作用而降低載子遷移率,薄氧化矽層(中間層)通常用於高K介電質與半導體材料之間。大塊高K介電質亦可具有均勻氮濃度,以穩定高K介電質,同時阻擋硼或其他植入上覆閘電極材料的雜質擴散。然引入氮至大塊高K介電質會對底下半導體材料造成其他不良影響,例如氮擴散到中間層,導致裝置特性變差。
因此,此領域尚需提供淺併入氮的改良製造技術,以免氮不當擴散到中間層。
本發明實施例係關於處理基板的方法。在一實施例中,方法包括在處理腔室中,以約600℃至約1400℃的溫度,在大氣氨環境中,退火處理介電層,以將氮併入形成於基板上面的介電層,其中退火步驟係利用雷射光束進行,雷射光束具有約200奈米(nm)至約20微米的波長和約0.01毫秒至約1000毫秒的暫流時間。
在另一實施例中,方法包括在基板上面形成介電層,其中介電層的介電值為約3.9或以上、利用置於處理腔室內的基板支撐件的加熱器(或利用其他手段,例如燈具加熱或感應加熱),加熱基板達約600℃或以下的第一溫度,及在處理腔室中,以約600℃至約1400℃的第二溫度,在大氣氨環境中,退火處理介電層,以將氮併入介電層,其中退火步驟係按毫秒級進行。
在又一實施例中,方法包括在基板上面形成介電 層,及在處理腔室中,在大氣氨環境中,從能源輸送恆定能通量至介電層表面的預定區域,以將氮併入介電層,其中恆定能通量係按毫秒級輸送。
在再一實施例中,方法包括在基板上面形成介電 層、利用置於處理腔室內的基板支撐件的加熱器,加熱基板達約600℃或以下的第一溫度,及在存有含氮氣體下,退火處理形成於基板上面的介電層,計約0.01毫秒至約20毫秒。
100‧‧‧方法
102、104、106、108、110‧‧‧方塊
200‧‧‧基板
202‧‧‧閘極結構
220‧‧‧界面層
230‧‧‧介電層
240‧‧‧金屬閘極層
250‧‧‧氮集中層
為讓本發明的上述概要特徵更明顯易懂,可配合參考實施例說明,部分實施例乃圖示在附圖。然應注意所附圖式僅說明本發明典型實施例,故不宜視為限定本發明範圍,因為本發明可接納其他等效實施例。
第1圖圖示根據本發明實施例,製造閘極堆疊結構的方法流程圖。
第2圖圖示根據本發明實施例製造的示例性簡化閘極堆疊結構截面。
為助於理解,盡可能以相同的元件符號代表各圖中共同的相似元件。為清楚呈現,圖式未按比例繪製並可簡化。應理解某一實施例的元件和特徵結構當可有益地併入其他實施例,在此不另外詳述。
本發明實施例提供方法來精確置入氮至單一膜(HfO2、ZrO2、TiN、SiO2、HfSixOy、HfZrxOy(摻雜HfO2)、 Al2O3和TaN等)或包含至少二層A、B(也可能有C)的膜堆疊,其中A、B和C可為任何如氧化物或氮化物材料組合物。本發明方法可用於製造半導體裝置,例如用於放大及交換電子訊號的電晶體。例如,根據本發明實施例製造的膜可用於金氧半導體場效電晶體(MOSFET)的閘極結構。雖然所述實施例係以閘極堆疊結構為例說明,但應理解本發明實施例亦可應用到任何併入高K介電膜的積體電路裝置或任何具有介電膜的積體電路裝置。
第1圖圖示根據本發明實施例,製造閘極堆疊結構 的方法100的流程圖。第1圖將配合第2圖說明,第2圖圖示根據本發明實施例製造的示例性簡化閘極堆疊結構截面。 方法100始於方塊102,其中基板200提供具有閘極結構202形成於上。閘極結構202可具一或更多層形成於基板200上。 例如,如第1圖所示,閘極結構202可包括介電層230、置於介電層230上的金屬閘極層240和置於介電層230與基板200間的界面層220等。雖未圖示,但當明白閘極結構202可選擇性包括一或更多材料層置於金屬閘極層240上,例如多晶矽層、含鎢層等,此視應用而定。
在以下敘述中,「基板」一詞擬廣泛涵蓋待於處理 腔室處理的任何物體。基板200可為任何能讓材料沉積於上的基板,諸如矽基板,例如矽(摻雜或未摻雜)、結晶矽(例如Si<110>或Si<111>)、氧化矽、應變矽、摻雜或未摻雜的多晶矽等、鍺、III-V化合物基板、矽鍺(SiGe)基板、磊晶基板、絕緣層覆矽(SOI)基板、碳摻雜氧化物、氮化矽、顯 示基板(例如液晶顯示器(LCD)、電漿顯示器、電激發光(EL)燈顯示器)、太陽能電池陣列、太陽能面板、發光二極體(LED)基板、圖案化或未圖案化的半導體晶圓、玻璃、藍寶石或任何其他材料,例如金屬、金屬合金和其他導電材料。基板200可包括介電材料,例如二氧化矽和碳摻雜氧化矽。在一些實施例中,基板200包括p型或n型區定義於內(未圖示)。此外或或者,基板200可包括複數個場隔離區(未圖示)形成於基板200中,以隔離不同導電類型(例如n型或p型)的井及/或隔離相鄰電晶體(未圖示)。場隔離區可為淺溝槽隔離(STI)結構,STI結構例如藉由使溝槽蝕入基板200、接著用適當絕緣體填充溝槽而形成,例如氧化矽(氧化物)、氮化矽(氮化物)等。
