TW419745B - Method of forming an insulation film in a semiconductor device - Google Patents

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Description

419 745 B7 五、發明說明（/ ) 發明領域： 本發明係關於一種絕緣層的製作方法’其係為一種金屬 氧化半導體（MOS)元件的基本製程，其係可應用於所有 具有MOS結構之超大型積體電路（ULSI)。 發明背景·· 在’習知技藝中’一閘極氧化（gate 〇xide)絕緣層係在 氧氣、氫氣或蒸汽的環境下，對矽晶片進行高溫回火 (annealing)處理，而將氧化矽（Si〇1 2)絕緣層形成於所述 矽晶片上。其中所述Sl〇1絕緣層將含有大量的氳，是以會在 所述Si02絕緣層中形成Si-H鍵結。 隨著半導體元件之積集度增加，絕緣層之厚度減少到 50A以下，當所述絕緣層之厚度減少時，si_H鍵容易因電致 m力而斷裂。因此，它可能導致絕緣層電性及可靠度上的問 題產生’例如：降低的TDDB (Time_Independent dielectric breakdown)及增高的见(：（Stress Induced Leakage Ciurem) 等e 半導體元件為了能獲得較高的積集度，它要求上述之絕 緣層需非常溥（thin)及非常均勻（uniform)，而且還能維 持良好之可靠度特徵。然而’如同上述的情況，習知技藝中 仍存在著瓶頸尚待解決。 根據‘ffiEE Electron Device Letter, Vol. 18, No. 3, March p.81-83, 19975 f'Results of Improved Device Reliability Using Demerirnn (¾) ”這篇文獻的報導，其係在元件製程的最後 步驟利用在含有氘氣（D2)的環境下進行回火處理，則存在 (請先閱讀背面之泫音？事項再填寫本頁) 裝 --------訂------1Ι-Ϋ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印*1^ 1 2 本紙張尺度適用+國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） A7 --------- 五、發明說明（二）
Si/Si〇2界面間未與氧產生鍵結之矽可形成具有強鍵結力之 Si-D鍵結來取代習知的Si H鍵結’因此，即使在元件進行操 作之咼電場環境下，所述絕緣層仍可保持良好之電性及可靠 度然而’在》儿積—具有—純化層（p—vation㈣沈）之 層=情況中，上述方法將產生一個問題，此即由於氣難以擴7 散牙越所述S^N4層，是以Si_D鍵不易形成於Si/Sl〇2界面，因 ，無法有效改進元件之特徵。上述方法還需面對另一個問 題即由於熱製程之溫度不能高於鋁金屬導線之熔點，所以 不月b有效增加擴散至界面之氛的數量。 發明之概述： 本發明之主要目的是提供—種轉體元件之縣層的製 作方法。 為達到上述之目的，本發明係直接於含有氧化氛（〇2〇) 或氖氣（DJ之環境下形細述絕緣m可以容易的鍵 結於Si/Sl〇2界面，解決於背景說明中述及之相關問題，改進 元件之電性及可靠度特徵。 圖式簡要說明： 圖-為本發明實施例之M0S電容胃中絕緣層陷住電子 之關係圖。 發明詳細說明： -種絕緣層的製作方法’例如:閑極氧化層(gateoxide) =製作，錢為-種轉體元件縣本餘。隨著半導體元 件之積集度增加:絕緣層之厚度減少到5GA以下時，該絕緣 層必須仍可以提昇其電性可靠度特徵。 A7 I 4，η 7 / … • *〆
