專(zhuān)利名稱(chēng)：提高膜層應(yīng)力的方法以及高應(yīng)力層的形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種應(yīng)力層的形成方法，尤其涉及一種提高膜層應(yīng)力的方 法以及高應(yīng)力層的形成方法。
背景技術(shù)：
隨著半導(dǎo)體工藝進(jìn)入深亞微米時(shí)代，對(duì)于提升N型晶體管(NMOS)及P 型晶體管(PMOS)的元件驅(qū)動(dòng)電流也日趨重視。特別是，對(duì)目前的65納米(nm) 以下工藝而言，有效提升N型晶體管及P型晶體管的驅(qū)動(dòng)電流，可大大地 改善元件延遲時(shí)間(time delay),以及提升元件運(yùn)算速度。近年來(lái)，業(yè)界提出各種利用內(nèi)應(yīng)力(internal stress)來(lái)提升元件驅(qū)動(dòng)電流 的方案，其中包括提高淺溝渠氧化物層(shallow trench isolation oxide， STI Oxide)、多晶硅頂蓋氮化硅層(Poly-cap SiN)以及接觸氮化硅終止層薄膜 (contact SiN Stop layer film)等膜層的應(yīng)力(stress)。當(dāng)上述各膜層的拉伸應(yīng)力 (tensile stress)增加時(shí)，n溝道區(qū)的驅(qū)動(dòng)電流會(huì)增加；當(dāng)各膜層的壓縮應(yīng)力 (compressive stress)增力a時(shí)，p溝道區(qū)的驅(qū)動(dòng)電流會(huì)增力口 。一般而言，現(xiàn)在業(yè)界所使用的薄膜沉積技術(shù)已無(wú)法滿(mǎn)足目前集成電路 工藝的需求。舉例來(lái)說(shuō)，目前利用傳統(tǒng)等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD) 技術(shù)所形成的氮化硅層，其應(yīng)力值僅能達(dá)到-0.06 GPa左右。業(yè)界提出在傳 統(tǒng)PECVD技術(shù)中加入分子量較大的鈍氣(inert gas)，以使所沉積出的膜層可 提高應(yīng)力值為-2.4 GPa左右，但是相對(duì)于65納米工藝及以下的工藝所需求 的更高應(yīng)力值而言，仍然是相當(dāng)不足的。而且，在沉積工藝中，上述為增 加膜層應(yīng)力值而加入的大分子量的氣體，會(huì)因彼此氣體原子間的相互碰撞， 以及與傳統(tǒng)PECVD技術(shù)所使用的氮?dú)廨d氣的相互碰撞，而造成轟擊 (bombard)能量的消耗，降低沉積效率。因此，如何發(fā)展能形成具有高應(yīng)力的應(yīng)力層的技術(shù)，已成為目前相關(guān) 業(yè)界相當(dāng)重視的課題之一。發(fā)明內(nèi)容有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種提高膜層應(yīng)力的方法，能夠避免PECVD操作中的氣體原子間的相互碰撞而影響沉積效率，且可提高膜層應(yīng) 力。本發(fā)明的另一目的是提供一種高應(yīng)力層的形成方法，能夠形成高應(yīng)力 層，以提高元件效能。本發(fā)明提出 一種提高膜層應(yīng)力的方法，適用于在一等離子體增強(qiáng)化學(xué) 氣相沉積搡作中形成一應(yīng)力層。此方法為，在進(jìn)行一等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣 相沉積工藝時(shí)，通入分子量小于氮?dú)獾囊惠d氣，且通入分子量大于等于氮 氣的一輔助反應(yīng)氣體，以進(jìn)行離子轟擊。依照本發(fā)明的實(shí)施例所述的提高膜層應(yīng)力的方法，上述的輔助反應(yīng)氣 體例如是氬氣(Ar)、氮?dú)?N》、氪氣(Kr)或氙氣(Xe)。依照本發(fā)明的實(shí)施例所述的提高膜層應(yīng)力的方法，上述的載氣例如是 氫氣0 2)、氦氣(He)、氖氣(Ne)或其混合。依照本發(fā)明的實(shí)施例所述的提高膜層應(yīng)力的方法，上述的高應(yīng)力層例 如是一氮化硅層。依照本發(fā)明的實(shí)施例所述的提高膜層應(yīng)力的方法，在進(jìn)行等離子體增 強(qiáng)化學(xué)氣相沉積工藝之前，可通入一前置氣體。上述的前置氣體例如是氮 氣或氬氣。本發(fā)明另提出一種高應(yīng)力層的形成方法，此方法為在一等離子體增強(qiáng) 化學(xué)氣相沉積機(jī)臺(tái)的一反應(yīng)室中置入一基板，且于反應(yīng)室中加入一反應(yīng)氣 體。然后，在反應(yīng)室中通入分子量大于等于氮?dú)獾囊惠o助反應(yīng)氣體。接著， 在反應(yīng)室中導(dǎo)入分子量小于氮?dú)獾囊惠d氣，以于基板上形成高應(yīng)力層。