在一些實施例中,基板200包括其他結構或至少部 分形成於內的特徵結構。例如,在一些實施例中,可利用任何適合製程,例如蝕刻製程,於基板200內形成特徵結構,例如通孔、溝槽、雙嵌特徵結構、高深寬比特徵結構等。在一些實施例中,基板200包括源極區(未圖示)和汲極區(未圖示),源極區與汲極區可藉由將離子植入基板200而形成於基板200上部,此可為基板表面。在此情況下,源極區與汲極區可由金屬閘極層240橋接。雖未圖示,但偏移層或間隔物可選擇性沉積在閘極結構202兩側。間隔物可含有氮化矽、氮氧化矽、上述物質衍生物或上述物質組合物。
在方塊104中,如第1圖所示,選擇性界面層220 選擇性形成於基板200頂部。界面層220可包括矽與氧,例 如氧化矽(SiO2)、氮氧化矽(SiON)等。界面層220的厚度可為約2埃(Å)至約80Å。界面層220可由任何適合的溼式化學氧化、電漿氧化或熱氧化法形成。例如,界面層220可在含氧環境中熱形成,例如含氧(O2)、臭氧(O3)、水蒸氣(H2O)、氫加氧(H2+O2)等環境。也可選擇性使用鈍氣,例如氦(He)、氬(Ar)、氮(N2)、氨(NH3)等。
在方塊106中,如第1圖所示,介電層230形成在 界面層220上(若有)。介電層230的厚度可為約5Å至約100Å,例如約20Å。介電層230可為下列材料的單一膜或包含二或更多層的膜堆疊,其中各層可為任何如氧化物與氮化物的材料組合物或下列材料的任一組合物。在一實施例中,介電層230可為介電值大於約3.9的高K介電材料。適合介電層230的材料包括氧化鉿(HfOx)、氧化鉿矽(HfSixOy)、氮氧化鉿矽(HfSiOxNy)、氧化鉿鋁(HfAlOx)、氧化鋁(Al2O3)、五氧化二鉭(Ta2O5)、二氧化鈦(TiO2)、氧化鋯(ZrO2)、氧化鉿鋯(HfZrxOy)、氧化鑭(La2O3)、氧化釔(Y2O3)和上述物質的鋁酸鹽與矽酸鹽,但不以此為限。介電層230可為其他材料,例如鈦鋁合金、鉭鋁合金、氮化鈦、氮化鈦矽、氮化鈦鋁、氮化鉭、氮化鉭矽、氮化鉿、氮化鉿矽、氮化鋁或上述物質組合物。可視待形成層材料使用適合製程來形成介電層230,例如溼式或乾式熱氧化製程、化學氣相沉積(CVD)技術、電漿加強化學氣相沉積(PECVD)技術、物理氣相沉積(PVD)技術、原子層沉積(ALD)技術或上述製程組合。
在方塊108中,如第1圖所示,介電層230經氮化 處理而於介電層230中形成氮集中層250。氮集中層250可具適當厚度和濃度,以防止摻質不當擴散到底下基板200。例如,氮集中層250從介電層230頂表面測量的整體厚度可為約2Å至約100Å。完成氮化製程後,氮集中層250通常具有從介電層230頂表面往底表面下降的氮梯度分布。例如,氮集中層250可在介電層230頂表面或附近的介電層230內有較高氮濃度(例如按氮原子總重量計為約80重量%-99重量%),例如介電層230/金屬閘極層240界面,且在介電層230底表面或附近的介電層230內有較低或最低氮濃度(例如按氮原子總重量計為約1重量%-20重量%),例如介電層230/基板200界面或介電層230/界面層220界面(若有界面層220)。氮集中層250乃形成以穩定介電層230及提供阻障層,以免從上覆層(例如金屬閘極層240)不當擴散到底下基板。 然同時,介電層230具高氮濃度亦會因不完全鍵結或氮不當擴散到底下基板而導致遷移率減低。為維持預定氮濃度及防止氮擴散到底下基板,本發明提出將介電層230內的氮濃度均勻度控制在能成功抑制摻質擴散及穩定介電層230的濃度,又可在介電層230與界面層220間界面提供較低或最低氮濃度。特別地,本發明氮化製程可確保氮不會擴散到底下基板200。
