TW477015B - A process for fabricating oxides - Google Patents

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TW477015B
TW477015B TW089112404A TW89112404A TW477015B TW 477015 B TW477015 B TW 477015B TW 089112404 A TW089112404 A TW 089112404A TW 89112404 A TW89112404 A TW 89112404A TW 477015 B TW477015 B TW 477015B
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TW089112404A
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Yuanning Chen
Sundar Srinivasan Chetlur
Pradip Kumar Roy
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Lucent Technologies Inc
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Description

幷 / /Ul：) ,909 (1999-6^4 ^ A7 ---------— B7__ 五、發明說明（1 ) 相關申 本申請案主張臨時申請案號No. 60/U0 提出申請）之優先權。 發明範 *本：請案係關於積體電路之製造方>去，特別是一種高品 質、南平整度和幾乎完全無應力之氧化物的製造技術。 發明背i 當積體電路的複雜性日益增加，其内部元件的尺寸必定 要縮小。爲了縮小元件之尺寸，必須將元件之各種構件等 比例縮小。此即稱爲元件尺度縮化。在一種稱爲金屬氧化 物半導體結構_s)結構以件中，爲達元件尺度縮化， 必須將氧化物層製成較薄。但很不幸的，當傳統氧化物層 被製成較薄時（縮化），其品質也會同時下降。氧化物層品 質的下降對使用言亥氧化物之元件的可靠度會造成不利的影 響。 除了氧化物品質外，金屬氧化物半導體結構之介電材料 之可靠度也會被氧化物的應力和氧化物一基材間介面的平 正度所衫％。氧化物的應力可由晶格失配及生長時導致的 應力而來。晶格失配的問題很難克服，但生長應力則已有 幾種結果各異的處理方法。氧化物的應力會造成它的位移 和缺卩曰’特別疋在介面區域。而這會導致產生質量傳送路 徑和漏電。 疋件之可靠度可由幾個慣用的標準來評斷。例如一個金 屬氧化物半導體電晶體之可靠度就可由傳統之元件參數隨 本紙張尺度週用中國國家標準（CNS)A4規格（2W χ 297公楚） \----------------—^--------- c請先閱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 A7 B7 、發明說明（ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 改變（稱爲元件參數漂移）來判斷。此外，依時性介 包質崩潰（TDDB)也可用來當作電晶體可靠度的判斷標準。 在操作偏壓（外加電壓）和溫度的情形下，閾電壓（乂）、 飽和電流（Wt)和料度（gm)等元件參數的數値會變動别 不可接受的狀態。事實上，元件參數値在正f操作情形下 =漂移被認爲是-個比其它已知可靠度問題（如氧化物介 電質崩潰）更嚴重的問題。因此在某些情形中，元件參數 漂移遠在介電質崩潰發生之前就造成元件失效。 / 爲解決上述之可靠度問題，非常多方式曾被嘗試過。 如眾所皆知的，對許多半導體元件來説，最佳的氧化物 經由生長法而非沉積法所製成。並且，在生長過程中的恤 度越高，氧化物的品質也會越好。但很不幸的，利用傳統 技術在高溫下製造氧化物卻遭遇到一些問題。例如，在 到高溫氧化物生長順序中所要求的高溫時，所生長的氧化 物的總厚度即會增加。此結果可能會使氧化物層變得太厚 而供法適用於縮減尺寸的元件。因此爲了製造品質更好 氧化物，元件尺度縮化的目的可能會被犧牲。而且，當 高溫生長環境冷卻下來時，生長的氧化物之黏度會增: 而且生長導致的應力也會出現。由於有以上的問題，半導 體業仍是習慣在較低溫環境下來生長氧化物。此法之缺點 爲當在一較低的溫度生長氡化物時，氧化物的品質會較 差。此品質的下降會如前所述的原因對氧化物之可靠度造 成不利的影響。 ^ 所以現在我們所需要的是，一種可以克服上述問題之製 例 達 化 的 從 -.1----------------r---^---------^^w.. (請先Μ讀背面之注意事項再填寫本頁) -5- ^紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 297公爱
