TW511164B - Method of improving gate oxide reliability - Google Patents

Description

XU64 五、發明說明（1) 發明領域： -種= ΐ關於一種半導體製造方法，特別是有關於 7咸少問極氧化層與石夕基底界面之界面陷心體裝置 性=S1ty Qf interfaee trap，Dit)並提昇半導體裝置 相關技術說明： 隨著積體電路的技術日益發展以及元件尺寸微小化的

趨勢下金氧半導體（me t a 1 -ox i d e-sem i conduc t or，M0S )元件中的閘極氧化層越做越薄，對於閘極氧化層的可靠 度要求也相對提高。現今氧化層技術中，常甩的^法是在 閘極氧化層中加入少量的氮以形成氮氧化層而提昇閘極氧 化層的可靠度。因為氮氧化層可與矽基底保有良好的界面 特性且具有較佳的抗電應力特性以降低熱載子（h〇t carrier)效應。然而，過高含量的氮原子會使載子移動 率（mob i1i ty )下降。 此外，以離子植入的方式，在閘極植入氟原子再經由 雨溫驅入（d r i v e - i η )使氟原子擴散至閘極氧化層與石夕基 底的界面，亦即SiOg/Si界面，以形成Si-F鍵結，亦可有 效抵抗熱載子效應。雖然S i - F的鍵結能力強可抵抗熱載子 的應力，但是過量的氟原子，會造成大量未鍵結的氧原子 往Si 〇2/ Si界面移動而形成界面陷解而產生更多缺陷進而 造成半導體裝置特性退化，例如啟始電壓（threshold 0503-6376TW ； TSMQ001-0225 ； Chen.ptd 第5頁 511164 五、發明說明（2) —- voltage )降低、平帶電壓（flat band voltage )改變 另一方面，例如在M0S穿隧式（tunneling )發光二極 體（light - emitting diode，LED)中，同樣由於閘極氧” 化層的可靠度不佳’常在操作一段時間之後，發光效率就 嚴重下降’因此文獻中’有人利用氩氣在閘極氧化層與石夕 基底的界面進行處理，例如一退火（anneal ing )處理， 以在界面處形成Si-Η鍵結而改善發光效率下降的問題，然 而，由於Si-Η鍵結強度並不高，容易在熱載子產生的應力 景夕響下發生斷鍵而在界面產生缺陷，使得閘極氧化膜的可 靠度降低。亦即’在操作LED時所施加的電壓，造成si-Η 斷鍵而使界面陷阱密度增加，電子無法直接穿隧而與電洞 結合並發光，導致發光效率降低。例如施加電壓進行 1 0000秒之後，發光強度就衰減了3〇 %。因此，利用氫氣 的界面處理依舊無法有效提昇閘極氧化層之可靠度。 有鑑於此，本發明提供一種改善閘極氧化層可靠度之 方法，適用於半導體裝置，藉由使用氫氣的同位素一氘 (D2)以取代過去所使用的氮、氟及氫等並藉由三次的退 火處理以有效提昇閘極氧化層的可靠度。 發明概述： 、本發明的目的在於提供一種改善閘極氧化層可靠度之 方法，適用於半導體裝置，藉由通入氘氣以及三次的退火 處理來提昇抵抗熱載子效應所產生應力的能力並滅少閘極 丄104 五、發明說明（3) 氧化層與矽基底界面之界面陷阱密度。 根據上述之目的，本發明提供一種改善 养又之方法，適用於_半導體 ， θ可 一基底；對基底進行砉而生切 彳步驟··提供 處理…氣氛ΐϊ ，基底進行第-退火 氣及氧氣，以在基底上带士 . ^ ^ 人〜理，通入氮 „ ^ ^ &上形成一氧化層而作為半導俨驴番十 i ;錢氣與氘氣的氛圍中，對閘極氧化；進行 以及在閘極氧化層上形成-導電層= 裝二之閉極電極。其中，使用-稀釋氫氣酸溶液 進仃上述之表面清潔處理。接著， 溫度在800到1 200。<：的範圍進行M ' fflbar及 、07軏圍進仃第一退火處理30秒到60分 里 》一退火處理係在5到5 00 mbar的範圍且溫产 的範圍進行3〇秒到6〇分鐘且上;= 理，在，力為50 mbar到1 bar的範圍及溫度在800到 1 2 0 0 °C的範圍中進行。 圖式之簡單說明： 為讓本發明之上述目的、特徵和優點能更明顯易懂， 下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如 下： 第1A到1F圖係繪示出根據本發明實施例之製造M〇s穿 隧式發光二極體之剖面圖。 ^第2圖係分別繪示出根據習知技術與本發明方法所製 造之發光二極體，在施加6伏特電壓前後，界面陷阱密度