在一實施例中,在控制大氣氨環境中,在存有氨氣 流入處理腔室的情況下,利用退火製程進行氮化製程。大氣氮環境的氨分率可為約1%至100%。所述退火製程係指在高 於約600℃下進行的製程,且溫度通常高於約700℃。可利用雷射退火製程、閃光(flash)退火製程、瞬間(spike)退火製程、快速熱退火製程及/或爐退火製程進行退火製程。在本發明一實施例中,氮集中層250由雷射退火製程形成。在一實例中,雷射退火製程係動態表面退火(DSA)製程。雷射退火製程可從能源輸送恆定能通量至基板表面的小區域。基板則相對輸送到小區域的能量移位或掃描(反之亦可)。能源可輸送電磁輻射能,以對預定基板區域進行退火製程。典型的電磁輻射能源包括光輻射源、電子束源、離子束源及/或微波能源,但不以此為限,上述任一者可為單色或多色且可具任何預定一致性。在一實施例中,能源係使用一或更多雷射源的光輻射源。雷射可為任何雷射類型,例如氣體雷射、準分子雷射、固態雷射、纖維雷射、半導體雷射等,雷射可配置以發射單一波長或同時發射二或更多波長的光。
雷射退火製程可短時間針對特定基板區域,例如約 1秒或以下。在不同實施例中,雷射退火製程係按毫秒級進行。毫秒退火因透過急劇溫度分布而有較少漏電誘發缺陷,故可改善產率性能及改良接面漏電性能。因此,毫秒退火製程能精確控制將氮置入介電層230,同時減少氮擴散到下層。
雷射退火製程可在任何適於形成及退火處理介電層 230的處理腔室或處理腔室組合中進行。適合腔室包括任何能進行雷射退火或動態表面退火(DSA)、閃光退火、快速熱處理(RTP)(例如瞬間或長溫(soak)RTP退火)的腔室或腔室組合。一示例性腔室為取自美國加州聖塔克拉拉應用材料 公司的Astra DSA®腔室。用於實踐本發明實施例的各處理腔室可個別操作或為叢集工具的一部分,例如叢集工具的CENTURA®線之一,CENTURA®線取自美國加州聖塔克拉拉應用材料公司。
在一些實施例中,在雷射退火製程前,用適合的淨 化氣體淨化處理腔室(例如DSA腔室),例如氮,使氮環境中的氧濃度降至10ppm(百萬分之一)以下。如此可限制界面氧化物生成。接著可關閉淨化氣體,或若後續雷射退火製程使用的含氮氣體為氮,則可繼續流入。
雷射退火製程可包括提供雷射光束,雷射光束相繼 施加至待退火物體的至少一些部分,例如閘極結構202的介電層230。操作時,雷射光束退火處理介電層230的第一部分一段預定時間,然後基板200及/或雷射光束移動,及雷射光束退火處理介電層230的第二部分一段預定時間。雷射光束可以脈衝或連續模式和預定波長與強度範圍操作。在一實施例中,雷射光束的波長為約200nm至約20微米,例如約700nm至約1200nm,例如約810nm,能量密度為約0.1瓦/平方公分(W/cm2)至約10W/cm2。雷射光束可具約0.01毫秒至約1000毫秒的短暫暫流時間,例如約0.1毫秒至約100毫秒,例如約0.1毫秒至約20毫秒,例如約0.2毫秒至約5毫秒。 暫流時間應夠短,以免基板彎曲及破裂。可依如待退火材料的吸收性(例如吸收截面、消光係數等)和基板相對傳遞到預定基板區域的雷射光束移位或掃描速度調整條件。可改變雷射移動速度或反覆曝照,以改變雷射光束的暫流時間。在 任一情況下,雷射掃描速率可為25毫米/秒至450毫米/秒,以達成毫秒級暫流時間。應理解雷射退火製程可為奈秒退火製程、微秒退火製程或閃光燈退火製程,包括氙閃光燈退火製程。
在一些實施例中,含氮氣體包括氨(NH3)、氮(N2)、 聯氨(N2H4)和上述物質混合物,但不以此為限。在一些實施例中,含氮氣體包括包含NH3與N2的氣體混合物或包含NH3與H2的氣體混合物。在某些實施例中,在具N2與H2的氣體混合物中,聯氨(N2H4)取代或結合NH3使用。在一些實施例中,含氮氣體使用一氧化氮(NO)、一氧化二氮(N2O)或二氧化氮(NO2)。或者,含氮氣體可包括低級取代聯氨(N2R2,其中R個別為氫、甲基、乙基、丙基、乙烯基或丙烯基)和低級胺(NRaHb,其中a和b分別為0至3的整數且a+b=3,R個別為氫、甲基、乙基、丙基、乙烯基或丙烯基)、醯胺(RCONR’R”,其中R、R’和R”個別為氫、甲基、乙基、丙基、乙烯基或丙烯基)、亞胺(RR’C=NR”,其中R、R’和R”個別為氫、甲基、乙基、丙基、乙烯基或丙烯基)或亞醯胺(RCONR’COR”,其中R、R’和R”個別為氫、甲基、乙基、丙基、乙烯基或丙烯基)。在此一情況下,含氮氣體可選擇性與不反應氣體混合,例如一或更多氮氣(N2)、氦(He)、氬(Ar)、氖(Ne)、氙(Xe)等。
