TWI253142B - Method for processing a semiconductor device comprising a silicon-oxy-nitride dielectric layer - Google Patents

Description

1253142 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明有關於一種包括氧氮化石夕材料之絕緣層的半導 |兀件，亚且有關於一種這類半導體元件的製 【先前技術】 k / 在例如CMOS技術中的閘極介電層厚 隨著各技術節點需求而下降。例 Ή , υϋ 奈未之（C)MOS(= 補型MOS)技術需要一具有小 人Λ 木之層厚唐的鬧； "笔層，設想為一摻雜之二氧化 屋m以， 以則2)層。然而，將該Si02 子度減少到小於3奈米已產生 届2 a 4 j別之夕晶矽閘極摻雜物 》透的這類不利效應，因__ 漏電）一鉦法接為从上”丄 牙隨弘抓（閘極 ^ 接又的增加。這個效應已變成對縮小CMOS尺 I的-種顯著的限制’這個問題係與一依 電區配對出現的。、禾★备,” 文寻（" 介綱至該介電層以形成氧氮切的 -層係對這方面非常有利的， 摻雜物馬；昙虹U < 夕日日石夕問極 :原子取好利用這類介電層來阻播。同時顯示，增加 :叫層内的氮數量引起介電常數的增加，其係介於 一 吊數之間。增加的介電常數使得針對 給予的電性厚$ g # X產生貝體上較厚的膜成為可行，藉此诘 少該閘極漏電流。這此特性強彳卜^ 错此減 術的適用性。因此， 丁孜 現7存在有產生可成功地將一高N嘈 度併至s〗02内的—驅動力。 门N很 -種將氮化物併至氧化石夕層内的方 2003/0001218 之 Φ 丄 中。本文件中，提供氮原子給包括—熱氧 !253142 之=%層。該介電層係經由在氮分子/氧分子混合氣體 髀、、氧化作用所產生。該氮原子的併入係經由將含NO氣 :士 =電層與限量的氧氣進行處理所產生。本方法中， z氧氮切形成期間’該氮濃度的峰值係保持在離介電 =及秒半導體本體之間的介面—非常短的距離處。本方法 °亥；丨、面品質及相關的元件品質皆被改善。 氡 述方法㈤㈣缺點係對於非常薄的介電層而言，將 漏电層的有利效應仍不是相當令人滿意的。閘極 時得到實：力子中。這個缺點在介電層變得更薄 【發明内容】 本發明之一目的係避免上述 非常薄且減少該元件内之閘柽p k仏—種包括 導…… 卩内之閘極漏電的氮氧化物介電層之半 V…的處理方法，此方法係簡單且相當易控制。 上述目的係由本發明方法及元件來達成。 根據本發明，一種包括梟 制+ 4 匕括虱化矽控制電極介電層及一批 制電極之半導體元件的處 及^ 路成 法包括··在該控制電極介带 層頂上形成該控制電極之前，於 电 化矽控制電極介電層，以及在 杈仏5亥孔 你 么、σ亥控制電極介雷爲+ 藉由將氮原子併至該氧化碎控制電極二 ^匕石夕控制電極介電層至少部分轉換成為氧氮乂將该 據本發明，在將該些氮原子 ^。根 電極介電層具有一大於!〜二 = 共的氧化秒控制 /原子對虱原子比。 在本發明方法中，提供該氧 7 "电層包括：提供— 1253142 第或下方區及一第二哎上方p 卜卜 導體A柘$ ^ £，该弟一區位在靠近該半 v版基板及该巩化矽控 實際上等於1/2的w子對層之間的界面處且具有 該氧切控射極介_的^ ㈣第二區位在靠近 該表面處(將為介於該介電層及 。亥&制电極之間的界面處 子比。該些氣料在语， 夕原子對氧原 巴中（^…、、擇性地被併至該介電層的第二 二:當從該第二或上方區往該第-或下方區移動時，在 := 夕介電層中的該梦原子對氧原子比會從大於"2之 漸或步階式下降至實際上等於"2之值。 括.提在:且/細例中’提供氧化矽控制電極介電層可包 二:實際上等於1/2的石夕原子對氧原子比的氧化 ^琶極介電層，並接著利用例如植入技術將額外的石夕 所形成的氧化石夕控制電極介電層中。