0503-6376TWF ; TSMC2001-0225 ; Chen.ptd 第7頁 511164 五、發明說明（4) 與能階之曲線關係圖。 第3圖係繪示出根據習知技術與本發明方法所製造之 發光二極體，發光強度與施加電壓時間之曲線關係圖。 [符號說明] 10卜基底； 1 0 3〜氧化層； 105〜導電層。 較佳實施例之詳細說明： 以下配合第1A到1F圖說明本發明實施例之製造M〇s穿 隧式發光二極體之剖面圖。首先，請參照第丨A圖，提供一 基，101，例如是一矽基底，接著藉由一溶劑，例如是稀 釋氫氟酸（diluted HF)溶劑，對矽基底1〇ι進行表面清 潔處理以去除形成於基底101表面的原生（native)氧化 層（未繪示）。在經過稀釋氫氟酸的表面處理之後，基底 ιοί表面矽原子會與氫氟酸中的氫及氟形成Si〜H鍵結以1及一 少量的Si-F鍵結（未繪示），如第1A圖所示。 _ 接下來，請參照第1B圖，為了減少經過氫酸理 後，形成於基底101表面的Si-H &Si—F鍵結，在言及 高溫下，對基底101表面進行30秒到6〇分鐘的二=严 理。此處，工作壓力係低於3x 1〇-6 mbar且产地 到12㈣的範圍。在上述料*處理條件下，= 及Si-F鍵結會被打斷·以使得基底1〇1表面的矽原子里具有1更

511164 五、發明說明（5) 多的懸擺鍵（dangling - bond)。 接下來，請參照1C圖，在完成第一退火處理之後，接 著基底101在氘氣的氛圍中，進行30秒到60分鐘的第二退 火處理。此處，工作壓力係在5到5 0 0 mbar的範圍且工作 溫度在800到1 200 °C的範圍。經過此退火處理，基底1〇1表 面矽原子的懸擺鍵會與氘結合，形成S i - D鍵結，如第1C圖 所示。 接下來，請參照第1 D圖，通入氮氣及氧氣，藉由熱氧 化法，例如乾氧化法（dry oxidat ion )，在壓力為50到 80 0 mbar的範圍且溫度為8〇〇到1 20 0 °C的範圍條件下，在 形成有Si-D鍵結的基底1〇1表面形成一氧化層1〇3，例如二 氧化矽層，以作為穿隧式發光二極體之閘極氧化層丨〇3。 此處’亦可藉由化學氣相沉積法（chemical vapor disposition，CVD )形成氧化層103。另外，對於穿隧式 發光二極體而言，此閘極氧化層1 〇 3的厚度需控制在3奈米 (nm )以下，以獲得較佳的發光效果。 接下來，請參照第1E圖，在氮氣及氘氣的氛圍中，對 閘極氧化層1 0 3進行3 0秒到6 0分鐘的第三退火處理。此 處’工作壓力係在50 mbar到1 bar的範圍且工作溫度在 8 0 0到1 2 0 0 °C的範圍。如此一來，藉由擴散，氘原子可進 一步在閘極氧化層103與基底1〇1的界面，與石夕原子形成更 多的Si-D鍵結。 最後’請參照第1 F圖，在閘極氧化層1 〇 3上形成一導 電層105，例如鋁（A1 )金屬層或複晶矽（p〇ly —)層，