在雷射退火製程期間,腔室壓力可維持在約1托耳 至約760托耳。受雷射光束入射部分的溫度可能高達約1400℃。受雷射光束入射部分的尖峰溫度可為約600℃至約1412 ℃。在不同實施例中,放置基板200於上的基板支撐件的加熱器溫度可為室溫至約800℃。加熱器機動性能使加熱器溫度設定成低於或高於基板在先前製程步驟中接觸的溫度。靜電夾頭可用於減壓製程。
基板200可在整個雷射退火製程接觸加熱器溫度。 在一些實施例中,基板200經預熱達約600℃或以下,例如約300℃或以下、約250℃或以下,例如約100℃或以下,例如約25℃,藉以改善基板上的材料表面性質。預熱溫度應夠低,以免失控擴散。一旦達到預定預熱溫度,便可啟動雷射光束來加熱基板200的預定區域,即介電層230。雷射光束的光束溫度可為約600℃至約1400℃。光束溫度應夠高,以在基板無破裂情況下最佳化活化/退火製程。在一些實施例中,加熱器溫度為約100℃至約600℃,雷射光束溫度為約600℃至約1400℃。例如,加熱器溫度可為約25℃至約300℃,雷射光束溫度可為約600℃至約1000℃。在一些實例中,加熱器溫度為約300℃至約600℃,雷射光束溫度為約700℃至約1400℃。在一些情況下,雷射退火製程可加熱介電層230達近似熔點,又不會真的產生液態。接著利用在處理腔室中的高壓氮大氣,在雷射光束供應的高熱能下,將含氮氣體中的氮併入介電層230。若有需要,可反覆進行雷射退火製程,直到介電層230內形成預定氮分布。在一實例中,氮集中層250於介電層230頂表面或附近的濃度為約1×1018個原子/立方公分或以上,例如約1.6×1020個原子/立方公分至約1.4×1021個原子/立方公分,於介電層230底表面或附近的濃度為約1×1015 個原子/立方公分或以下。
或者,在一些實施例中,在存有含氮氣體(如上述) 下,利用閃光退火,以高於約950℃進行氮化製程。在一些實施例中,溫度高達約1400℃。在一些實施例中,溫度為約800℃至約1400℃。閃光退火製程時間可定義為如介電層230接觸閃光退火系統的弧光燈輻射能的時間。在一些實施例中,接觸時間為約0.1毫秒至約20毫秒,例如約0.5毫秒至約8毫秒。在一些實施例中,接觸時間為約2毫秒至約5毫秒。 亦可採行其他適合的退火製程,例如瞬間快速熱退火或長溫快速熱退火製程。
在方塊110中,完成方塊108的雷射退火製程後, 即可依需求進一步處理基板200,以完成待製造於上的任何結構或裝置。例如,金屬閘極層240可形成在介電層230上。 金屬閘極層240可具適於提供待處理半導體裝置適當功函數的厚度。例如,金屬閘極層240的厚度可為約10埃(Å)至數百Å,例如約20Å至約100Å。金屬閘極層240可包括金屬、金屬合金、金屬氮化物、金屬矽化物或金屬氧化物。在一些實施例中,金屬閘極層240可含有鈦、鈦鋁合金、鉭、鉭鋁合金、氮化鈦、氮化鈦矽、氮化鈦鋁、氮化鉭、氮化鉭矽、氮化鉿、氮化鉿矽、氮化鋁、氧化鋁、鎢、鉑、鋁、釕、鉬、其他導電材料或上述物質組合物。可視待形成層材料使用適合製程來形成金屬閘極層240,例如化學氣相沉積(CVD)技術、電漿加強化學氣相沉積(PECVD)技術、物理氣相沉積(PVD)技術、原子層沉積(ALD)技術或上述製程組合。
本發明的優點包括在控制大氣氨環境中,利用毫秒退火製程快速淺併入氮至層內。毫秒退火製程因透過急劇溫度分布而有較少漏電誘發缺陷,故可改善產率性能及改良接面漏電性能。因此,毫秒退火製程能精確控制將氮置入形成於基板上面的層內,同時減少氮擴散到下層。
雖然以上係針對本發明實施例說明,但在不脫離本發明基本範圍的情況下,當可策劃本發明的其他和進一步實施例。
100‧‧‧方法
102、104、106、108、110‧‧‧方塊

Claims (20)

  1. 一種處理基板的方法,包含下列步驟:在一處理腔室中,以約600℃至約1450℃的一溫度,在一大氣氨環境中,退火處理一介電層,以將氮併入形成於一基板上面的該介電層,其中該退火步驟係利用一雷射光束進行,該雷射光束具有約200nm至約20微米的一波長和約0.01毫秒至約1000毫秒的一暫流時間。
