專利名稱：以單一晶片制程制作一閘極介電層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明有關(guān)一種窄通道金氧半場效應(yīng)晶體管組件的閘極介電層的制作方法；特別是有關(guān)一種以單一晶片制程制作一閘極介電層的方法。
背景技術(shù)：
集成電路的趨勢是朝向更高操作性能、更快速度及低價位發(fā)展。相應(yīng)地，組件尺寸的大小也隨著集成電路技術(shù)的提升而逐漸縮小化。此一趨勢的發(fā)展使得使用超薄介電層于半導(dǎo)體組件(如金氧半場效應(yīng)晶體管)制造上成為必要。
金氧半場效應(yīng)晶體管包括一高摻雜漏極及源極位于一硅底材上，及一位于此源極與漏極之間并以一層薄閘極介電層與硅底材隔開的導(dǎo)電性閘極電極。當(dāng)一適當(dāng)電壓施予在此閘極電極時，一導(dǎo)電性通道形成于源極與漏極之間。更短的通道、更淺的源極及漏極接合及更薄的閘極介電層對于獲得更小型及更快速的金氧半場效應(yīng)晶體管是相當(dāng)重要的影響因素。
厚度在100埃以下甚至到供0.13μm制程使用15埃的超薄介電層(ultra-thin dielectric layer)，通常由高品質(zhì)的二氧化硅所形成。此超薄二氧化硅層是供作金氧半場效應(yīng)晶體管的閘極介電層使用，一般稱做閘極氧化層。對于同一閘氧化層材料而言，當(dāng)其厚度從幾百?？s小到數(shù)十埃時，一些量子效應(yīng)如硼穿透(boron penetration)及熱載子效應(yīng)皆會產(chǎn)生。對于超薄閘氧化層而言，硼原子可從經(jīng)摻雜的多晶硅閘極穿過閘氧化層進入位于其下方的底材，引起嚴(yán)重的閘極啟始電壓偏移問題。由于熱載子效應(yīng)于漏極附近所產(chǎn)生的熱電子也極易射入超薄閘氧化層，而破壞閘氧化層及/或Si-SiO2接面。不良的接面構(gòu)造、高缺陷度、厚度控制不佳及雜質(zhì)擴散至閘氧化層等因素也對超薄閘氧層造成不利影響。這些因素也嚴(yán)重影響半導(dǎo)體組件的操作性能。
于超薄閘氧化層摻入氮原子已顯示出可抑制硼穿透并改善Si-SiO2的接面構(gòu)造。摻有氮的超薄氧化層(約12~20埃)的品質(zhì)控制及其制造方法使得將閘氧化層縮小至可供0.1um制程使用成為可能。傳統(tǒng)上，是以氮離子植入方式(nitrogen implantation)將氮原子摻入一硅底材的一頂部區(qū)域。然而，氮離子植入方法極容易損壞被植入的硅底材的構(gòu)造，而在后續(xù)閘氧化層成長期間，形成針孔缺陷(pin hole issue)。以氮離子植入方式將氮原子摻入硅底材也很難控制硅底材頂部區(qū)域的氮原子濃度輪廓(nitrogen profile)，而使得后續(xù)氧化制程很難獲得厚度均勻的一超薄閘極介電層。
傳統(tǒng)高溫爐管氧化制程中，是一整批硅晶片同時被氧化，形成一閘氧化層于每一硅晶片中。因此，傳統(tǒng)高溫爐管氧化制程很難獲得厚度一致性控制很好的閘氧化層。另外，傳統(tǒng)高溫爐管氧化制程很難形成20埃以下的閘氧化層，并且氧化過程若使用較低的溫度會使氧化層品質(zhì)劣化。因此，傳統(tǒng)高溫爐管氧化制程無法提供高品質(zhì)的超薄閘氧化層。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的是提供一種以單一晶片制程制作一閘極介電層的方法，以提高產(chǎn)出率并可于硅晶片上形成高品質(zhì)的超薄的具有氮氧化硅底層的氧化硅層，以供作一超薄閘極介電層。