I ----SZ-—___ 五、發明說明（〉） 為了提昇絕緣層之電性可靠度特徵，所述利用在氧化氘 (AO)或氘氣（〇2)之環境下進行氧化製程的方法，氘可 容易的鍵結於Si/Si〇2界面。換句話說，本發明係在絕緣層之 製作過程中’使Si-D鍵結形成於Si/Si02界面。 以下面將述及之第二實施例及第三實施例來說，第一及 第二步驟之氧化溫度可被控制在一適當的範圍。換句話說， 所述第一及第一步驟之氧化溫度可同時或分別進行’所以絕 緣層厚度及氘含量可以被控制。 以下係為本發明之詳細實施例，請同時參考說明書中所 附圖式： θ 第一實施例 在清洗過矽晶片之後，再於該矽晶片上形成一絕緣層。 所述矽晶片係被送入加熱爐中，置於65〇〇c〜75〇。匚下進行加 熱處理。然後，在溫度介於75(rc〜105(rc時通入氧化氘，使 其形成一絕緣層於所述矽晶片上，完成半導體元件。 在上述之第一實施例中，氧化氘之流速（fl〇w rate)係 "於3至 10 SLM ( standard liter per minute )之間。 第二實施例 如第一實施例所述，在將所述矽晶片送入加熱爐中之 後’第一步係先通入流逮介於3至10 SLM之間的氧氣，使其 於所述矽晶片上形成約30A〜50A之第一絕緣層；接著，第二 步則通入流速介於3至10 SLM之間的氧化氘，形成約 10A〜30A之第二絕緣層於所述第一絕緣層上，完成本發明之 絕緣層的製作。其中所述氧氣係作為氧化反應之氣體 ____4 ^紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 X 297公爱) ---- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝·τ--^----訂---------^ 經濟部智慧財產局員工消費合作杜印制找 419745 A7 ----- 五、發明說明（γ) (oxidizing gas) ’而且其與在溫度71〇。〇〜川知艽時通入之所 述氧化來乃被分別使用。 在上述之第二實施例中，可以用氧化氮（N〇)或二氧 化氮（N〇2)來取代所述第一氧化處理步驟之氧氣，而所述 之第一'第二氧化處理步驟之次序亦可交換進行。 第三實施例 如第一實施例所述’在將所述矽晶片送入加熱爐中之 後’第一步係於溫度介於75(rc~95(rc時，通入流速介於3至 10 SLM之間的氧化氖’使其於所輕晶片上形成约3〇A至 50A之第一絕緣層；接著，第二步則於溫度介於95〇艽〜1〇5〇 C時，通入流速介於3至1〇 SLM之間的氧化氮或二氧化氮， 形成約10A至30A之第二絕緣層於所述第一絕緣層上，完成 本發明之絕緣層的製作。其巾所化贼二氧化氮係作為 氧化反應之氣體，而且與所述氧化氘乃分別通入。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 --i I I---I-- 議裝'— I----|訂· {請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 在上述之第三實施例中，可以用氧氣當作氧化反應氣體 來取代所述第二步驟之氧化氮或二氧化氮，而所述之第一、 第二氧化處理步驟之次序亦可交換進行。同樣的，在不改變 反應溫度的情況下’氧化氘可用於所述第二氧化處理步驟， 而氧化氮或二氧化氮則用於所述第一氧化處理步驟。 第四實施例 如第實細》例所途1，在將所述碎晶片送入加熱爐中之 後，在溫度介於750°C〜1050t之間時，同時通入作為氧化反 應氣體之氧化氮或二氧化氮及氧化氘，所述混合氣體之流速 係介於3至10 SLM之間’其係可形成一絕緣層於所述矽晶片 1 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 .419745 ‘ A7 _______B7_ 五、發明說明（y) 上’此時所述混合氣體之混合比例係約為 氧化氮或二氧化氮：氧化氘=1 : 0.1〜10 。 在上述之第四實施例中，可以用氧氣當作氧化反應氣體 來取代所述第二步驟之氧化氮或二氧化氮。 第五實施例 如第一實施例所述，在將所述矽晶片送入加熱爐中之 後，於溫度介於750°c〜1050°c之間時，同時通入作為氧化反 應氣體之氧氣及氧化氘，所述混合氣體之流速係介於3至1〇 SLM之間，其係可形成一絕緣層於所述石夕晶片上，此時所述 混合氣體之混合比例係約為 ‘ 氧氣：氧化氘=1 : 0.5〜2 。 在上述之第五實施例中，可以用氧化氮或二氧化氮當作 氧化反應氣體來取代所述第二步驟之氧氣。 在上述之實施例中，氘被加進Si/Si〇2之界面中而形成 Si-D鍵結。