TWI234226B - Method of fabricating dielectric layer - Google Patents

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TWI234226B
TWI234226B TW092135666A TW92135666A TWI234226B TW I234226 B TWI234226 B TW I234226B TW 092135666 A TW092135666 A TW 092135666A TW 92135666 A TW92135666 A TW 92135666A TW I234226 B TWI234226 B TW I234226B
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Tae-Hyeok Lee
Chang-Rock Song
Cheol-Hwan Park
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Hynix Semiconductor Inc
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Description

J234226 五、發明說明（1) 【本發明所屬之技術領域】 本發明關於一種制 t ^ ±f ^ ^ ^ R 禋衣備介電層的方法，特別是一種高介 %吊數的介％層的形成方法。 【先前技術】 如一般技藝所味 人 膜來獲得，但像沾：：電層可由氣化石夕基板的二氧化石夕 說，有其限制 5 K勺一氧化石夕膜對於作為間極氧化層來 因而為了解# #操^ 釦腺笠㈢古古/樣的問題，也有採用氮化膜或是氧化 層氮化膜（NO膜或是的介電層開發中。不過’當單 身的微裂紋以及孔同二作為介電層日夺，會發生氮化膜本 當使用氧化组(Ta0):n引發漏電流的問題。另一方面 本身的結構成“5甚電層時，由於氧化组(Ta2〇5)膜 相。Λ 了權尸▽机甚^疋，因而其崩潰電壓特性不甚理 m度〜_度=電壓特性，必須在4⑽度低溫及 資成本。 门來回滅熱理好幾次，因而增加設備的投 【本發明之内容】 因此，本發明$日 崩、生Φ阿批从 之目的為解決上述問題，並提供一改善 朋，貝t壓特性的簡易製裎。 為了達成前述目的，士 a 步赞士 π ·植w 1 本發明的介電層的形成方法包括 載人μ + 1乎處理的半導體基板；藉著將基板 理·俨〜丨★ ^ π 氣化勝同時提供基板做第一氮化處 工王，攸弟一爐官取出有窠一备儿^ ίΰ] Q# Μ ^ ^ ^ JLr； ^ 虱化膜之基板形成第一氧化膜 1 J ^糟者當基板被取出時征虛介〆， 了么、應空軋提供基板做第一氮化處
1234226
理；藉著裝載有第一氧化膜的基板進入第二爐管 五、發明說明（2) 丁”、基板做弟-氮化處理；以及藉著提供第二 乳化艇的上表面做第二氧化處理來形成第二氧化膜。 ⑽二淨Λ理製程是使用—氫氟酸(HF)與氫氣酸緩衝液 :巧蝕刻溶液。或是使用稀釋氨水⑽4〇h)、雙氧水 甚ΐ,ΓΛ離子水（DIW)之混合液或—硫酸（㈣）溶液當作 濕蝕刻浴液，以便在基板表面上形成初始的氧化膜。 qnn。/、第一氮化處理程序中，在溫度與壓力設定在600到 3到1 8 〇 5到76 〇托耳的條件下的第一爐管執行熱處理 3到1 8 0刀4里，同時供給氨氣（) 〇 ,,在取出程序中，從第一爐管取出基板前最後一個階段 =度，保持在3〇〇到6_，並在Ρ爐管中供應包 氣的空氣。 千、 第二氮化處理程序是使用一在溫度6 0 0到8 0 0。