  2. 一種處理基板的方法,包含下列步驟:在一基板上面形成一介電層;及在一處理腔室中,在一大氣氨環境中,從一能源輸送一恆定能通量至該介電層的一表面上的一預定區域,以將氮併入該介電層,其中該恆定能通量係按毫秒級輸送。
  3. 如請求項2所述之方法,其中該能源包含一光輻射源、一電子束源、一離子束源、一微波能源或一上述能源組合。
  4. 如請求項2所述之方法,其中該能源係一光輻射源,該光輻射源使用在一脈衝或連續模式下操作的一或更多雷射源。
  5. 如請求項4所述之方法,其中該恆定能通量係以約0.1毫秒至約100毫秒的一時段和約1托耳至約760托耳的一腔室壓力輸送。
  6. 如請求項4所述之方法,其中該恆定能通量係以約200nm至約20微米的一波長和約0.1W/cm2至約10W/cm2的一能量密度輸送。
  7. 如請求項2所述之方法,其中該氮併入該介電層而形成一氮集中層,該氮集中層從該介電層的該表面測量的一厚度為約5Å至約100Å。
  8. 如請求項2所述之方法,其中該大氣氮環境係藉由流入一含氮氣體至該處理腔室而建立,該含氮氣體包含氨(NH3)、氮(N2)、聯氨(N2H4)或上述物質混合物。
  9. 如請求項2所述之方法,進一步包含:在將氮併入該介電層前,用一淨化氣體淨化該處理腔室,使氧濃度降至小於10ppm。
  10. 如請求項2所述之方法,進一步包含:在將氮併入該介電層前,加熱該基板達一第一溫度。
  11. 如請求項10所述之方法,其中該恆定能通量加熱該基板達約600℃至約1000℃或約700℃至約1400℃的一第二溫度。
  12. 如請求項10所述之方法,其中該第一溫度為約25℃至約 300℃或約300℃至約600℃。
  13. 如請求項2所述之方法,其中該介電層包含氧化鉿(HfOx)、氧化鉿矽(HfSixOy)、氮氧化鉿矽(HfSiOxNy)、氧化鉿鋁(HfAlOx)、氧化鋁(Al2O3)、五氧化二鉭(Ta2O5)、二氧化鈦(TiO2)、氧化鋯(ZrO2)、氧化鉿鋯(HfZrxOy)、氧化鑭(La2O3)、氧化釔(Y2O3)、或上述物質的鋁酸鹽或矽酸鹽、鈦鋁合金、鉭鋁合金、氮化鈦、氮化鈦矽、氮化鈦鋁、氮化鉭、氮化鉭矽、氮化鉿、氮化鉿矽、氮化鋁或上述物質組合物。
  14. 一種處理基板的方法,包含下列步驟:在一基板上面形成一介電層;利用置於一處理腔室的一基板支撐件的一加熱器,加熱該基板達約600℃或以下一第一溫度;及在存有一含氮氣體下,退火處理形成於該基板上面的該介電層,計約0.1毫秒至約10毫秒。
  15. 如請求項14所述之方法,進一步包含:在形成該介電層前,在一含氧環境中,形成一界面層至該基板上。
  16. 如請求項14所述之方法,其中退火處理該介電層包含在約600℃至約1400℃的一第二溫度下,進行一雷射退火製程。
  17. 如請求項14所述之方法,其中退火處理該介電層包含在約800℃至約1400℃的一第二溫度下,進行一閃光退火製程。
  18. 如請求項14所述之方法,其中退火處理該介電層將形成一氮集中層,該氮集中層從該介電層的一頂表面測量的一厚度為約5Å至約100Å。
  19. 如請求項14所述之方法,其中該含氮氣體包含氨(NH3)、氮(N2)、聯氨(N2H4)或上述物質混合物。
  20. 如請求項14所述之方法,其中該介電層包含氧化鉿(HfOx)、氧化鉿矽(HfSixOy)、氮氧化鉿矽(HfSiOxNy)、氧化鉿鋁(HfAlOx)、氧化鋁(Al2O3)、五氧化二鉭(Ta2O5)、二氧化鈦(TiO2)、氧化鋯(ZrO2)、氧化鉿鋯(HfZrxoy)、氧化鑭(La2O3)、氧化釔(Y2O3)、或上述物質的鋁酸鹽或矽酸鹽、鈦鋁合金、鉭鋁合金、氮化鈦、氮化鈦矽、氮化鈦鋁、氮化鉭、氮化矽鉭、氮化鉿、氮化鉿矽、氮化鋁或上述物質組合物。
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107658225A (zh) * 2016-07-26 2018-02-02 株式会社斯库林集团 热处理方法
TWI694524B (zh) * 2017-11-30 2020-05-21 台灣積體電路製造股份有限公司 半導體結構及其形成方法