依照本發(fā)明的實(shí)施例所述的高應(yīng)力層的形成方法，上述的輔助反應(yīng)氣 體例如是氳氣、氮?dú)狻㈦礆饣螂瘹?。依照本發(fā)明的實(shí)施例所述的高應(yīng)力層的形成方法，上述的載氣例如是 氫氣、氦氣、氖氣或其混合。依照本發(fā)明的實(shí)施例所述的高應(yīng)力層的形成方法，上述的高應(yīng)力層例 如是一氮化硅層，而所使用反應(yīng)氣體例如是硅曱烷與氨氣。依照本發(fā)明的實(shí)施例所述的高應(yīng)力層的形成方法，上述的在反應(yīng)室中 加入反應(yīng)氣體之前，可通入一前置氣體。上述的前置氣體例如是氮?dú)饣虮景l(fā)明的方法是利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積機(jī)臺(tái)來(lái)形成高應(yīng)力 層，并加入分子量較大的輔助反應(yīng)氣體來(lái)幫助提高膜層的應(yīng)力值。而且， 本發(fā)明的方法還包括利用通入分子量小于氮?dú)獾姆肿恿康妮d氣，來(lái)減少輔 助反應(yīng)氣體的氣體原子間的相互碰撞，如此可降低轟擊能量的消耗，提高 沉積效率，進(jìn)而可更加提高所沉積出的應(yīng)力層的應(yīng)力值。為讓本發(fā)明的上述和其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉 實(shí)施例，并配合附圖，作詳細(xì)說(shuō)明如下。


圖1為依照本發(fā)明一實(shí)施例所繪示的互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體元件的剖面示意圖；圖2為元件的啟動(dòng)電流增益百分比對(duì)應(yīng)力層的應(yīng)力值的關(guān)系圖。主要元件符號(hào)說(shuō)明100:基底102、 104:有源區(qū)106:隔離結(jié)構(gòu)108: P型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管108a、 110a:柵介電層108b、 110b:柵極108c、 110c:源4及/漏4及區(qū)108d、 110d:間隙壁110: N型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管112:氮化硅層200、 202、 204:曲線(xiàn)具體實(shí)施方式
在集成電路元件的制造過(guò)程中，藉由提高淺溝渠氧化物層(shallow trench isolation oxide ， STI Oxide)、多晶石圭頂蓋氮化石圭層(Poly-cap SiN)以及 接觸氮化硅終止層薄膜(contact SiN stop layer film)等膜層的應(yīng)力(stress),可 有效提升元件的驅(qū)動(dòng)電流。本發(fā)明的方法可提高膜層的應(yīng)力值，以形成一高應(yīng)力層，并藉此提升 元件效能。下述，將以形成具有高壓縮應(yīng)力的氮化硅層為例，來(lái)說(shuō)明本發(fā) 明。一般而言，在開(kāi)始進(jìn)行等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積工藝之前，會(huì)在反 應(yīng)室內(nèi)通入一前置氣體，以使反應(yīng)室內(nèi)的壓力達(dá)到平衡。上述的前置氣體 可例如是使用氮?dú)?N2)。在一實(shí)施例中，還可使用氫氣(H2)當(dāng)作前置氣體。接著，在反應(yīng)室內(nèi)的壓力穩(wěn)定之后，將一硅基底或已形成有多層材料層的一基材移入一等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)機(jī)臺(tái)中，使溫度升高 至介于300至60(TC之間，例如是400°C。并且設(shè)定高頻電源功率 (high-frequency source power)介于50 W ~ 1,000 W之間，例如是75 W;設(shè)定 低頻電源功率(low-frequency source power)介于50 W ~ 1,000 W之間，例如作為反應(yīng)氣體，其中SffiU的流量可以是介于30 sccm至1,000 sccm之間， 例如是60 sccm,而NH3的流量可以是介于30 sccm至1,000 sccm之間，例 如是150 sccm。然后，通入一輔助反應(yīng)氣體到PECVD機(jī)臺(tái)的反應(yīng)室中，輔助反應(yīng)氣體 的分子量大于等于氮?dú)獾姆肿恿?，其可以例如是氬?Ar)、氮?dú)?N2)、氪氣 (Kr)或氙氣(Xe)。在此實(shí)施例中是使用氬氣，其流量可以是介于300 sccm至 5，000sccm之間，例如是3,000sccm。輔助反應(yīng)氣體的作用為增加薄膜沉積 時(shí)的離子轟擊(ionbombard),其有助于沉積出更致密的膜層，以增加所沉積 出來(lái)的氮化硅層的應(yīng)力值。