TW442868B - Manufacturing method of gate oxide layer - Google Patents

Description

44286 8 五、發明說明（l) 【發明領域】 本發明是有關於半導體製程技術’且特別是有關於一 種閘氧化層的製作方法’根據本發明之方法可形成高度含 氮的閘氧化層，同時閘氧化層與矽基底可保有良好的界面 品質。 【發明背景】 隨著積體電路設計的複雜化’為了提高晶片中元件的 密度，單一元件的尺寸不斷被縮小，目前生產線上已使用 線寬〇· 25 # m以下的製程技術來製造晶片。然而’以習知 MOS電晶體由於其構造與材質的限制，在元件持續縮小的 情況下，逐漸產生許多缺點。 首先，源極和汲極之間的通道長度縮短後，因電場強 度相對而言提高許多，往往尚未施加電壓於閘電極構造 上’即因熱電子的作用而產生電流，造成元件加速崩潰 (breakdown)。其次，電晶體元件操作過程中產生的熱载 子（hot carrier)，由於受到閘電極構造的高電場影響， 往往會注入到閘氧化層中’造成閘氧化層的損傷 (degradation) ’導致元件的可靠度降低。關於前者，可 由降低電場強度和抑制熱電子產生兩方面著手，LDJ)電晶 ，技術即以淡摻植之源極區和汲極區，來降低通道區兩 強纟’可有效改善短通道效應，是業界所廣為採用 的技術。而關於徭去，Β_, __ μ，^ 、 42868 五、發明說明（2) 在p型場效電晶體的製作過程中，通常會以B+ ，子，’ fPMOS進行源極與没極的植入，同時—併植2入問 極。在目前閘氧化層越作越薄的情形下，如何避 滲透(，加刚)到通道區，已成為簡 製作的一個重要課題。 t 為^問極漏電流、冑高問氧化層對熱栽子的抵抗 H 棚離子穿透的現象，c.τ. ^等人於 IEEE Electron Device Letters, Vol. 18, N〇. 3 p·105的文獻中，即提出-種利用氮離子 間氧化層特性的改良技術，其方法是在尚 未&成值氧化層之前’先以離子佈植程序將適量氣離 1底6τ件區中，再以熱氧化成長方法形成- 閘乳化層。由於先前植入元件區之氮離子的㈣ 氧二匕反應的速率減緩’目此所生成之閉氧化層將更加敏密、 矛口均-一 〇 根JC. T_"Uu等人的研究結果，在佈植I離子之矽 :i i ΐ S ί化層1可增強其對抗熱載子損傷和防止硼 電日日體的可罪度。此外，由於將氮 ;石基-的元件區中，也可使通道區之臨界電壓 (threshold V〇ltage)降低同時抑制短通道效應的發生。 =外φ有s知技術是將開氧化層在叫、N〇 〇環 境下進行回火’使閘氧化層形成一含氣的界面，而得到更 加的電特性，同時增進對硼滲透的抵抗力。 然而，上述用來提昇閘氧化層品質的方法，無論是以

第5頁 442868 五、發明說明（3) 對閘氧化層 quality) ，佈植程序 生晶格缺 氮化時，則 〇 有效的閘氧 又保有良好 層的製作技 有必要針對 佈植或回火方式來進彳千 功I〇防/cwm 虱化’均已經被證實會 的界面 〇〇 質（Si/SiOdSir^、、^ . ,0 ^心⑽））或整體品質（bulk 造成損害。除此之外，_ tju 冰从一此旦 右以佈植方式進行氮化 時的向能量，還會造成〆 π 保^ β a + 成€夕基底的損傷，使其產 \、加漏電流的機會：而以回火方式來進行 疋介面：含氮量有限’無法製造含既高之界面 根上述在目知習知技術中仍沒有一個 化層f法，可同時形成含氮高的問氧化層， 的界面°口貝與整體品質。因此，為了使閘氧化 術更漆完善以因應元件尺寸縮小化的發展，實 上述問題謀求改善之道。 【發明概述】 j有鑑於此’本發明的主要^目的就是提供一種閘氧化層 的製作方法’其可形成高度含氮、高介電常數的閘氧化 層，以避免硼滲透與漏電流，並使閘氧化層兼具良好的整 體（bulk)與界面（interface)品質。 為達上述目的，本發明提供一種閘氧化層的新穎製 法二該方法主要是基於以下的發現：氮化矽層苛經由快速 熱氧化製程’在水氣（steam)的存在下被氧化。此發現與 —般常識不同，因為在以往，氮化矽以傳統的熱爐管 (furnace)僅能氧化表面層，氧化深度有限（<5入）。 據此’本發明提供一種閘氧化層的新穎製法，係在先 有或沒有氧化矽底層的存在下，沈積一氮化矽層，再以，，