US11244823B2 (en) 2017-11-30 2022-02-08 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Varying temperature anneal for film and structures formed thereby
TWI756544B (zh) * 2018-06-29 2022-03-01 台灣積體電路製造股份有限公司 半導體裝置及其製造方法
TWI800291B (zh) * 2021-08-26 2023-04-21 台灣積體電路製造股份有限公司 半導體裝置及其形成方法

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW201517133A (zh) * 2013-10-07 2015-05-01 Applied Materials Inc 使用熱佈植與奈秒退火致使銦鋁鎵氮化物材料系統中摻雜劑的高活化
US9613828B2 (en) * 2014-06-24 2017-04-04 Ultratech, Inc. Method of laser annealing a semiconductor wafer with localized control of ambient oxygen
CN104766802B (zh) * 2015-03-26 2019-05-03 深圳市华星光电技术有限公司 液晶显示面板、阵列基板及其薄膜晶体管的制造方法
US10916426B2 (en) * 2018-05-25 2021-02-09 Applied Materials, Inc. Formation of crystalline, layered transition metal dichalcogenides
US10833150B2 (en) 2018-07-11 2020-11-10 International Business Machines Corporation Fast recrystallization of hafnium or zirconium based oxides in insulator-metal structures
US11362275B2 (en) * 2019-05-07 2022-06-14 Applied Materials, Inc. Annealing processes for memory devices

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4615765A (en) * 1985-02-01 1986-10-07 General Electric Company Self-registered, thermal processing technique using a pulsed heat source
JP3472231B2 (ja) * 1992-10-09 2003-12-02 株式会社半導体エネルギー研究所 半導体装置
US5872031A (en) * 1996-11-27 1999-02-16 The Regents Of The University Of California Enhancement-depletion logic based on gaas mosfets
US6232658B1 (en) * 1999-06-30 2001-05-15 Lsi Logic Corporation Process to prevent stress cracking of dielectric films on semiconductor wafers
CN1254854C (zh) * 2001-12-07 2006-05-03 东京毅力科创株式会社 绝缘膜氮化方法、半导体装置及其制造方法、基板处理装置和基板处理方法
US7517751B2 (en) * 2001-12-18 2009-04-14 Tokyo Electron Limited Substrate treating method