本實施例係 配合—熱氧化石夕來使用’因其在含石夕的界面以及 二^、度兩方面提供最高品質故係非常吸引人的 =是非常容易形成。該㈣原子可以不是經由離子植入 就疋經由電漿植入來併至該二氧化石夕層中。 μ e在再一實施例中，可藉由一矽基板之熱氧化以執行提 控制電極介電層’其上該氧化石夕介電層被形成。 r I精由例如化學氣相沉積技術（CVD)之沉積技術來提 乂:氧化夕"电層，因其更適合用於量產MOS積體電路故 係奴佺的。其它合適的沉積技術可為濺鍍技術、電漿增強 式VD(PECV〇)或原子層沉積技術（ALD)。本方法中，引進 在石夕原子對乳原子比為一步階式或漸進式的分布輪庵至該 1253142 介電層中係非常容易。 ”將該些氮原子併至該氧切控制電極介，” 電榮技術來執行。然而，在 =可猎由氮 體化合物之氣體中_ 孔次N〇或雷同者之氣 — 進仃一退火步驟也是可行的。 在-弟二觀點中’本發明同時提 體基板及—控制電極之間所提供 ：：：半導 極介電層包括：;=::層係氧氮r夕層。該控制電 半導體基板及該":一 &、亥弟-區位在靠近該 上等於w的石夕原工子對二層之間:界面處且具有實際 子比4Γ由：::面處且具有大於1/2的”子對氧原 轉化赤^ 示方法將至少部分控制電極介1 轉化成為氧氮化矽層。 电位"电層 在本發明-實施例中，該半導體基板可以是 该半導體元件可以是一々 土板。 件，其在兮主、酋 σ 一琢效電晶體之電晶體元 主-極F 導體基板一表面上具有一例如源極區之第- 之二例如沒極區之第二主電極區。-例如閘極區 形成工ΪΓ層來與該半導體表面隔開。在該控制電極 的面風化石夕控制電極介電層係形成於該半導體基板 至;:;：ΐ，其藉由將氮原子併至該氧化石夕介電層中以將 據本發轉化成氧氮化石夕。該控制電極介電層係根 金屬^ 這類方法係非常適合用以製造mosfet(= 虱t物半導體場效電晶體）元件。 1253142 本發明方〉去之一優勢係使形&可減少或抑制其間極漏 電的非常薄的介電層變成可行。 根據本發明，一半導體元件提供重要的優勢為一相當 易控制及例如小於L5奈米的非常薄介電層及介於介電區 及例如矽半導體基板的半導體基板之間的一高品質界面， 其中，该非常薄介電層係次！ 〇〇奈米cm〇s技術所需的。 本發明的這些及其它特徵、特性及優勢會從配合經由 範例說明本發明原理的該些附圖所做之下列詳細說明中變 得顯而易見。本說明只是為了舉例說明而給予，不是要限 制本發明範圍。下列所引述的參考數字參考至該些附圖。 【實施方式】 本發明將同時參考某些圖式對特定實施例做說明，但 本發明並不受限於此，而只受申請專利範圍所限制。所述 之忒些圖式只是概念性且非限制性的。在該些圖式中，某 二元件的大小可能基於說明目的被誇大而未按比例尺繪 製。尤其在該厚度方向的各尺寸為了更加清楚而被誇大。 更進一步，在該說明及申請專利範圍中的術語，，第一、 第二、第三及雷同者，，被使用以區別類似元件，並不一定說 月相續性或安排的次序。應了解，所使用的該些術語可 在〇適的％境下互換，且在此所述之本發明該些實施例可 以不同於在此所述或所示之其它順序來執行。 甚至，在該說明及申請專利範圍中的該些術語，，頂部、 底部、在其上、在其下及雷同者，，係基於說明目的而被使用， 不一定是說明各種相對應位置。應了解，所使用的該些術 11 1253142 ^ τ在a適的環境下互換，且 ..„ _ ^ 在此所迷之本發明該些實施 例可以不同於在此所述或 ^ 飞所不之其匕方位來執行。 广、广主思’在申請專利範圍中所使用之術語，，包括”不 應被解譯成限制於其後所 牛哪^稱仵，匕不排除其它元件或 步驟。因此，邊詞句，，包括 # ΙΨ〜5 口 ϋ 牛及Β的兀件，，的範圍不應 被限疋至，、由構件Α及Β 兮开杜信古μ 4 、、成 件。它意謂對本發明， 忒凡件僅有的相依構件係入及Β。 