477015 五、發明說明（3 ) 造超薄氧化物的方法。 發明搞沭 本發明係關於一種製造氧化物的方法。首先，在閾溫度 以下之第一溫度下，於基材上形成第一氧化物部份。兩^ 在閾溫度以上之溫度下’於第一氧化物部份底下形成第二 氧化物部份。在所示具體例中，基材爲可氧化的矽，而閾 溫度則是二氧化矽的黏彈性溫度。所得到的氧化物具有低 缺陷密度（D〇)、低界面陷阱密度（Nit)和平整的幾乎完全無 應力的氧化物/基材介面。 曼示簡單説明 、本發明可經由閱讀以下配合隨附圖示所作詳細説明得到 完整的了解。需強調的是，根據半導體產業的標準作法， 各種特徵並不需按比例繪製。事實上各種特徵之尺寸爲討 論上清楚起見可隨意增減。 " 圖1 a疋根據本發明之代表性金屬氧化物半導體結構之概 略剖面圖。 圖1 b是根據本發明之代表性金屬氧化物半導體電晶體之 概略剖面圖。 a 圖2a爲根據本發明之代表性製造順序之流程圖。 圖2b爲根據本發明之代表性製造順序之溫度對曲 線圖。 印 圖3至5爲根據本發明的代表性具體例形成氧化物層的加 工順序的概略剖面圖。 ^ 圖6爲在基材上具傳統氧化物而該氧化物上具傳導層之 ,-------------裝-----..----訂---------線 (請先閱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 -6 - 477015 A7 B7 五、發明說明（4 透射電子顯微鏡（TEM)晶格圖像。 圖7爲基材上具本發明代表性具體例氧化物而該氧化物 上具傳導層之透射電子顯微鏡（TEM)晶格圖像。 圖8爲本發明所述氧化物和傳統氧化物隨時間之閾電壓 (閾電壓漂移）下降百分比之曲線圖。 圖9爲本發明代表性具體例之氧化物和傳統氧化物之時 間對基材電流（Isub)(表示熱載體老化）所作曲線圖。 圖1 0爲本發明代表性具體例之氧化物和傳統氧化物之平 均失效時間（MTTF)對電場所作曲線圖。 圖1 1爲含有傳統閘極氧化物層和含有本發明代表性具體 例之閘極氧化物層的i 5 X丨5平方微米之N型金屬氧化物半 導體場效電晶體（NMOSFET)之跨導度（gm)對閘極_源極壓降 (Vgs)之比較曲線圖。 圖1 2爲含有傳統閘極氧化物層和含有本發明代表性具體 例之閘極氧化層的15 X i 5平方微米之金屬氧化半導= 場效電晶體（NMOSFET)之漏極電流（Id)對漏極電壓之= 較曲線圖。 d 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 圖13爲含有傳統閘極氧化物層和含有本發明, ==層的η·型管内15X15平方微米場效電： & ( ETS)<累積機率對漏電之比較曲線圖。 圖14爲含有傳統閘極氧化物層和含有本發 例t閘極氧化物層的p_型管内15 χ 15 f〖生，、植 體之累積機率對漏電之比較曲線圖。 ％效電晶 發明説明 477015
經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（5 ) 在此，本發明將參照顯示本發明具體例的隨附圖示作更 詳盡的説明。首先請看圖2a，此圖顯示用於製造本發明氧 化物層的代表性順序。步驟I包括一相當快速的升溫階 段’繼之爲一較平緩的升溫Ω步驟I係在稀薄的氧氣環境 中實施，故在此步驟中所生長的氧化物非常少量。步驟j j 爲低溫氧化物生長步驟。此步驟是在閾溫度以下之溫度下 使第一氧化物部份於基材上形成。步驟j π包括以所述兩 階段升溫至閾溫度以上之溫度。此兩階段之升溫據信能減 少氧化物生長時所導致的應力。在兩階段升溫之後，伴隨 而來的是在閾溫度以上之溫度下生長高溫氧化物。此造成 第二氧化物部份在第一氧化物部份底下形成。步驟I V爲一 冷卻步驟。此步驟包含將溫度緩降至閾溫度以下，而後再 以較快速輻度降溫。在此冷卻階段，第一氧化物部份據信 可作應力鬆弛槽。 本發明之特徵在於第二氧化物部份和基材之間的介面相 當平整。此一平整度一般是表面粗糙度來判定。在本發明 氧化物中’其介面之表面粗糙度爲約〇 3毫米或更小。此 外，基材和第二氧化物部份的介面幾乎無應力，其應力在 約0至2 X 1 〇9達因/平方公分壓縮力之譜。此結果使缺陷密 度（D〇)達到約〇·ι個缺陷/平方公分或以下之譜。最後，當 和傳統氧化物比較，第二氧化物部份咸信爲一較緻密之氧 化物層。因爲氧化物之緻密和幾乎完全無應力的特徵使 然’本發明氧化物之介面陷阱密度（Nit)爲在約5xi〇1G/平 方公分至3 X 1〇9/平方公分或以下之譜。 -8- 本紙張尺度適用中國國家標卑（CNS)A4規格（21〇 x 297公釐） · 1---11 -----r--- 訂--------- f請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} 4/7015