本發(fā)明的另一目的是提供一種以單一晶片制程制作一閘極介電層的方法，以形成一具有均勻氮原子濃度輪廓的含氮氧化硅層于硅晶片上，同時避免以傳統(tǒng)氮離子植入方式將氮原子摻入硅底材造成硅底材損壞的缺點。
本發(fā)明的又一目的是提供一種以單一晶片制程制作一閘極介電層的方法，以使氧化硅層具有極佳的厚度控制特性，適合供作一超薄閘極介電層。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的以單一晶片制程制作一閘極介電層的方法，其特點是，至少包括提供具有一第一導(dǎo)電性的一單一硅晶片；形成數(shù)個隔離區(qū)于所述硅晶片中；形成具有電性與所述第一導(dǎo)電性相反的一第二導(dǎo)電性的一井區(qū)于一對所述等隔離區(qū)之間的所述硅晶片的一頂部區(qū)域；置放所述硅晶片于一設(shè)備單元中的一單晶片反應(yīng)室中，并進行一氮化步驟以成一含氮氧化硅層于所述井區(qū)的一表面上；及置放所述硅晶片于所述設(shè)備單元中的一單晶片快速加熱制程反應(yīng)室中，并進行一隨同蒸氣產(chǎn)生氧化制程，以將所述含氮氧化硅層氧化成一具有氮氧化硅底層的氧化硅層，以供作一閘極介電層。
本發(fā)明方法具有以下優(yōu)點單晶片反應(yīng)室及單晶片快速加熱制程反應(yīng)室可組裝于同一設(shè)備單元中，以將氮化步驟及隨同蒸氣產(chǎn)生氧化制程整合于一單晶片加熱制程，進而促進產(chǎn)出率(throughput)；本發(fā)明的氮化步驟所形成的硅晶片氮摻入?yún)^(qū)域具有均勻的氮濃度輪廓，故可避免后續(xù)氧化制程所造成的針孔缺陷；本發(fā)明方法所提供的閘極介電層具有極佳的厚度控制及厚度均勻性，適合形成一超薄閘極介電層。
為更清楚理解本發(fā)明的目的、特點和優(yōu)點，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的較佳


圖1A至圖1C是本發(fā)明一具體實施例的各制程步驟的截面示意圖；及圖2是圖1A至1C所示的具體實施例的步驟流程圖。
具體實施例方式
本發(fā)明方法所提供的一超薄閘極介電層可適用于P通道金氧半場效應(yīng)晶體管組件及N通道金氧半場效應(yīng)晶體管組件。
如圖1A所示，提供一P型<100>面單一硅晶片10。包含二氧化硅的數(shù)個隔離區(qū)1 1形成于硅晶片10中。這些隔離區(qū)11可以是淺渠溝隔離區(qū)或是場氧化層。淺渠溝隔離區(qū)是先以微影及反應(yīng)性離子蝕刻方法形成數(shù)個渠溝于硅晶片10中，接著以低壓化學(xué)氣相沉積法或等離子體輔助化學(xué)氣相沉積法將二氧化硅填入此些渠溝中。以化學(xué)機械研磨方法除去硅晶片10表面上方的二氧化硅，而形成淺渠溝隔離區(qū)。場氧化層是以熱氧化法將硅晶片10曝露的表面，即未被一氧化屏蔽(例如氮化硅屏蔽)覆蓋的硅晶片10表面，氧化成場氧化層。場氧化層形成后，移除此一氧化屏蔽。當(dāng)本發(fā)明的超薄閘極介電層應(yīng)用至一P通道金氧半場效應(yīng)晶體管組件時，可使用傳統(tǒng)微影及離子植入方法，接著形成一N井12于一對隔離區(qū)11之間的硅晶片10的一頂部區(qū)域。在形成一光阻于硅晶片10上后，使用磷或砷離子源，在植入能量約40至80Kev及植入劑量約4×1015至約8×1015離子/平方公分下，形成N井12。接著，以氧等離子體除去光阻，并清潔硅晶片10表面。本發(fā)明的超薄閘極介電層應(yīng)用至一N通道金氧半場效應(yīng)晶體管組件時，則以一P井代替N井12，其可使用硼離子源或BF2離子源形成。