藉由本發明方法製造一元件係示於第…圖中，豆 口自顯不在该製程各階段 方法可使用於事迭勺枯… 件的剖面圖。本發明 極與汲極之至ί=;ΓΓ之絕緣控制電極及例如源 在此後之說明中，係★兒明2疋件的許多方法中。 源極與汲極做為第一與第二 利电往及 使用太r Μ 口 η P 一电極之元件20之製造方法。 ，例…於說明而不是要用來限制本發明。 在本發明第一實施例中 P則ST元件2。製程。該元件2 了艮據本發明方法之 的半導體基板!，其在本::之括-第-導電率類型 但其可另由任何其它合適㈣構成’ 施例，該元件2〇的赞、“材料所構成。根據本實 I造起點係-例如- P型矽基板i之楚 一V電率類型的半導體基板i， 弟 井區2之第二導電率類型的土板内=一例如η型 板I中形成例如二氧切㈣(弟1圖)。在該半導體基 基板m ㈣3。接著，在該石夕 八千 例如氧化矽之閘極介電層4之m 介電層。該閘極介電層4且有^ 1玉曰之1工制电極 八有例如1奈米之厚度。在本實 12 1253142 施例中，該閘極介電層4係藉由CVD(化學氣相沉積技術） 以例如700 C之溫度來沉積在該矽基板丨的頂上。然而，其 匕口適的沉積技術也一樣可以使用。可用於該閘極介電層4 ’儿積之彳寸別合適的其它技術係濺鍍技術或技術（電 漿增強式CVD技術）或ALD技術（原子層沉積技術）。後面 的技術表現係最適合用於非常薄的閘極介電層4的沉積。 在靠近該半導體基板1及該介電層4之間界面之閘極 介電層4的-第—或下方區中，選擇之組成及成長條件可 使該沉積材料具有實際上等於二氧化石夕之成分，也就是， ^ 原子比只際上係等於1/2〇在該介電層4下靠近該間 極介電層4及該半導體基板i之間界面較遠端處，因此較 靠近該介電層4之自由表面之閘極介電層4的一第二或上 方區中，該成分係漸漸地或步階式地變成具有一大於1/2之 S"〇原子比之材料’例如其材料成分對應 料的石夕原子對氧原子 3文此材 ~ 1/1.5)。本方法中，所擁右 的完全優勢為像一埶氧 汀縣有 ， ”、、虱化矽及例如矽之半導體本體之一 學計量之二氧切高界面 地併至該介電層4的上面部八幻 Γ子係更具選擇性 續該介電> 4之卩/其絲料導體基板1及 、…-二 更遠。以此方法，根據本發明方 法使付將氮原子併至該間 $骆合旅& μ "电層4中而沒有用別的方 法將會赉生的不要的f "万 若相要冤層4厚度的增加成為可行。 要的閘極介電層4厚度係5太 、七—徊早牲w θ 又你ύ奈未厚或更小，則卜 心個疋特別具優勢的。對於例如未來次〗 _:上 術而言，會想要或其$ + 不水兀件技 甚至需要-電性較1.5奈米薄的間極介電 13 1253142 :4。較佳地選擇該成長條件，以使該成長率非常小而使該 =介電層4的總成長時間至少有幾秒鐘，並使該成分可 亥閘極介電層4的成長/沉積時被改變。 在本貫施例之一有利譽介φ 访^ ^ j爻化中，^矽原子對氧原子比係 :斩：地或步階式地從大於1/2下…2,其係從該介電層 方區往具有該半導體基板1的界面移動來看。 ::後’該問極介電層4利用將氮原子併至該間極介 、y 2圖）中而被轉化成氧氮切材料。本實施例中， 這個可藉由將該半導I#美知】 、 #忑牛•基板1曝露至氮電漿中而得。如上 处’這種轉化現在可更有效的將氮併至該氧化石夕層4中。 ^明方法係基於下列所述。將氮原子引人至實際上 ^學計量的三氧切之—熱氧切會釋出氧原子，因 =:氣離子被氮原子所取代。根據本發明方法，游離的 ^ ^ 敉不而以虱原子取代氧原子以形成 夕-虱鍵。因此，根據本發明方 蔣“2" 月方法’可較習知技術更有效地 將虱原子併至該氧化矽中。 方法更薄的介電層。 上述方法能使用較習知 if至’若氧原子被氮原子所取代而釋出氧原子，其可 此擴放至該矽及該介電層4之 ]々界面，在此，它們可與 夕之反應而部分被併至該介電層4 習知方法中所添X /、旱又i曰加。在 顥…、“、， 細◊虱化劑進-步增加這個問 法財又奋、“孕乂要被釋出’此時根據本發明方 較不會;:遇這個問題。