附帶一提，管狀爐管（她6 ^ype fumace)及缺速 加熱爐（rapid thermal furnace)係皆可作為實施例中使用之 加熱爐。 测試實施例 請參閱圖一，圖式中走勢係顯示出M〇s電容器中 緣層fe住電子之情形◊其中口加^厚之絕緣層係在的 高溫下’分別利用氧化氖（职）及氧化氫（Η》）所成長 出在圖巾AVG係表示在電流一定下其閘極電位偏移 (voltage shift)量，而在此測試實施例中，其電流係為 l〇mAW。如同在圖—t可看_，比較f知在氧化氣環 f請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝--------訂----- A7 419745 五、發明說明（ί) 境中成長的絕緣層及在氧錢魏中成長_ 氛環境帽縣層其㈣住電子㈣顯 = 化氳環境中成長的絕緣層，因此，可知在氧化氣環 ^絕緣層其元件可靠度乃高於在氧域魏中成長緣 層。 如上所述，本發明於氧化& (吵）或氛氣（⑷ 中成長之絕緣層’具有足夠數量之氛被加入咖A之界面 中，可提昇元件之電性可靠度特徵。因此，本發明觸露之 絕緣層不只具有良好之電性可靠度，還易於將氣加入獅& 之界面，即控制存在於所述絕緣層中之鈍化層的氘含量。 以上所述係利用較佳實施例詳細說明本發明，而非限制 本發明的顏’ @此熟知此技藝的人士舰明瞭，適當而作 些微的改變與調整，仍將不失本發明之要義所在，亦不脫離 本發明之精神和範圍，故都應視為本發明的進一步實施狀 況。謹請貴審查委員明鑑，並祈惠准，是所至禱。 J ^ 1 ^ ^ I L 1 I n n I ί (請先閱讀背面之注意事項#填寫本貢) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準&NS)A4規格⑵〇 χ挪公笼

Claims (1)

  1. 經濟部智慧財產局員工消費合作杜印製 419 745 A8 B8 CS _ D8 六、申請專利範圍 1. 一種半導體元件之絕緣層的製作方法，其步驟係包括： C a)清洗一石夕晶片’並將所述石夕晶片送入加熱爐中； (b)通入氧化氘（D20)於所述加熱爐中以成長一絕緣 層於所述石夕晶片上。 2. 如申·請專利範圍第1項所述半導體元件之絕緣層的製作方 法’其中所述將石夕晶片送入加熱爐之溫度係介於650 〜750°C之間’而所述絕緣層之成長溫度係介於75〇t~l〇5〇 °C之間。 3. 如申請專利範圍第1項所述半導體元件之絕緣層的製作方 法’其中所述氧化氘係以介於3至1 〇 SLM (standard liter per minute)的流速通入加熱爐中。 4. 一種半導體元件之絕緣層的製作方法，其步驟係包括： (a) 清洗一碎晶片’並將所述梦晶X送入加熱爐中； (b) 通入一氧化反應氣體於所述加熱爐中以成長第一絕 緣層於所述石夕晶片上； (c) 通入一氧化氘（D20)於所述加熱爐中以成長第二 絕緣層於所述第一絕緣層上，可形成含氘之絕緣 層。 5. 如申請專利範圍第4項所述半導體元件之絕緣層的製作方 法’其中所述氧化反應氣體係由包含氧氣、氧化氮、二 氧化氮群中選出者。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) \4^Μ· ( 210>^297-ώ·^ ) ---------装------訂------t > . (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 419745 經濟部智慧財產局員工消費合作i印製 AS B8 CS ----------— D8 六、申請專利範圍 6.如申請專利範圍第4項所辭導體元件之絕緣層的製作方 法，其中所述第一絕緣層及所述第二絕緣層之成長溫度 係介於750°C〜1050°C之間。 7_如申請專職鮮4顧辭導體元件之絕緣層的製作方 法，其中所述第一絕緣層之成長溫度係介於75crc〜95crc 之間，以及所述第二絕緣層之成長溫度係介於95〇t〜1〇5〇 °C之間。 8. 如申請專利範圍第4項所述半導體元件之絕緣層的製作方 法，其中所述氧化反應氣體及所述氧化氘係分別以介於3 至 10 SLM (standard liter per minute)的流速通入加熱爐 中。 