在此時(shí)，還包括調(diào)整工藝參數(shù)，使PECVD機(jī)臺(tái) 的反應(yīng)室內(nèi)達(dá)一穩(wěn)定壓力，其壓力例如是介于100 mTorr至20 Torr之間。 另一方面，雖然輔助反應(yīng)氣體可幫助提高膜層的應(yīng)力值，但輔助反應(yīng)氣體 本身的分子量較大，所以輔助反應(yīng)氣體的氣體原子間的相互碰撞會(huì)影響整 個(gè)離子轟擊的效率，而使薄膜的應(yīng)力值無(wú)法更為提高。接著，于反應(yīng)室中導(dǎo)入一載氣(carrier gas)，載氣的分子量小于氮?dú)獾?分子量。栽氣可以例如是氫氣、氦氣(He)、氖氣(Ne)或其混合氣體。在此實(shí) 施例中是使用氫氣當(dāng)作載氣，氫氣的流量可以介于500 sccm至5,000 sccm 之間，例如是l，OOO sccm。通入栽氣后，開(kāi)始進(jìn)行氮化硅層的沉積，則起始 所沉積的薄膜的含氮量會(huì)較大，最終沉積出來(lái)的薄膜會(huì)具有 一 高應(yīng)力值， 其應(yīng)力值會(huì)大于-3.0GPa,甚至可高達(dá)-3.5GPa。特別要說(shuō)明的是，上述實(shí)施例中所使用的載氣的分子量小于氮?dú)獾姆?子量，利用通入分子量小的栽氣可減少輔助反應(yīng)氣體的氣體原子間的相互碰撞，因此可降低轟擊(bombard)能量的消耗，提高沉積效率，如此可沉積 出高應(yīng)力值的氮化硅層。接下來(lái)，列舉實(shí)施例來(lái)說(shuō)明利用本發(fā)明的方法所沉積出的高應(yīng)力氮化 硅層的應(yīng)用。請(qǐng)參照?qǐng)D1 ，其為依照本發(fā)明 一 實(shí)施例所繪示的互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo) 體元件的剖面示意圖。請(qǐng)參照?qǐng)D1，基底100具有有源區(qū)102、 104,且有源區(qū)102、 104之間 以隔離結(jié)構(gòu)106區(qū)隔。隔離結(jié)構(gòu)106例如是淺溝渠隔離結(jié)構(gòu)或其他合適的 隔離結(jié)構(gòu)。而且，在基底IOO的有源區(qū)102、 104分別形成有P型金屬氧化 物半導(dǎo)體晶體管(PMOS)108與N型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管(NMOS)llO。 其中，PMOS 108是由柵介電層108a、柵極108b、源極/漏極區(qū)108c與間隙 壁108d所構(gòu)成，NMOS 110是由柵介電層110a、柵極110b、源極/漏極區(qū) 110c與間隙壁110d所構(gòu)成。另外，于PMOS 108的柵極108b與源極/漏極 區(qū)108c上，以及NMOS110的柵極110b與源極/漏極區(qū)110c上還分別形成 有金屬硅化物層(未繪示)，用以降低阻值。之后，于整個(gè)基底100上沉積一層以本發(fā)明的方法所形成的氮化硅層 112,其可當(dāng)作是接觸窗蝕刻終止層(contact etching stop layer, CESL)。此氮 化硅層112可具有高壓縮應(yīng)力，其應(yīng)力值可大于-3.0 GPa,甚至可高達(dá)-3.5 GPa，因此可改善元件的驅(qū)動(dòng)電流，提高元件的效能。當(dāng)然，除了上述的應(yīng)用外，本發(fā)明的方法所沉積的氮化硅層還可應(yīng)用 在淺溝渠氧化物層(STI Oxide)、多晶硅頂蓋氮化硅層(Poly-cap SiN)以及雙接 觸窗蝕刻終止層(Dual CESL)等方面，以增加元件的效能。以下，以圖2iJt明應(yīng)力層的應(yīng)力值與元件效能的關(guān)系。請(qǐng)參照?qǐng)D2 ，其為元件的啟動(dòng)電流增益百分比(Ion gain %)對(duì)應(yīng)力層的應(yīng) 力值(GPa)的關(guān)系圖。在圖2中，曲線(xiàn)200、 202與204分別是表示以具有不 同應(yīng)力值(-0.06 GPa、 -2.4 GPa、 -3.0 GPa)的氮化硅層來(lái)當(dāng)作元件中的應(yīng)力層， 對(duì)元件的效能的影響。上述，曲線(xiàn)200是代表以傳統(tǒng)PECVD機(jī)臺(tái)(以氮?dú)?為載氣)所沉積出的氮化硅層對(duì)元件效能的影響，曲線(xiàn)202是代表以傳統(tǒng) PECVD機(jī)臺(tái)加入氬氣(以氮?dú)鉃檩d氣)所沉積出的氮化硅層對(duì)元件效能的影響，曲線(xiàn)204是^表以傳統(tǒng)PECVD才幾臺(tái)加入氬氣(以氫氣為載氣)所沉積出 的氮化硅層對(duì)元件效能的影響。