若這個真的發生時，氧原子合 在匕們直接環境中遇到未鍵結 /、曰 J ^。因此，它們不會擴散 14 1253142 f該矽半導體基板！及該介電層4之間的界面，在那裡， 它們會被矽所消耗掉而使該介電層4厚度增加。 在下―步驟中，-多晶矽層5藉由例如- CVD的常用 方式而被沉積在該閉極介電層4上。該多晶石夕層5可具有 ' $米的厚度。-遮罩6接著可被沉積在該結構頂 上柏後要形成閘極7所在的區域處。該遮罩6可例如包括 -抗姓劑^可藉由標準的微影成像術來形成。這個步驟係 示於第3圖。 “罩6外，例如藉由银刻技術之任何適合的移除 技術來將該些層4A 5移除。本方法中，包括—閘極及二 閘極介電：4的閉極堆疊可被形成(第4圖)。本實施例中， «亥閘極堆®的厚度為1G1奈米（閘極7 +介電層4)並對應至用 % 〇不、米凡件之標準CM0S製程中的高度。以該閘極堆 且為逑罩，淺P型植入技術可被執行以形成要形成元 件2〇之源極與汲極10、11白々LDD(輕度接雜沒極）延伸區8、 9 〇 ▲接著，絕緣間隔壁12被形成在該LDD延伸區8、9上 方口亥閘極堆g❸’側，其係例如利用冑—例如三氧化石夕類 之口適’丨电材料均勻層沉積在至此所形成的結構上，接著 ’、向丨生蝕刻3 ’儿積層以將該元件平坦區内的沉積層移除， 因而產生如第5圖所示之絕緣間隔壁12。該沉積介電材料 厚^可例如’,於9〇至1〇〇奈米之間，而所形成間隔壁U 的見度：約略與此相同，但本發明並不受限於本範例。 一 較/朱的p+型植入技術被執行以完成源極區及5及 15 1253142 極區1 0、1 1的形成。該半導體基板1接著在在例如超過丨〇〇〇 °C溫度下進行退火以活性化該源極及汲極1 〇、u的植入。 在另一實施例中，也許有利地在源極及汲極1〇、丨丨之 較深部分已形成並退火後，再形成該些源極及汲極延伸區 8、9，此因它們係可以較用於退火該些較深部分所需溫度 更低的溫度來退火之故。接著，該些絕緣間隔物12必須在 形成該延伸區8、9之前被移除，且新的絕緣間隔壁係在該 些延伸區8、9形成之後被形成。 第6圖所示之下一步驟中，一金屬層丨3被沉積覆在該 結構上。該金屬層1 3可包括一金屬層堆疊，例如可包括一 8奈米厚鈷層，其上具有一 1〇奈米厚的鈦層。其它金屬層 的結合也可在此被使用。該鈦層的作用為在矽化製程（後述） 後防止短路及當做氧的障礙層使用。 接著，該元件20被熱處理以在該閘極7上並在該源極 10與汲極1 1上形成矽化區14，也就是，矽及金屬的合金（第 7圖）。矽化區1 4的形成可例如利用二加熱步驟來執行。在 第一加熱步驟中，其内溫度可介於4〇〇至6〇〇。(：之間，例如 54(TC，該銘層轉變成梦化钻。接著，未產生反應的欽及未 產生反應的鈷可例如藉由蝕刻技術來移除。在一第二加熱 步驟中，該溫度可介於6〇〇至9〇〇t之間，例如85〇tt。在 本V ^中在區域14中所形成的矽化鈷被轉化成二矽化 鈷就某方面而5，该區域14現在具有一合適厚度，而就 另方面而5 ，该閘極7變成一完全矽化的區域。因此， 在该閘極7中的空乏層效應被避開。 16 1253142 最後，該p型MOSFET元件20的制m Λ, „ 的製造可由沉積例‘- 虱化矽之前金屬介電層15,接著圖宰 、 一 u系化刖金屬介電層丨5 進一步被完成。沉積例如鋁之接觸全 向 晰— 至屬層並接著圖幸仆， 「麼就形成接觸區16(見第8圖）。 一 搞八：另一實施例中，係說明該第-實施例的變化。該開 。"電層4(見第2圖）係藉由該半導體 ^ 丁守版基板1的矽之埶惫仆 用來形成。在第2圖所示之氮化作用前，矽原子係 ，如離子植人技術而被併至該介電層4的表面區域中。曰這 個可透過一遮罩層（第2FIiis-、 ^ , θ (弟2圖未顯不）利用例如植入法來逵 ，用以限制該閘極介電層4内的矽原子滲透深度。 ^康Μ月方法之一優勢為將氮併至該氧化石夕層中係 吊有效率的。這個可產生一更像氮化石夕的氧氮化石夕。因 其較高介電常數值會產生具有減少的漏電及減少的摻 雜物摩透風險的一帝w 〇电性較缚介電層。更進一步，在該氮化 用％的層厚度增加之風險更可被限定。 ^ 了解雖然在此針對本發明元件之較佳實施例、特 疋:構及配置以及材料進行說明，但形式及細節上的各種 文义或又型可被產生而不偏離本發明範圍及精神。 【圖式簡單說明】