(：以及厨 :〇5到2托耳條件下利用介於叫+叫與SiH2Ci2 + NH3之ς 的混合氣體的化學氣相沉積法。 Η第二氧化膜形成程序是使用選自濕氧化法、乾氧化法 ，臭氧氧化法其中的一種方法且第二氧化膜形成程序是在 弟二爐管中進行，而不是在第一與第二爐管。 為了達成本發明前述目的，本發明的介電層的形成方 法，括：提供一被洗淨處理的半導體基板；藉著將基板载 入第一爐管形成第一氮化膜同時提供基板做第一氮化處 理；從第一爐管取出有第一氮化膜之基板形成第一氧化犋 同時藉著當基板被取出時供應空氣提供基板做第一氮化處
第9頁 1234226 五、發明說明（3) 理，藉著裝載有第一氧化膜的基板進入第二爐管形成第二 氮化膜同時提供基板做第二氮化處理；以及藉著提供第二 氣化膜的上表面做第二氧化處理來形成第二氧化膜。 洗淨處理製程是使用一氫氟酸（IIF)與氫氟酸緩衝液 (β〇Ε)之濕飯刻溶液。或是使用稀釋氨水（nii4oh)、雙氧水 (I】2 〇2 )與去離子水（J) I W )之混合液或一硫酸（丨]2 S )溶液當 作濕飯刻溶液，以便在基板表面上形成初始的氧化膜。 _到第mi化處，及第二氮化處理程序是使用一在溫度 與un C1 +ΝΓ及:Γ. I5到2托耳條件下利用介於SiH4+NH3 之間的混合氣體的化學氣相沉積法。 弟一軋化處理程序中，氯畜4μ 、 物复中夕 户、拉广,η η丨〇 η 和乳氣與惰性氣體的混合 J /、甲之一在溫度6 〇 〇到8 〇 〇它 才主條件下被供給。 i力〇 . 〇 5到1 〇 〇毫米汞 第一氮化膜、第一氧化膜鱼m _ 到60埃（A )。 、/、弟一虱化膜的總厚度為30 也成苐一氮化膜、第一氧化 ^ 在第一栌# 士 # / 少孔化與弟二氮化膜的程序是 管中淮广 弟一乳化膜的程序是在第二爐 s〒進仃，不是在第一爐管。 η疋 < 牙腺 形成第一氮化膜、第—氧化 化膜的#广β^ 乳化、弟二氮化膜與第二氧 眠的％序是在相同的爐管中進 ^ 私 【本發明之實施方式】 ° 本發明之較佳實施例藉由相關 , 丄 免重覆敏枯 ^ η - 和關圖不加以詳細描述。為 同之參考數字來代表。 楗及之相同兀件以相
第10頁 1234226
名先，半導體基板先進行洗淨處理，以移除表面上殘 留之氧=膜以及雜質=洗淨進度完畢，則在基板上形成介 電層。這時候，依洗淨過程需要可使用氫氟酸（HF)與氫氟 酸緩衝液（BOE )之濕餘刻溶液。或是使用稀釋氨水 (niI4〇ii)、雙氧水（ηλ)與去離子水（DIW)之混合液或一硫酸 (II2 S04)溶液當作濕蝕刻溶液。 如果使用氫氟酸（HF )與氫氟酸緩衝液（B〇E)之濕蝕刻 溶液，當基板洗淨時，則不會有殘留氧化膜。如果使用使 用稀釋氨水（〇4〇11)、雙氧水（H2〇2)與去離子水（DI之混合 液或一硫酸（I〗2S〇4)溶液當作濕蝕刻溶液，當基板洗淨時， 則會有約1 0埃左右的氧化膜在表面上形成。因此根據使用 的洗淨液’可決定介電層成長於基板上的N0N0結構或是 ONONO結構。 五、發明說明（4) 第1 a圖至第1 d圖為用於說明根據本發明第一實施例製 造ONONO介電層之截面圖； 如第1 a圖所示，根據本發明第一實施例製造训训〇介 電層包括使用稀釋氨水〇114〇11)、雙氧水（H2 02 )與去離子水 (DIW)之混合液或硫酸（H2S〇4)溶液當作濕蝕刻溶液，以便 在基板1表面上形成第一氧化膜3。 接著’第lb圖所示，含第一氧化膜3的基板載入至第$ 一爐管’同時供給氨氣（NI]3)進行第一氮化處理程序中，使 第一氮化膜5 (氮化矽或氮氧化矽）可成長於第一氧化膜3。 第一氮化處理程序的溫度與壓力設定在6 〇 〇到9 〇 〇它以及 0 · 0 5到7 6 0托耳的條件下的執行熱處理3到1 8 〇分鐘。