9. 一種半導體元件之絕緣層的製作方法，其步驟係包括： (a) /月洗一石夕晶片’並將所述石夕晶片送入加熱爐中； (b) 通入一氧化氘（ao)於所述加熱爐中以成長第一 絕緣層於所述石夕晶片上； (c) 通入一氧化反應氣體於所述加熱爐中以成長第二絕 緣層於所述第一絕緣層上’可形成含氘之絕緣層。 10·如申請專利範圍第9項所述半導體元件之絕緣層的製作方 法，其中所述氧化反應氣體係由包含氧氣'氧化氮、二 氧化氤群中選出者。 11 ·如申請專利範圍第9項所述半導體元件之絕緣層的製作方 法’其中所述第一絕緣層及所述第二絕緣層之成長溫度 係介於750°C〜l〇50°C之間。 X 本紙張尺度適用中國國家榡準（CNS > A4規格（2丨0&97公釐} (請先閏讀背面之注意事項再填寫本頁) 装. 訂 VI a 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 __ 六、申請專利範圍 12_如申請專利範圍第9項所述半導體元件之絕緣層的製作方 法，其中所述第一絕緣層之成長溫度係介於75〇。€〜95〇它 之間，以及所述第二絕緣層之成長溫度係介於95〇1~1仍〇 °C之間。 B·如申請專利範圍第9項所述半導體元件之絕緣層的製作方 法其令所述氧化反應耽體及所述氧化沉係分別以介於3 至 10 SLM (standard liter per minute)的流速通入加熱爐 中。 14‘一種半導體元件之絕緣層的製作方法，其步驟係包括： (a) 清洗一矽晶片，並將所述矽晶片送入加熱爐中； (b) 通入氧化反應氣體及氧化氘（ε>2〇)於所述加熱爐 中以成長一絕緣層於所述石夕晶片上。 15·如申請專利範圍第14項所述半導體元件之絕緣層的製作 方法，其中所述將矽晶片送入加熱爐之溫度係介於65〇。〇 〜750°C之間’而所述絕緣層之成長溫度係介於75〇t：〜1〇5〇 °C之間。 16. 如申請專利範圍第14項所述半導體元存之絕緣層的製作 方法，其中所述氧化反應氣體及所述氧化氘係分別以介 於3至 10 SLM (standard liter per minute)的流速通入加熱 爐中。 17. 如申請專利範園第14項所述半導體元件之絕緣層的製作 方法，其中所述氧化反應氣體係由包含氧氣、氧化氮、 二氧化氮群中選出者。 本紙張尺度適用中國國家榇準（CNS ) Λ4Β ( 210喊如7公釐） -------'玎------線 •* (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
    六、申請專利範圍 18. 如申請專利範圍第14項所述半導體元件之絕緣層的製作 方法’其中所述氧化反應氣體係由氧化氮、二氧化氮群 中選出者，其與氧化氘之比例係為氧化氮或二氧化氮比 氧化氖等於1比0.1〜10。 19. —種半導體元件之絕緣層的製作方法，其步驟係包括： (a) ·清洗一矽晶片，並將所述矽晶片送入加熱爐中； (b) 通入氧化反應氣體及氘氣（q)於所述加熱爐中以 成長一絕緣層於所述石夕晶片上。 2〇.如申請專利範圍第19項所述半導體元件之絕緣層的製作 方法，其中所述將矽晶片送入加熱爐之溫度係介於65〇°c 〜750C之間’而所述絕緣層之成長溫度係介於75〇°c〜1〇5〇 °C之間。 21·如申請專利範圍第19項所述半導體元件之絕緣層的製作 方法’其令所述氧化反應氣體及所述氘氣係分別以介於3 至 10 SLM (standard liter per minute)的流速通入加熱爐 中。 22, 如申請專利範圍第19項所述半導體元件之絕緣層的製作 方法’其中所述氧化反應氣體係由包含氧氣、氧化氮、 二氧化I群中選出者。 23. 如申請專利範圍第19項所述半導體元件之絕緣層的製作 方法’其中所述氧化反應氣體係為氧氣，其與氧化氘之 比例係為氧氣比氧化氣等於1比0.5〜2。 本紙張尺度逋用中™^ 士衣------訂------嚷 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製
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