第 1 5 R 圖顯示藉由本發明方法於該元件製造中之各 階段半導體元件的剖面圖。 該些不闾SI jjy 1 J固形中，該些相同參考符號參考至相同或類 似的元件。 【主要元件符號說明】 17 1253142 1 :半導體基板 2 :井區 3 :隔離區或溝槽 4 :閘極介電層 5 :多晶矽層 6 :遮罩 7 :閘極

8、9 :輕度摻雜沒極延伸區 1 0 :源極區 1 1 · >及極區 1 2 :絕緣間隔壁 13 :金屬層 1 4 :石夕化區 1 5 :前金屬介電層 1 6 :接觸區 20 : p型金屬氧化物場效電晶體

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Claims (1)

1253142 十、申請專利範園： 1. 一種包括一控制電極介 元件的處理方法曰-控制電極之半導體 左匕祜下列步驟： :在該控制電極形成於一半導體 肢基板上提供該控制電極介電層，該、“之則，在半導 化矽層，提供其中至少一 ^工，電極介電層係氧 氧原子比之氧切； 有大於1/2之矽原子對 -在提供該氧切控制電 至該控制電極介電声中u由將虱原子併 極介電層成為氧氮切層，·部分轉化該氧化石夕控制電 ：提供该控制電極介電層包括： 位在靠提近：;氧·切控制電極介電層之-第-區，該第-區 V體基板及該氧化矽控制電極介電屑之門的 :面處，且具有-實際上等於1/2的州對二= 該第二區 且具有一

土曰°亥氧化矽控制電極介電層之一第二區， 位在靠近該氧化矽控制電極介電層的一表面處， 大於1/2的⑪原子對氧原子比。 制;:1項之方法’其中’提供該控 制％極介電；本 曰^驟被執行，以使該控制電極介電層中 碎原子對氧；§ 7 ，、子比逐漸地從該第二區往該第一區是從大於 19 1 / 2之值^主實卩气L Μ 、除上寺於1 /2之值下降。 才據申睛專利範圍第1或2項中任一項之方法，其 提么、忒控制電極介電層包括下列步驟： 1253142 層；以及 利用植入技術將額外的矽原 控制=3:實際上等於的1/2_原子對氧原子比之 子併至该控制電極介電 4·根據申請專利範圍第】或 基板係由梦所構成，其中，提m二項之方法，該 驟包括對該基板執行—熱氧化作用。 I電層步 5·根據申請專利範圍第1或2項中任一項之 中k供氧化石夕控制電極介電声步赞勺把刼/ 、 步包括執行—沉積技術。 •根據申睛專利範圍第5項之方法，i 矽控制電極介電層步 、 ：、’提供氧化 外匕祜執仃一化學氣相沉積技術。 7·根據申請專利範圍第1或2項中任-項之方法，复 :將虱原子併至該控制電極介電層中之步驟係 漿技術來執行。 目街乳包 8· 一種半導體元件’包括在-半導體基板上所提供之 :控制電極及-控制電極介電層’其中，控制電極介電層 係至少部分為氧氮化石夕層， 其中，該控制電極介電層包括： 第區位在罪近泫半導體基板及該控制電極介電 層之間的界面處’且具有一實際上等於1 / 2的矽原子對氧】 子比；以及 、 --第二區’位在靠近該控制電極介電層的—表面處， 且具有一大於1/2的矽原子對氧原子比。 9.根據申請專利範圍第8項之半導體元件，其中，該 20 1253142 半導體基板係ί夕。 10.根據申請專利範圍第8或9項中任一項之半導體元 件，其中，該半導體元件係一電晶體元件。 十一、圖式： 如次頁

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