第11頁 1234226 五、發明說明（5) 接下來，含第一氮化膜5可 的 ^ _ 第二氧化膜7可以在第一氮化膜仃弟、一乳化處理，使得 膜、：-氮化膜與第二氮化膜的總；J為=，第-氧化 弟—氧化處理過程可在進行當二:‘、、、矣（A )。 進行。此時十爐管並不需要匕處：的第-爐管 如氮氣沖盒。 戈另外降低氧含量裝置，諸 第一氧化處理過程可在從第一 膜5基板後，並在第一爐管中通入官取出形成第一氮化 氧氣與空氣一起透過第一焯广氧氣，。^ 表面形成第二氧化膜γ，在取出在第一氮化膜5的 度是保持在3 0 0到6 0 0 t：。 王序刚最後一個階段的溫 在本發明第一實施例中， —一 _ 氣的第一爐管形成，使得第二t ^化處理過程可在含氧 5的基板上形成。因此，如果形乳化可在含第一氮化膜 諸如乾氧法或溼氧法的直接成第二氧化膜7的過程可由 及第一氮化膜5的表面可被氧化。去來形成，則基板的介面 成第二氧化膜7的氧化處理法。因此可使用空氣作為形 因此’如弟lc圖所示，步恭 次載入第二爐管（未顯示）進ΐ有第二氧化膜7的基板再 化膜9。第二氮化處理程序是使$ ~ 化處理以形成第二氮 及壓力0.05到2托耳條件下一在溫度60 0到8 0 0以 之間的混合氣體的化學氣相沉積法於。SlMNH3與SlH2Cl2 + NH3
接者’裝載有弟二氮化胺Q Γ去曰r 一、、佳一笼- ^ / 9的基板再次載入第三爐管 (未喊不）進仃…化處理以形成第三氧化膜U。
$ 12頁 1234226 五、發明說明（6) 第三氧化膜1 1主要作用為避免微裂紋以及孔洞現象， 其形成程序疋使用選自濕氧化法、乾氧化法與臭氧氧化法 其中的一種方法。 ^ =上述過程所示，第一氧化膜3、第一氮化膜5、第二 氧化膜7、第二氮化犋Θ以及第三氧化膜11可在基本上形成 0_0的結構。 因此’閘極電極的金屬膜，或是多晶矽膜1 3可沈積在 含ΟΝΟ NO的結構的介電居上。 乐2圖為為用於說明根據先前發明單一氮化層之0N0結 才ί及t發明第一實施例之多層氮化層0ΝΟΝ〇結構分別的電 流電壓圖。 处挑如Γ2圖所示’本發明第一實施例之多層氮化層⑽0Ν0 二的=先丽發明單一氮化層之ΟΝΟ結構相比，在不減少電 容的情況下獲得补篝u ^ 又传改善的崩潰電壓特性。 根據本發明第一命 方式可春产一乐 只施例，形成0Ν0Ν0結構的介電層之 刀八」无在弟一愤答之 生π N”結構，以及| _ 0Ν0"結構’在第二爐管產 0Ν0Ν0結構的介+ ^卑三爐管產生"結構。然而，形成 構，在第二爐管\8生%可先在第一爐管產生"NON”結 同第二氮化處理 t而構。此時’形成11 NON"結構可如 第3a圖至第以圖為用於最好是30〜60埃。 ^义說明根據本發明第二實施例製
第13頁 程，通入氧氣形成米 $弟一氮化膜之"N ”結構之相同過 二氮化處理，形成^後^化犋的生"0”結構，接著進行第 成"non"結構不超過^化骠的"N”結構。一般建議 1234226 — --‘ 五、發明說明（7) 造ΝΟΝΟ介電層之截面圖； 根據本發明第二實施例之Ν0Ν0結構（第一氮化膜，第 一氧化膜，第二氮化膜，第二氧化膜），首先基本表面進 用氫氟酸（HF)與氫氟酸緩衝液（β〇Ε)之濕蝕刻溶液洗 乎处理製程。接著根據本發明第一實施例的相同程序，第 :氮化膜及第一氧化膜可連續在第一爐管於洗淨的基板上 形成（未顯：）。而第二氮化膜在第二爐管内形成（未顯 不-以及第—氧化膜在第三爐管内形成（未顯示）。 