經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 、發明所得具改良平整度，幾乎完全無應力，且更緻密 =超薄氧化物，和傳統氧化物比較起來，顯純具優勢。 這些優勢包括了含有本發明氧化物之元件的可靠度及性能 m i因如此’諸如元件參數漂移和依時性介雪質崩 潰等負面的影響即可藉由本發明減輕。此外，例如，元件 性能可經由漏電減少及遷移率增加而改善。本發明氧化物 的這些特徵及可靠度和性能之改良在此將作更完整地討 參照圖U，先説明本發明代表性具體例之氧化物層3〇。 如圖所示’氧化物層30是包含在—積體電路内。此氧化物 層30係配置在基材22上，且包括第一氧化物層^和第二 氧化物層32。第二氧化物層32和基材22形成—介面W。 基材22如所示爲矽，其可爲單晶或多晶矽。通常而言，盆 爲可氧切。如圖所示，氧化物層3〇的厚度爲約4〇埃或 以下。預期氧化物層30的厚度可爲15埃至2〇埃，且甚至 可J於1 5埃。此外，此氧化物層在其和傳導層2 6之間可 配置-層物質33。層33可爲一高介電常數物質，包括(但 不限於）五氧化叙、欽酸鋇總和碎酸鹽介電物質。此外， 也可在傳導層26和氧化物層30之間配置其它物質以達 略諳此技藝者所讚賞的各種結果。 圖代表性具體例一般爲金屬氧化物半導體結構。很 明顯的，有許多元件和構件可以包含此結構。這些包括 (但不限於）金屬氧化物半導體電晶體（如下述）和金屬氧化 物半導體電容器積體電路内常見的構件。其它仍有許多元 -----r---^--------- (請先閱讀背面之注意事項再备寫本頁) -9- 477015 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（ 件和構件可包含本發明之氧化物，此在略諳與本發明有關 之技藝之人士將輕易明白。 圖1 b所示之代表性具體例中，氧化物層3 〇係包含在金 屬；化·々夺導體電晶體2 1內。此金屬氧化物半導體電晶體 包含源極2 3和漏極2 4，中間隔以通道2 5。此電晶體也可 刀別包含經輕微摻雜的源極和漏極區域2 7和2 8。源極、 漏極和通道可由多種傳統技術製造而成多種電晶體結構， 包括（但不限於）P-型金屬氧化物半導體（PMOS)，N型金屬 氧化物半導體（NMOS)互補金屬氧化物半導體（c〇MS)和橫 向擴散金屬氧化物半導體（LDM〇s)元件。 請翻閱圖2b，其所示爲使用快速熱處理（FTp)製造氧化 物層3 0的例示性順序圖。（此一代表性生長順序及所得氧 化物結構之剖面圖顯示於圖3至5中）。階段2 〇表示在起始 溫度爲約300度至700度下之晶舟推入步驟，氮氣流量爲8 〇 升/刀鐘及周圍，氧濃度爲0.02至1 %。選擇這些參數値是 爲，1有氧化物的生長降到最小，因原有氧化物會使氧化 ，質降低，也會消耗掉由縮化參數（稱爲氧化物厚度預 算^縮化預算）所決定之容許氧化物厚纟。另夕卜，略諳此 技藝者所熟知的負載閉鎖系統或氫氣烘烤也可用來阻礙此 非所欲低溫氧化物之生長。 ^ ^又2 1疋以每分鐘約5 0至125度的速度急速升溫至 古友严'此步琢係在非常低的氧周圍濃度（約0.05〜5%) 古:氮%境下貫施。本具體例之_方面係有關於以相當 、、率向上加恤（階段2 1 )以使在本階段形成之氧化物厚度
(請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ^-----r---^---------
本紙張尺度剌 477015 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（8 ) (稱爲坡道氧化物）減到最少的步驟。此可幫助控制氧化物 3 0之總厚度。因此’經由此步驟，即可達到所欲較高生長 溫度（階段2 3和2 6 )而不犧牲氧化物厚度預算。而且，此 一於低周圍乳濃度下t急速升溫會阻滞如箭所述可能爲低 品質之低溫氧化物的生長。 階段22爲一較平緩之升溫階段，階段22爲以約每分鐘 10〜25度之速率進行。在代表性具體例中，階段22最後達 到的溫度爲在約800〜900度之範圍内。階段2 1所用之相同 氧氣及氮氣流量和濃度繼續在階段2 2中維持。階段2 2中 之此一對溫度的控制也相當重要，因爲它可幫助防止溫度 超過階段2 3中的生長溫度。最後，階段2 2中之低氧濃产 會在溫度上升至較咼生長溫度的過程中選擇性地阻滞氧化 物的生長。同樣地，這也可幫助維持氧化物厚度預算。 階段23爲一低溫氧化物（LTO)生長步驟。在此步驟中， 周圍氧濃度爲約0.1%至約10%，而周圍氮濃度則爲 90〜99.9%。略諳此技藝者將了解二氯乙烯可以〇-〇_5〇/。之量 加入一段視所欲厚度而定之時間。在階段2 3結束時，可於 純氮中進行退火。在圖2所示順序中，在階段2〇_22時具有 厚度在5〜10埃範圍内的氧化物即生成。而階段2 3則生成约 2.5〜10埃之氧化物。階段23結束時，第一氧化物部份3】 (圖4 )的生長即告完成。如所示，此第一氧化物部份是在 低於二氧化矽之黏彈性溫度（Tve)(約925度）之溫度下所生 成。