0503-6376T1F ； TSMC2001-0225 ； Chen.ptd 第9頁 、發明說明（6) =作為穿隨式發光二極體之閘極電極1〇5並完成此M〇s穿隧 f發，二極體之製造。另外，經由本發明者實驗證實，進 行一久的退火處理相較於僅進行上述第三退火處理而言， 在氧化層103與基底ιοί界面處，氘的濃度可提高約兩個級 數’亦即有更多的Si-D鍵結形成於界面處而降低了界面陷 阱密度（Dit )。 、由於Si-D的鍵結強度高於^—h的鍵結強度，所以在熱 載子產生的應力作用下較不易斷鍵而形成界面陷阱，亦即 發光二極體在施加電壓時，電子不會陷於界面的缺陷中無 法直接穿隧來與電洞結合而發光。因此，相對地提高閘極 氧化層的可靠度。接著，請參照第2圖，其分別繪示出根 據習知技術（以氫氣作處理）與本發明（以氘氣作處理） 方法所製造之發光二極體，在施加6伏特電壓並進行丨5秒 前後，界面陷阱密度與能階之曲線關係圖。由圖可看出， 依據本發明方法製造之二極體，因Si—D鍵結不易斷鍵而在 施加電壓後，界面陷阱密度並無明顯增加。相反地，以氫 氣作處理之習知技術則因大量。—!！鍵結發生斷鍵，使界面 陷胖密度增加而造成大量的缺陷。接著，請參照第3圖' 其繪示出根據習知技術（以氫氣作處理）與本發明（以氮 氣作處理）方法所製造之發光二極體，正規化 爪 (norma 1 i zed )發光強度與施加電壓時間之曲線關係圖。 由圖可看出，以氫氣作處理之發光二極體在操作一段時 後，因為界面陷阱密度的增加而使得發光強度下降。然曰 而，以氘氣作處理的發光二極體，其發光強度並無下^，

f 五、發明說明（7) 亦即具有較佳的發弁科法 經過三次的退火處理之戈，=，=據本發明之方法，在 η的濃度’亦即具有k量：Si_m”與基底界面 緹昇閘極氡化層的可責 鍵〜存在於界面，進而 載子應力的能力。 Xw 〃較佳的發光效率及抵抗熱 雖然本發明已以較佳實施 限定本發明，任何熟習此項技藝；路；上，然其並非用以 神和範圍内，當可作更動與潤飾， =脫離本發明之精 當視後附之申請專利範圍所界定者為準本發明之保護範圍 1^· 0503-6376TWF ； TSMC2001-0225 ； Chen.ptd $ 11頁

Claims (1)

1. J丄丄丄t)4 六、申請專利範圍 體裝1置：ΪΓ巧化層可靠度之方法’適用於-半導 提供一基底； 對上述基底進行表面清潔處理； 對上述基底進行第一退火處理； 在氘氣氛圍中，對上述基底進行第二退火處理； 通入氮氣及氧氣，以在上述基底上 ’ 為上述半導體裝置之閑極氧化層；4 1化層而作 f氮氣與氘氣的氛圍中，對上述閘極氧化 退火處理；以及 必订第二 化層上形成-導電層，以作為上述半導 其中上述清潔 其中上述第一 其中上述第一 2 ·如申請專利範圍第1項所述之方法 處理係使用一稀釋氫氟酸溶劑。 3 ·如申請專利範圍第1項所述之方法 退火處理之工作壓力係低於3 X 1 mbar 4·如申請專利範圍第1項所述之方法’升 退火處理之工作溫度係在8〇〇到1 20 0。(：的範圍。 5 ·如申請專利範圍第1項所述之方法，其中上述第 退火處理之進行時間係在3〇秒到60分鐘的範圍。 6·如申請專利範圍第1項所述之方法，其中上述第 退火處理之工作壓力係5到500 mbar的範圍。 7 ·如申請專利範圍第1項所述之方法，其中上述第 退火處理之工作溫度係在8 〇 〇到1 2 0 0。(：的範圍。 0503-63761W ； TSMC2001-0225 ； Chen.ptd 511164 六、申請專利範圍 、 ·如申請專利範圍第1項所述之方法，其中上述第二 退火處理之進行時間係在3 0秒到6 0分鐘的範圍。 9 ·如申請專利範圍第1項所述之方法，其中形成上述 閉極氧化層之工作壓力係5〇到8〇〇 mbar的範圍。 1 0 ·如申請專利範圍第1項所述之方法，其中形成上述 間極氧化層之工作溫度係在8 0 0到1 2 0 0 °C的範圍。 11 ·如申請專利範圍第1項所述之方法，其中形成上述 閑極氧化層係擇自於利用乾氧化法及化學氣相沉積法之 少一種。 12·如申請專利範圍第1項所述之方法，其中上述第三 退火處理之工作壓力係50 mbar到1 bar的範圍。 13·如申請專利範圍第1項所述之方法，其中上述第三 退火處理之工作溫度係在8〇〇到l2〇〇°C的範圍。 / 14·如申請專利範圍第1項所述之方法，其中上述導電 層係擇自於一鋁金屬層及複晶矽層之至少一種。 15·如申請專利範圍第1項所述之方法，其中上述半導 體裝置係一穿隧式發光二極體。