由圖2可知，以傳統(tǒng)PECVD機(jī)臺(tái)加入氬氣 (以氮?dú)鉃檩d氣)所沉積出的氮化硅層可使元件的啟動(dòng)電流增益百分比約為 42%左右，而本發(fā)明的方法可使元件的啟動(dòng)電流增益百分比提高至約為50%左右。綜上所述，本發(fā)明的方法是利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積機(jī)臺(tái)來(lái)形 成高應(yīng)力層，并加入分子量較大的輔助反應(yīng)氣體來(lái)幫助提高膜層的應(yīng)力值， 且通入分子量小于氮?dú)獾姆肿恿康妮d氣，以減少輔助反應(yīng)氣體的氣體原子 間的相互碰撞，如此可降低轟擊能量的消耗，提高沉積效率，進(jìn)而可更加 提高所沉積出的應(yīng)力層的應(yīng)力值。雖然本發(fā)明已以實(shí)施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何本 領(lǐng)域技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的前提下，可作些許的更動(dòng) 與潤(rùn)飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視所附權(quán)利要求所界定者為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1. 一種提高膜層應(yīng)力的方法，適用于在等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積操作中形成應(yīng)力層，該方法包括在進(jìn)行等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積工藝時(shí)，通入分子量小于氮?dú)獾妮d氣，且通入分子量大于等于氮?dú)獾妮o助反應(yīng)氣體，以進(jìn)行離子轟擊。
2. 如權(quán)利要求1所述的提高膜層應(yīng)力的方法，其中該輔助反應(yīng)氣體包括 氬氣、氮?dú)狻㈦礆饣蚍諝狻?br> 3. 如權(quán)利要求1所述的提高膜層應(yīng)力的方法，其中該載氣包括氫氣、氦 氣、氖氣或其混合。
4. 如權(quán)利要求1所述的提高膜層應(yīng)力的方法，其中該應(yīng)力層包括氮化硅層。
5. 如權(quán)利要求1所述的提高膜層應(yīng)力的方法，其中在進(jìn)行該等離子體增 強(qiáng)化學(xué)氣相沉積工藝之前，可通入前置氣體。
6. 如權(quán)利要求5所述的提高膜層應(yīng)力的方法，其中該前置氣體包括氮?dú)?或氬氣。
7. —種高應(yīng)力層的形成方法，包括在等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積機(jī)臺(tái)的反應(yīng)室中置入基板，且于該反應(yīng)室中加入反應(yīng)氣體；在該反應(yīng)室中通入分子量大于等于氮?dú)獾妮o助反應(yīng)氣體；以及 在該反應(yīng)室中導(dǎo)入分子量小于氮?dú)獾妮d氣，以于該基板上形成該高應(yīng)力層。
8. 如權(quán)利要求7所述的高應(yīng)力層的形成方法，其中該輔助反應(yīng)氣體包括 氬氣、氮?dú)狻㈦礆饣螂瘹狻?br> 9. 如權(quán)利要求7所述的高應(yīng)力層的形成方法，其中該栽氣包括氫氣、氦 氣、氖氣或其混合。
10. 如權(quán)利要求7所述的高應(yīng)力層的形成方法，其中該高應(yīng)力層包括氮 化硅層。
11. 如權(quán)利要求IO所述的高應(yīng)力層的形成方法，其中該反應(yīng)氣體包括硅 曱烷與氨氣。
12. 如權(quán)利要求7所述的高應(yīng)力層的形成方法，其中在該反應(yīng)室中加入 該反應(yīng)氣體之前，可通入前置氣體。
13. 如權(quán)利要求12所述的高應(yīng)力層的形成方法，其中該前置氣體包括氮 氣或氬氣。
全文摘要
一種高應(yīng)力層的形成方法，此方法為在一等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積機(jī)臺(tái)的一反應(yīng)室中置入一基板，且于反應(yīng)室中加入一反應(yīng)氣體。然后，在反應(yīng)室中通入分子量大于等于氮?dú)獾囊惠o助反應(yīng)氣體。接著，在反應(yīng)室中導(dǎo)入分子量小于氮?dú)獾囊惠d氣以提升膜沉積時(shí)的轟擊效益。藉此，即可在基板上形成高應(yīng)力層。
文檔編號(hào)C23C16/513GK101220470SQ200710002178
公開(kāi)日2008年7月16日 申請(qǐng)日期2007年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月12日
發(fā)明者蔡騰群, 陳能?chē)?guó), 黃建中 申請(qǐng)人:聯(lián)華電子股份有限公司