第一氧化物部份3 1可佔氧化物層3 〇總厚度的 25〜98%。於氧化物層3 0具厚度爲3 〇埃或以下的代表性具 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂---------線* -11- 477015 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（9 ) 體例中，第一氧化物部份3 1的厚度爲約7 5〜2〇埃。在以下 更詳細的討論中，申請人等推論第一氧化物部份3丨在第二 氧化物邵份3 2在第一氧化物部份3丨底下生成期間扮演鬆 弛所_引發之應力的角色。 階段2 4是將溫度升至高於二氧化矽黏彈性溫度之第一階 段。此階段溫度之推升相當緩慢，以約每分鐘5〜i 5度之速 度及在幾近純氮之環境中實施（此階段中之周圍氧濃度爲 0%〜5%)。階段2 4結束時，溫度達到階段2 6之高溫氧化物 (HTO)生長溫度以下約5〇度。階段25爲一調節加熱階段， 在此階段中溫度係以每分鐘約5〜1〇度升高至黏彈性溫度以 上之溫度。於所示具體例中，HT〇生長溫度係在9254 1〇〇 度之範圍内。和階段24相同之氧和氮之流量及濃度也在階 段25延用。在階段25結束時，溫度即達高溫氧化物之生 長溫度。 對本發明之代表性具體例來説，階段2 4和2 5是很有用 的步驟。如同溫度上升至階段2 3 (低溫氧化物生長階段）之 情形一樣，階段24和25之謹愼升溫可以防止溫度超過所 奴I生長溫度，在此也就是本發明的高溫氧化物生長溫 度於所示低周圍氧;辰度下之升溫速率對阻滞氧化物生長 並進而控制氧化物厚度預算是很有用的。最後，申請人等 相信在階段24和2 5之低氧環境下謹愼加熱可減少應力之 生成，連帶減低氧化物生長缺陷的發生（例如滑動移位和 疊層缺陷）。 階段2 6是高溫氧化物生長步驟，在此步驟中生長溫度係 I L---一-------------^----t---------線 .(請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -12- 477015 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（10 ) 如所示高於二氧化矽的黏彈性溫度。階段2 5結束時所達 到之溫度，繼續於階段26之生長步驟中及0〜25%氧環境下 維持約2〜20分鐘，俾可在此高溫下生長額外之約2〜12埃氧 化物。第二部份可估氧化物層3 0總厚度之約2〜75%。階段 26的最後部分可包含在純氮下退火。申請人等相信（再度 不願受約束）在黏彈性溫度（約925度）以上之高溫生長會造 成具某些特性之氧化物（第二氧化物部份3 2 )之生長。例 如，第二氧化物部份3 2咸信為更非結晶形的，所以有很 少（如果有的話）結晶結構和近程有序。這會生成更緻密之 氧化物。故由氧-矽-氧鏈連接之四氧化矽四方體結構（二 氧化矽之特徵）比傳統氧化物更無規則。第二氧化物部份 3 2之分子結構之無規則特性會產生更密實壓縮之氧化 物。於是根據此處討論可了解，第二氧化物部份3 2咸信 具有比傳統方法生長之氧化物更短之秒-氧鍵長和更大之 矽-氧键強度。 圖2 b代表性具體例之階段2 7為一冷卻階段，又稱調節 冷卻階段。降溫以每分鐘約2〜5度進行，在階段2 7結束 時’降低至黏彈性溫度以下之溫度。例如在階段2 7結束 時達到的，溫度為在900〜800度的範圍内。階段27在幾近 純氮氣惰性之環境下實施。在生成之氧化物冷卻至黏彈性 溫度以下時，·應力會在氧化物中，特別是在基材和氧化物 的介面上產生。由於此應力的發生，諸如滑動位移和氧化 所造成的疊層缺陷等缺陷會在如粗缝和異質性表面等能量有 利位置發生。這些缺陷可視為擴散性質量傳送和漏電路徑 -13- ---·-------丨裝-----^----訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 釐 公 97 2 X 10 2 ✓c\ 格 規 A4 S) N (C 準 標 家 國 中 用 適 度 尺 張 紙 本 A7
1//U15 五、發明說明（n) <通路，彼等可對元件可靠度及性能造成不利的影響。調 即冷卻步驟及第一氧化物部份3 1之應力吸收或應力鬆弛槽 (特別是在緩和冷卻階段）特性可生成幾乎完全無應力之氧 化物和基#介面。面且，缺陷密度也因而降低ΰ最後，階 段28表示以約每分鐘35〜65度之更快速度，在惰性氣體， 如純氮，環境下實施進一步之降溫。階段2 9爲在約5〇〇度 純氮環境下之晶舟推移。 圖3〜5顯示氧化物30形成步驟之剖面圖。基材22通常爲 可氧化的，如例示之單晶或多晶矽，或絕緣體/矽（SC)I)基 材之硬島。第一氧化物邵份3 1可視爲在約925度以下形成 之低溫氧化物（LTO)部份。除了在第二氧化物部份3 2形成 時提供應力鬆弛槽外，第一氧化物部份3 1也能夠使氧化物 在其底下生長。