第6頁 442868 五、發明說明（4) 濕式”快速熱氧化法將之轉變成氧化矽（或氮化矽）。簡言 之’本發明的方法包括下列步驟：（a)沈積一氮化矽層於 半導體基底上，以及（b)在水氣的存在下，以快速熱氧 化法將上述氮化矽層氧化，而成為一含有氮元素之閘氧化 層。 ( 根據本發明之方法’在步驟（a)之前可更包括：在基 底上形成一厚度不大於10 A的薄氧化層。步驟（b)快速熱 氧化法的反應溫度約為800〜；n〇〇°c，且反應時的水氣是利 用氫乳與氧氣臨場（in_situ)反應所形成。在步驟（b)之後 可更包括：以快速熱製程或爐管’在化、N〇、比〇、NH3或4 氣氛下進行回火。 在本發明之方法中，由於s i N與s i均可被輕易地氧 化’原來的界面將可從S i / s i N被取代成s i / s i 〇2。因此， 界面品質不會受到損害，同時使得閘氧化層整體有高含量 的氮與高介電常數。 為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明 顯易懂，下文特舉出較佳實施例’並配合所附圖式，作詳 細說明如下： 【圖式之簡單說明】 第1〜4圖為一系列剖面圖，用以說明本發明一較佳實 施例製作閘極氧化層與M〇S電晶體的流程^ 【符號說明】 1 0〜發基底；1卜場氧化物或淺溝槽隔離區；1 2〜擴散

442868 五、發明說明（5) ί =成14〜氮化矽層；15〜快速熱氧化製程；1 ^右人® 氢化屉；1 β日日> ^ ^ IL m οι ,S A 閘導電層；2〇a/2〇b〜淡摻植源極/、及極區 2 1〜絕緣側壁層2】.9 9 0 / 9 9 k 访丄士 f . /及極區 ’22a/22b〜ϊ辰推植源極/及極區。 【實施例】 下i ϊ=實施例將配合第1圖至第4圖作—詳細敘述如 货第1圖所示’在一石夕基底10上形成場氧化層或 淺溝槽隔離區η ’用以界定出元件區’並且以佈植或摻雜 方法，在凡件區形成擴散井區12。接著，以化學氣相沈積 法（CVD)在基底上沈積一厚度約1〇〜2〇 Α的氬化矽層14。較 佳者，在沈積氮化矽層〗4之前，可以熱氧化法或CVD法沈 積一層厚度不大於10A氧化底層（未顯示），用來作為氮化 石夕層14與妙基底10之間的應力緩衝層。應注意的是，在此 處的氮化矽層1 4亦可為氮氧化矽層，但本實施例僅以氮化 矽層為例進行說明。 請參照第2圖，將上述沈積有氮化矽層的基底，以"濕 式”快速熱氧化法1 5將上述氮化矽層14氧化，而成為一含 氮量高之閘氧化層1 6。此處所謂的"濕式”是指反應進行 時’臨場（in-si tu)利用氫氣與氧氣所形成之水氣。快速 熱氧化法的反應溫度約為900~1100°C，尤以1〇〇〇〜l〇5〇°C 較佳。應注意的是，此氧化步驟僅能以快速熱製程進行， 而無法以爐管達成，據推測，可能是因為快速熱製程在高 溫、in-situ進行濕式氧化法時，氫氣與氧氣除了會形成 水氣外，還會形成具有高度氧化能力的單態氧（singlet