US6849831B2 (en) * 2002-03-29 2005-02-01 Mattson Technology, Inc. Pulsed processing semiconductor heating methods using combinations of heating sources
KR20040096377A (ko) * 2003-05-09 2004-11-16 삼성전자주식회사 산화막 및 산질화막 형성 방법
US20070298623A1 (en) * 2006-06-26 2007-12-27 Spencer Gregory S Method for straining a semiconductor device
US7674999B2 (en) * 2006-08-23 2010-03-09 Applied Materials, Inc. Fast axis beam profile shaping by collimation lenslets for high power laser diode based annealing system
US7575986B2 (en) * 2007-08-08 2009-08-18 Applied Materials, Inc. Gate interface relaxation anneal method for wafer processing with post-implant dynamic surface annealing
US8008216B2 (en) * 2007-09-24 2011-08-30 Texas Instruments Incorporated Nitrogen profile in high-K dielectrics using ultrathin disposable capping layers

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107658225A (zh) * 2016-07-26 2018-02-02 株式会社斯库林集团 热处理方法
TWI642107B (zh) * 2016-07-26 2018-11-21 斯庫林集團股份有限公司 熱處理方法
TWI694524B (zh) * 2017-11-30 2020-05-21 台灣積體電路製造股份有限公司 半導體結構及其形成方法
US10748760B2 (en) 2017-11-30 2020-08-18 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Varying temperature anneal for film and structures formed thereby
US11244823B2 (en) 2017-11-30 2022-02-08 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Varying temperature anneal for film and structures formed thereby
US11715637B2 (en) 2017-11-30 2023-08-01 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Varying temperature anneal for film and structures formed thereby
TWI756544B (zh) * 2018-06-29 2022-03-01 台灣積體電路製造股份有限公司 半導體裝置及其製造方法
US11355339B2 (en) 2018-06-29 2022-06-07 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Forming nitrogen-containing layers as oxidation blocking layers
TWI800291B (zh) * 2021-08-26 2023-04-21 台灣積體電路製造股份有限公司 半導體裝置及其形成方法

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