所以爲使基材22之氧化作用可發生進而形 成第二氧化物部份3 2，第一氧化物部份3 1必須可以讓氧 氣擴散進去。在所示具體例中，第一氧化物部份爲二氧化 石夕。但也可使用其它材料作爲此一部份。替代材料包括 (但不限於）輕微氮化（例如％重量〇·2〜3的氮）之二氧化石夕 層，俾防止硼穿透進而對防止多重消耗有益。而且，第_ 氧化物邵份3 1可爲蒸氣氧化物或沉積生成之複合氧化物 層。第二氧化物部份3 2可視爲於黏彈性溫度925度以上之 溫度下生長之高溫氧化物（HTO)。爲說明之用，签一产 罘二氧化 物郅份32之高溫生長，係在925至1100度之範圍内進行，。 本發明氧化物層3 0之特徵在於*改善了介面平整度並、、』 了氧化物本身和氧化物及基材介面之應力。此情 / f由圖 -1 4 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） —,--------^----^—1----- (請先閱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 477015 A7 B7 五、發明說明（12) 6和圖7的比較中輕易看出。 (請先閱讀背面之注咅？事項再填寫本頁) 圖6爲含傳統氧化物之金屬氧化物半導體結構之透射電 子顯微鏡晶格圖像。圖7爲含本發明氧化物之金屬氧化物 半導體結構之透射電子顯微鏡晶格圖像。圖6顯示基材 62，傳統氧化物層60及傳導層66。在圖6之圖像中，有應 力帶6 3 (反黑邵份）存在，表示出在氧化物6 〇和基材6 2間 存有應’交區。除此之外，氧化物6 〇和基材6 2間之介面相 當粗糙（即非平面）。傳統氧化物具有約5埃或更大的表面 粗糙度。此程度之粗糙度會使載體四散在代表性金屬氧化 物半導體電晶體之通道内，造成載體遷移率降低。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 和圖6之傳統氧化物相反，圖7所示本發明代表性具體例 中分/人生成之氧化物3 0和基材2 2間之介面無反黑現象在 透射電子顯微鏡圖像中出現。意即無明顯之應力帶。故在 所示具體例中分次生長之氧化物3 〇和基材2 2間之介面爲 幾乎完全無應力的。此外，此介面實質上是平面的，在介 面附近之矽（11 1)線無任何可被觀察到之損壞。使用標準應 力測量法，例如X -光微繞射技術，矽（4〇〇)之布拉格繞射峰 圖利用華儉-艾佛貝克（Warren-Averbach)分析顯示出2 X 1〇9 達因/平方公分之壓縮力。相反地，傳統氧化物則有9 X l〇lG至1X101G達因/平方公分之拉張力。再者，雖無法於圖 7之透射電子顯微鏡圖中看出，但使用相似方法測量，氧 化物主體實質上爲無應力，具有0〜2X1 〇9達因/平方公分之 壓縮力。最後，氧化物30和基材22間之介面幾乎爲平 面，具傳統透射電子顯微鏡解析度（約3埃）内也無法偵測 -15- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公《 ) 472015五、¥明說明（ )4號專利申請案 書修正頁(9〇年η月） 13 到之平整度。 整=氧幾〜應力，平 點外’利用本發明氧化物之元件的可靠 =操作狀態下，當評估利用此薄閉極氧化物之二可二 .Γ元=參數漂移通常比氧化物崩潰更為顯著 1會逆在氧化物崩溃發生前就造成元件無法達成所要東 〈參數規格。元件之漂移被兩個機制所主 氧化物半導體元件中’主宰因素為偏壓_溫度“屬 但在η:型金屬氧化物半導財，主宰因相為熱載體退化 (也稱為熱載體老化）。 為了更好的非操作態漏電流性能，而轉移至表面通道元 件會造成在偏壓-溫度（ΒΤ)條件下閾電壓之漂移。此漂移 現象係由已鑽進矽基材之電子之衝擊離子化所產生之Ζ洞 所造成。這些熱洞係侷限於氧化物内。據推論氧化物中之 陷阱係由於主體氧化物内含弱矽_氧鍵而其行徑像是熱阱 所致。這些陷入之洞可在氧化物中作為正電荷，造成閾電 壓（ντ)移位。與傳統氧化物相反，本發明之第二氧化物部 份3 2咸信具有較少之弱矽-氧鍵。因此陷阱之發生也就減 少。這也再次證實第二氧化物部份32之幾乎完全無應力且 更忿貫之性免。本發明氧化物之閾電壓移位之傾向明顯較 低。這可由圖8看出，此圖為本發明氧化物厚度分別為3 6 埃（圖線8 1 )和3 2埃（圖線8 2 )之兩例證性實例與厚度3 3埃 (圖線8 3 )之傳統氧化物之閾電壓退化百分比之比較圖。如 -16- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4現格(210X 297公釐) 裝 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 477015 A7 ------------B7 —__ 五、發明說明（14) 圖8 π疋所TF ’使用本發明氧化物之元件之偏壓溫度(BT) 漂移明顯較低。 另個會對7〇件可靠度造成不利影響之現象爲熱載體老 化（HCA)\在次微米喝極結構中，熱載體效應是由在減短 之載缸通運中增加側電場所產生。