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五、發明說明C6) oxygen) ’因此才能將氮化矽氧化。 才& 述製程中’由於Si_Si均可被輕易地氧化，原 ^的^面將可從Si/SiN被取代成51/以〇2 1此，界面品 ’同時使得閉氧化層整體具有高含量的氮 與尚；丨電㊉數。較佳者，在完成上述的快速熱氧化製程^ 後，可視需要而定，以快速熱製程或爐管，、 氣氛下進行回火’以進一步修補問氧化層16的 整體質與界面品質。 、接y來，可按照習知方式形成閘極導電廣、源極區和 汲極區等，以完成M0S電晶體的製作，茲舉例說明如下。 請參照第3圖’形成一閘極導電層18，通常是由複晶 矽與矽化鎢堆疊而成之複晶矽化金屬（p〇lycide)，覆蓋在 閘氧化層1 6上。然後，以微影成像和餘刻程序定義導電層 1 8和閘氧化層1 6的圖案，共同構成一閘電極構造G， 圖所示。 巾 接下來’在閘電極構造G兩侧的矽基底丨〇中，形成源 極區和汲極區。首先，利用閘電極構造G當作罩幕，佈植 適當劑量離子，進入矽基底10中，用以形成一對淡摻植源 極區20a和汲極區2〇b。其次，以沈積和回蝕刻程序，在閘 電極構造G的側壁上形成一絕緣側壁層21。然後，利用閑 電極構造G和絕緣侧壁層21共同當作罩幕，佈植較高劑量 離子進入基底中’用以形成濃摻植源極區22a和汲極區 22b ’便完成如第4圖所示的M〇s電晶體。 雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以

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Claims (1)

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   六、申請專利範圍 . 種閘氧化層的製作方法’包括下列步驟： (a)此積一乳化♦層於一半導體基底上；以及 "(b)在水氣的存在下’以快速熱氧化法將該氮化妙爲 氧化’而成為一含有氮元素之閘氧化層。 e 2‘如申請專利範圍第1項所述之製作方法，其中在米 驟（a)之前更包括：在基底上形成一厚度不大於1〇a = 氧化層缚 3·如申請專利範圍第1項所述之製作方法，其中該& 化矽層的厚度為1 〇〜2 〇人。 '^氣 4.如申請專利範圍第1項所述之製作方法，其中步驟 (b)快速熱氧化法的反應溫度為9 0 〇〜1 1 〇 〇 t。 卜 a 5.如申請專利範圍第1項所述之製作方法，其中該水 氣是利用氫氣與氧氣臨場（in_situ)反應所形成^ 6.如申請專利範圍第1項所述之製作方法，其中在步 驟（b)之後更包括：以快迷熱製程或爐管，在％、⑽、 0、NHS或Ha氣氛下進行回大。 7· 一種閘氧化層的製作方法，包括下列步驟： (a) /尤積氮氧化妙層於一半導體基底上·以及 (b) 在水氣的存在下，以快速熱氧化法將該氮氧化矽 層氧化，而成為一含有氡元素之閘氧化層。 8.如申請專利範圍第7項所述之製作方法其中在步 驟(a)之前更包括.在基底上形成一厚度不大於人的薄 9'如申睛專利範圍第7項所述之製作方法，立中該氮声

   44286 8 六、申請專利範圍 化矽層的厚度為10〜20 A。 1 〇.如申請專利範圍第7項所述之製作方法，其中步驟 (b)快速熱氧化法的反應溫度為800〜liotrc。 1 1.如中請專利範圍第7項所述之製作方法，其中該水 氣是利用氫氣與氧氣臨場（i η - s i t u )反應所形成。 1 2.如申請專利範圍第7項所述之製作方法，其中在步 驟（b)之後更包括：以快速熱製程或爐管，在N2、N 0、N2 0、題3或112氣氛下進行回火d

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