r万：f 了上述之方法外，+第-氮化膜’第-氧化 版，弟^氮，化膜的_結構可在第一爐管内產生，接著第 一氧化膜的〇結構可在第_、據 此主A ^弟一爐官内產生。同時，殘留在 及雜質可經由洗淨過程完全去除。 示），接著可進行第一氮化處理板士21载人至第一爐管（未顯 Ρ ^ ^ φ 里來形成第一氮化膜2 3。此 日守，弟一氮化處理過程可由鱼. 8〇〇以及壓力0.05到2托耳條= 爐管以溫度600到 S4C12+NIL之間的混合氣體的^利用介於SlH4 + NH3與 條件與本發明第-實施例中第一：氣相沉積法來獲得。此 的。 乐—氮化處理的條件是一樣 接下來，含第一氮化膜2 3的| 程來形成第-氧化膜。纟此情=板：以，行第-氧化過 一爐管中以溫度6 0 0到8 0 0 t以及戊i弟一氧化過程可在第 下利用介於氧氣與鈍氣，諸如2力Uj到100托耳條件 合氣體來形成。同時，建議第a Γ*氬氣、以及氦氣的混 找弟—乳化膜25的厚度不超過15 1234226
五、發明說明（8) 埃。 因而，如第3c圖所示，含 e 行第二氮化過程來形成第_ ^ 乳挺2 5的基板可以進 氮化過程可在第-爐ί::;化膜27。在此情況下，第二 行。 、 氮化過程相同條件下進 接下來，含第二氮化與2 7的美 (未顯示），並接著以第-气土板可以适進第二爐管 上表面形成第二氧化膜2 9。同日士 ,、，在弟二氮化膜2 7 理過程可在第一爐管中進行 守 形成第一氧化膜2 9的處 第二氧化膜29主要是猻& π、 濕氧化法、乾氧化法與臭洞及微裂紋，並使用選自 外，建議所有第—氮化膜2平3: : η -種方法。另 化膜2 7的厚度不超過丨〇 〇垃 氧化朕2 5，以及第二氮 如上所述之連續過程，一& + 矣。 25，第二氮化膜27以及第二 ^化朕23，第一氧化膜 來形成含ΝΟΝΟ結構的介電膜29，形成於基板21上， 夕居所* ’本發明作為介電層0Ν0Ν0還有選定ΝΟΝΟ的 多層構造可由厚度很薄的氮化膜 ^、疋⑽⑽的 因此，栌栌*八Μ 户烬^儿之則夾者乳化膜來形成0 口此根抓本發明之多層虱化層姓播冷止a α 〇 層之結構相比，在不滅少電容的；= 单：J化 壓特性’因而降低製造成本及新機台的二；。。的朋〉貝電
第15胃 1234226 圖式簡單說明 第1 a圖至第1 d圖為用於說明根據本發明第一實施例製 造〇NON〇介電層之截面圖； 第2圖為為用於說明根據先前發明單一氮化層之ΟΝΟ結 構及本發明第一實施例之多層氮化層ΟΝΟ NO結構分別的電 流電壓圖； 第3 a圖至第3 d圖為用於說明根據本發明第二實施例製 造ΝΟΝΟ介電層之截面圖； 【圖式中元件名稱與符號對照】 1 3 :非晶矽膜 1 >21 基 板 5 ^ 23 第 一 氮 化 膜 3 > 2 5 第 -^ 氧 化 膜 9 >27 第 —- 氮 化 膜 7 ^ 29 第 二 氧 化 膜 1 1 ··第三氧化膜
I
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Claims (1)

1234226 -------- 六、申請專利範圍 1.種製備介電層的方法，該方法包含下列步驟： $，二被洗淨處理的半導體基板； _ Α :^載基板進入第一爐管形成第一氮化膜’同時提 t、暴板做弟一氮化處理； 膜，ΐ日t二爐管取出有第一氮化膜之基板，形成第一氧化 化處理^糟者當基板被取出時供應空氣提供基板做第一氮 I化：^ f: ί有第—氧化膜的基板進入第二爐管形成第二 I化，Τ =提供基板做第二氮化處理；以及， 第二t:ί供弟二氮化膜的上表面做第二氧化處理，形成 2甘=申請專利範圍第丨項所述之一種製備介電層的方 液⑽Ε)之^處^夜程是使用—氯氟酸（HF)與氫氟酸緩衝 3甘=申請專利範圍第1項所述之一種製備介電層的方 中洗淨處理製程是使用—稀釋氨水（nmh)、雙 ΐ# Λ離子水（DIW)之混合液或一硫酸（H2S〇4)溶液當作 一濕蝕刻洛液以便在基板表面上形成一初始的氧化膜。 