這會使反轉層電荷被加 速（或加熱）至會引起一些有害元件現象的程度，通稱爲熱 載體效應。由元件可靠度觀點觀之，一重要之熱載體效應 爲熱載體加I於閘極氧化物和/或矽-二氧化矽介面之傷 咅。熱載體老化咸信是由介面陷阱產生或鈍化不連結鍵斷 裂而產生。爲此，矽_二氧化矽介面之不連結鍵通常係於 氫環境下鈍化，藉以減少介面陷阱的數量。此鈍化技術在 傳統氧化物上曹獲得一些成功，但熱載體可很容易地使矽 -氫鍵斷裂，而重建先前之鈍化介面陷阱。介面内之陷阱 可作爲散射中心，藉以減少通道内載體之遷移率。如所 知，驅動電流，I。〆或飽和電流，Idsat)及跨導度gm和載體 在通道内之遷移率直接成正比。因此當散射中心因熱載體 效應而增多時，載體在通道内之遷移率就減少，驅動電流 和跨導度也隨之減少。因此，介面陷阱的數量會使元件因 元件參數，如驅動電流和轉導度之漂移而退化（老化）。此 退化對元件可靠度有不利的影響。 本發明之氧化物較少發生不連結鍵，因而介面陷畔之數 f也減）。申请人等推論此係更完全氧化過程之結果且因 爲介面幾乎冗全無應力且爲平面。而且，由於本發明之氧 化物有較火的介面陷牌，故有較少經氫純化之陷畔；且預 -17- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ---：-------------r-- I ^--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 477015 A7 B7 五、發明說明（15 ) 期含本發明氧化物之元件，因氫氣之釋出而造成之元件漂 移將較少。 味 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 以標準技術測量，本發明氧化物之介面陷阱密度爲在約 3 X 109/平方公分至5 X l〇1G/平方公分或更少的水準。此所 得熱載體老化之改良可於圖9之圖解圖中清楚看出。傳統 之熱載體老化標準爲15%之跨導度改變。標示爲9()之圖線 爲根據本發明製造含有32毫微米氧化物層之元件。標示爲 9 1之圖線則爲含有相同厚度之傳統氧化物之元件。例如， 3微安培/微米之基材電泥界限在金屬氧化物半導體電晶觸 之傳統氧化物時係於120小時達到，而在本發明代表性氧 化物時此一界限係於400小時才達到。如略諳此技藝者將 容易了解，本發明之氧化物與傳統氧化物比較改進了 3〜1 0倍0 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本發明之氧化物也使依時性介電質崩潰（Tddb)，金屬氧 化物半導體元件可靠度之另一量度有所改良。介電質崩潰 之改良咸信是直接受惠於本發明之無應力和高品質之石夕_ 二氧化石夕介面。如前所述，由於基材和氧化物間之介面爲 平面的且幾乎完全無應力，故缺陷密度D 〇較低。因此，咸 信可導致較少之擴散性質量傳送和漏電的缺陷。最後，.這 可導致在溫度（如大於150度至210度）和場加速（如3〜6百萬 伏特/公分）卞電荷流動或致崩潰電荷和介電質崩潰之改 良。 如圖1 0所示，和傳統氧化物比較，本發明之氧化物有8 _ 1 0倍之依時性介電質崩潰改良。特定言之，係以0.25微米 -1 8 - 本紙張尺度適用中國國家標¥(CNS)A4規格（210 X 297公釐） 477015 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（16) 之互補金屬氧化物半導體元件内，多種傳統氧化物和本發 明代表性氧化物之平均失效時間（MTTF)對電場強度作圖。 圖線100爲本發明具厚度3 2埃之例行性氧化物，而圖線1〇2 和103所代表爲同一厚度之對應傳統氧化物υ爲以代表性 元件説明，本發明之氧化物在電場5.5百萬伏特/公分下於 1〇5秒崩潰，而傳統氧化物在同一電場下約在2 X 1〇4秒崩 潰。圖線101爲本發明具厚度2 8埃之例行性氧化物，而圖 線104則爲2 8埃厚之傳統氧化物層。可看出，本發明之氧 化物在電場5.5百萬伏特/公分下於約2 X 1〇4秒崩潰，而傳 統氧化物在同一電場下則於7 X 1 〇3即崩潰。 如前所述，本發明之氧化物也改良了，元件性能。如上 所討論者，通道内之載體遷移率可被陷阱數及氧化物-基 材介面之表面粗糙（平整）度顯著影響。更加平面（較不粗 糙）之介面及較少之陷阱數會很明顯表現在遷移率之改良 上。這也會造成跨導度之改良。此由檢視圖11即可輕易看 出。偶數標號之曲線（11 〇、112、114、116、11 8)表示使用 本發明氧化物之例示性元件之跨導度對閘極-源極電壓之 曲線。奇數標號之曲線（1 11，113，1 15，1 17和1 19)則是利 用傳統閘極氧化物之元件之跨導度對閘極-源極電壓之.曲 線圖。跨導度對閘極-源極電壓之曲線係1 5 X 1 5毫平方微 米之Ν型金屬氧化物半導體場效電晶體所作曲線。曲線1 1 〇 和111係2 _ 1伏特漏極電壓者。曲線112和113係1 · 6伏特漏極 電壓者’而曲線114和11 5則係1 · 1伏特漏極電壓者。曲線 116和117係0 · 6伏特漏極電壓者及曲線11 8和119係〇 · 1伏特漏 -19- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）
--訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 477015 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（17) A7
極電壓者。如略諳本技藝者可輕易了解，圖n顯示本發明 之代表性具體例I氧化物使通道遷移率增加了 5〜6 %。此 在所示具體例之驅動電流（飽和電流）造成約2〇%之改良。 請翻閲圖1 2，其所示含本發明氧化物與傳統氧化物之15 X 15平方微米N型金屬氧化物半導體場效電晶體之驅動電 流之比較結果。漏極電流對漏極電壓係以一連串之閘極電 壓作圖。曲線12〇和121分別爲本發明氧化物和傳統氧化2 在2.5伏特閘極電壓下者。曲線122和123分別爲本發明氧化 物和傳統氧化物在0.2伏特之閘極電壓下者。最後，曲線 124和125則分別爲本發明氧化物和傳統氧化物在15伏特閘 極電壓下者。略諳本技術者可輕易了解，含本發明 之元件與含傳統氧化物之元件相比，顯示改良之亞閾和飽 和特徵。 利用本發明氧化物之電晶體之漏電特徵也獲改善。如前 所述，漏電咸信是由氧化物缺陷（D )而來。本發 具0.H固缺陷/平方公分或更少之缺陷、密度。再以薄= 電質來説，生長導致之缺陷密度和氧化物層内之固有應力 爲缺陷密度之主要貢獻者。缺陷會在能量有利的位置，如 異質或粗糙的介面產生。這些缺陷會在氧化作用消耗掉缺 陷周圍之矽時向外生長，最後會有一缺陷網絡存在。這此 缺陷可被視爲擴散性質量傳送之管道及潛在之漏電路徑， 這會對元件可靠度和性能產生顯著影響。 圖1 3爲η型管内之閘極氧化物在2.0伏特下之累積機率對 漏電之曲線圖。曲線130爲依據本發明具厚度28埃之閘極 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂---------線| -2 0 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 477015 A7 五、發明說明（18) 氧化物層者。曲線131爲同一厚度之傳統氧化物者。曲線 一爲本發月具厚度32埃之氧化物層者，而曲線133則爲具 厚度3 2埃之傳統氧化物者。 、 不p型官在2〇伏特電壓下之多種漏電曲線圖。曲 線134爲f據本發明具厚度28埃之閘極氧化物者，曲線135 爲同一厚度傳統氧化物者。曲線137爲本發明具厚度Μ 埃之氧化物者，而曲線137則爲厚度32埃之傳統氧化物 者。=圖13及14中可了解，本發明之氧化物提供8〜1〇倍 (漏電改良。而且’有了此—顯著之漏電改良，略知此技 蟄之人士將輕易了解，對通道之電荷控制將獲得改良，同 時亞閾特性也一併獲得改良。 本發明已經詳細説明，很清楚地，略諳此技術之人士將 明白本發明有各種變化和修正。此等修正和本發明所揭示 之相關具體例都包含在隨附申請專利範圍之範圍内。 ..---Ϊ--------裝-----„----訂---I-----線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 準 標 家 國 國 中 用 適 度 張 紙 ----—--— 一本 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製
S)A

Claims (1)

  1. !·—種製造氧化物之方法，其包含： U)在閾溫度以下之溫上 部份；及 於*材上形成第一氧化物 (b)在閾溫度以上s :攻 成第-Iπ札， 度下，於弟一氧化物部份底下形 战罘一氧化物邵份。 2·如申請專利範圍第1項之古、土 甘|、、 含： 固罘1貞足万法，其中該方法進一步包 (C)以控制速率冷卻該基材，俾該第一氧 邵份之應力鬆弛槽 為該第二氧化物 3·如申請專利範圍第丨項之方 含·· 化物部份可作 法，其中步驟（a)進一步包 以第一速率將周圍溫度自起始溫度將升高至第一溫 度；及 以第二速率將該周圍溫度自該第一溫度升高至該閾溫 度以下之溫度。 4. 如申請專利範圍第η之方法，其中該基材為可氧化之 矽，而該閾溫度為二氧化矽之黏彈性溫度。 5. 如申蜎專利範圍第3項之方法，其中該第一溫度係約在 750至800度之範圍内，而該第一速率則是約在每分鐘 50〜125度之範圍内。 6·如申叫專利範圍第3項之方法，其中該閾溫度以下之溫 度係約在800至900度之範圍内，而該第二速率係約在每 分鐘1 0至2 5度之範圍内。 7·如申請專利範圍第1項之方法，其中步驟⑻進一步包 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210 X 297公釐） 477015 A8
    含： 以第一速率將周圍溫度自第— 以第二速率將該周圍溫度自第 以上之溫度。 溫度升高至第二溫度；及 一溫度升高至該閾溫度 8. 9. 如申請專利範圍第7項之方 度係約在925至11 〇〇度之範圍 如申請專利範圍第7項之方 每分鐘5至15度之範圍内， 1050度之範圍内。 法’其中該閾溫度以上之溫 内。 去’其中該第一速率係約在 而該第二溫度係約在875至 10.如申請專利範圍第7項之方法， 每分鐘5至1 〇度之範圍内，而該 在925至11〇〇度之範圍内。 11·如申請專利範圍第7項之方法， 度係在氧化環境下維持一段時間 12.如申請專利範圍第1 1項之方法， 濃度0至25%。 其中該第二速率係約在 閾溫度以上之溫度係約 其中該閾溫度以上之溫 〇 其中該氧化環境含有氧 13·如申請專利範圍第2項之方法 含： 其中該冷卻進一步包 以罘一速率將周圍溫度自該閾溫度以上之溫度降低至 中間溫度；及 以第二速率將該周圍溫度降低至最終溫度。 14·如申請專利範圍第丨3項之方法，其中該第一速率係約在 每分鐘2至5度之範圍内，而該中間溫度係約在8〇〇至9〇〇 度範圍内。 -2 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 477015 A8 B8 C8 六、申請S 15·如申凊專利範圍第1項之方法，其中該基材係自基 由 tm ，丄 早曰曰矽、多晶矽及絕緣體/矽（SOI)基材之矽島所組成 之族群中所選出。 16. 種製造氧化物之方法，其包含： (a) 於閾溫度以下之溫度下，將基材暴露在第一氧化 境中； (b) 於閾溫度以上之溫度下，將基材暴露在第二氧化環 境中；及 (c) 將該基材冷卻至閾溫度以下之溫度。 17. 如申凊專利範圍第丨6項之方法，其中步驟⑷進一步包 含： 以第一速率將周圍溫度自起始溫度升高至第一溫度； 以第二速率將該周圍溫度自該第一溫度升高至該閾溫 度以上之溫度；及 生長至少一部分之氧化物。 18·如申請專利範圍第1 7項之方法，其中該第一溫度係在 750度至850度之範圍内，而該第一速率係約每分鐘5〇至 125 度。 19.如申凊專利範圍第1 7項之方法，其中該閾溫度以下之溫 度係約800至900度，而該第二速率係約每分鐘1〇至25 度。 20·如申請專利範圍第16項之方法，其中該基材為可氧化之 矽，而該閾溫度為二氧化矽之黏彈性溫度。 21·如申請專利範圍第1 6項之方法，其中步驟（…進一步包 -3 - ¥紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) 1 ----- "015 A8 B8 C8 D8 申請專利範圍 含： 在氧濃度約〇至5 %之環境下，以約每分鐘5至i 5度的 速率，將周圍溫度自第一溫度升高至第二溫度； 在氧濃度約〇至5%之環境下，以每分鐘5至1〇度的速 率’將該周圍溫度自該第二溫度升高至該閾溫度以上之 溫度；及 在氧濃度約0至25%下，生長至少一部分之氧化物。 22·如申凊專利範圍第1 6項之方法，其中步驟（〇)進一步包 含： 以約每分鐘2至5度之速率，將周圍溫度自該閾溫度以 上之溫度降低至約800至900度；及 以每分鐘約3 5至6 5度之速率，將該周圍溫度降至晶舟 推移溫度，其中在步騾&)所形成之第一氧化物部份於至 少一部分之冷卻期間可作為在步驟（b)所形成之第二氧化 物部份之應力鬆弛槽。 23·如申請專利範圍第1 6項之方法，其中該基材為可氧化。 24·如申請專利範圍第μ項之方法，其中該基材係自基本上 由單晶矽、多晶矽、及絕緣體/矽（s〇I)基材之矽島所組 成之族群中所選出。 其中該第一氧化物部份 其中該第二氧化物部份 25·如申請專利範圍第2 2項之方法 之厚度係在7.5至20埃範圍内。 26·如申請專利範圍第2 2項之方法 之厚度係在2至1 2埃範圍内。 其中該氧化物之厚度為 27·如申請專利範圍第1 6項之方法 -4- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) A8 B8
    A 3埃或更薄。 28·如申請專利範圍第16項之方法，進一步包含， (d)在氧化物上形成一高介電常數之介電屉 29·如申凊專利範圍第1 6項之方法，進一步勹人 引入氮氣，俾步驟⑷中所形成之第_氧=在步驟⑷中 之二氧化矽。 物邵份為氮化 3〇·如申請專利範圍第16項之方法，其中該閾溫度為二氧化 砂之黏彈性溫度。 3 1 ·如申請專利範圍第2 2項之方法，其中該閾溫度為二氧化 矽之黏彈性溫度。 -5- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)
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