、4.如申請專利範圍第1項所述之一種製備介電層的方 法，其中，在第一氮化處理程序中，在溫度與壓力# A 6 0 0到9 0 0 C以及〇. 〇5到760毫米汞柱的條件下的第—您 執仃一熱處理3到180分鐘，同時供給氨氣（NIl3)氣體。B 5.如申請專利範圍第丨項所述之一種製備介電居的 法，其中，在取出程序中，從第一爐管取出基板前e最後—
第17頁 1234226 六、申請專利範圍 個階段的溫度是保持在3 0 0到6 0 0 °C。 6. 如申請專利範圍第1項所述之一種製備介電層的方 法，其中，在取出程序中，在第一爐管中供應包含氧氣的 空氣。 7. 如申請專利範圍第1項所述之一種製備介電層的方 法，其中第二氮化處理程序是使用一在溫度6 0 0到8 0 0 °C以 及壓力0. 05到2毫米汞柱條件下利用介於SiH4 + NH3與8丨112(：12 + NH3之間的混合氣體的化學氣相沉積法。 8. 如申請專利範圍第1項所述之一種製備介電層的方 法，其中第二氧化膜形成程序是使用選自濕氧化法、乾氧 化法與臭氧氧化法其中的一種方法。 9 ·如申請專利範圍第1項所述之一種製備介電層的方 法，其中第二氧化膜形成程序是在第三爐管中進行，而不 是在第一與第二爐管。 1 0. —種製備介電層的方法，該方法包含下列步驟： 提供，^被洗淨處理的半導體基板； 藉著提供基板做第一氮化處理形成第一氮化膜； 藉著提供有第一氮化膜的基板做第一氮化處理形成第 一氧化膜； 藉著提供有第一氧化膜的基板做第二氮化處理形成第 二氮化膜；以及， 藉著提供第二氮化膜的上表面做第二氧化處理形成第 二氧化膜。 1 1 ·如申請專利範圍第1 0項所述之一種製備介電層的
第18頁 1234226 ------ 六、申請專利範圍 ΐ ΐππΐ:洗淨處理製程是使用—氫氟酸（HF)與氫I酸緩 衡液（BOE)之濕蝕刻溶液。 方12·如申請專利範圍第10項所述之一種製備介電層的 水。^\中洗淨處理製程是使用—稀釋氨水（ΝΗ40Ι_Ι)、雙氧 作—2濕^刻t離Λ水（DIW)之混合液或一硫酸（H2S〇4)溶液當 i q ^ ^，夜以便在基板表面上形成一初始的氧化膜。 方法，並^中申裳請^利範圍第1 〇項所述之一種製備介電層的 到8〇〇它以及厭^第二氮化處理程序是使用一在溫度600 + ΝΗ3與SiH C1 ^ · 05到2宅米汞柱條件下，利用介於SiH4 /4 ' , 2 3之間的混合氣體的化學氣相沉積法。 方法，其ϋ中請々專利圍第10項所述之一種製備介電層的 氣體的混合物^ : 一氧化處理程序中，氧氣和氧氣與惰性 100毫朱泉口你、之™在溫度60〇到80(TC以及壓力0.05到 1 5水柱條件下被供給。 方法，其中申二θ一專^利範圍第1 0項所述之一種製備介電層的 度為3 0到6〇 化膜、第一氧化膜與第二氮化膜的總厚 方法，其申明專利範圍第1 〇項所述之一種製備介電層的 程序是^ I =成，一氮化膜、第一氧化膜與第二氮化s膜的 第二爐=:Γ爐管中進行，而形成第二氧化膜的程序是在 | rj 進行，不是在第一爐管。 方法，·Jt如申請專利範圍第10項所述之一種製備介電層的 第二气^ t形成第—氮化膜、第一氧化膜、第二氮化膜與 版的程序是在相同的爐管中進行。
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