本發(fā)明可應(yīng)用至窄通道金氧半場效應(yīng)晶體管組件(例如是通道長度小于0.25μm)的以單一硅晶片制程制作一閘極介電層的方法，將參照圖2的步驟流程圖于下文詳述。
本發(fā)明方法包括在一單晶片反應(yīng)室(single-wafer chamber)進行的一氮化步驟(nitridation process)及接著在一單晶片快速加熱制程反應(yīng)室(single-waferrapid thermal processing chamber)進行的一隨同蒸氣產(chǎn)生氧化制程(in-situsteam generation oxidation process)。于進行圖2的步驟流程時，是先以稀釋的氫氟酸水溶液清洗硅晶片10表面。參照圖2，在步驟21，提供如圖1A所示具有隔離區(qū)11及井區(qū)(如N井12)的硅晶片10。接著，在步驟22，將硅晶片10置放于含有一氧化氮氣氛(NO ambient)/或一氧化二氮氣氛(N2O ambient)的一單晶片反應(yīng)室中。在溫度約700~1200℃下，在一氧化氮氣氛(NO ambient)/或一氧化二氮氣氛(N2Oambient)中，對硅晶片10施行回火步驟，以在硅晶片10表面上進行氮化反應(yīng)，而形成一含氮氧化硅層(silicon oxide layer containing nitrogen atoms)13于N井12的表面上，如圖1B所示。接著進行步驟23，將硅晶片10置放于一單晶片快速加熱制程反應(yīng)室中。進行一隨同蒸氣產(chǎn)生氧化制程，以將硅晶片10上的含氮氧化硅層13氧化成一具有氮氧化硅底層(an oxynitride(SiOxNy)bottom layer)的氧化硅層14，如圖1C所示。此具有氮氧化硅底層的氧化硅層14可供一窄通道金氧半場晶體管組件的一閘極介電層。
本發(fā)明的隨同蒸氣產(chǎn)生氧化制程可通過以下方法來進行直接通入預(yù)先混合但未預(yù)先燃燒的H2及O2混合氣體于壓力低于20托(torr)的單晶片快速加熱制程反應(yīng)室中，預(yù)混合的H2及O2混合氣體流過經(jīng)加熱至一預(yù)定溫度的硅晶片10上。硅晶片10的溫度將誘發(fā)反應(yīng)式(I)的反應(yīng)，將H2及O2轉(zhuǎn)化成水蒸氣。
(I)氧原子(O radicals)及氫氧自由基(OH radicals)產(chǎn)生于硅晶片10的含氮氧化硅層13的表面。氧原子將使得含氮氧化硅層13上產(chǎn)生有效及經(jīng)控制的氧化反應(yīng)。隨同蒸氣產(chǎn)生氧化制程的氧化成長速率是與氧原子的濃度有關(guān)，而與其它原子或分子無關(guān)。氧原子濃度也與反應(yīng)器體積無關(guān)，僅與反應(yīng)室壓力及氫氣的相對含量有關(guān)。因此，可通過控制隨同蒸氣產(chǎn)生氧化制程的反應(yīng)參數(shù)，如溫度、壓力、氣體流速及氫氣濃度，獲得厚度控制良好的氧化層?？梢袁F(xiàn)代設(shè)備精確控制這些反應(yīng)參數(shù)，以獲得厚度經(jīng)控制及均勻度極佳的一超薄閘極介電層。本發(fā)明的隨同蒸氣產(chǎn)生氧化制程可在溫度約800~1300℃下的水蒸氣氣氛中進行，借此形成一厚度約10~100埃的具有氮氧化硅底層的氧化硅層14于硅晶片10上，如圖1C所示。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用以限定本發(fā)明；凡其它未脫離本發(fā)明所揭示的精神下所完成的等效的變化和替換，均應(yīng)包含在本發(fā)明專利申請的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種以單一晶片制程制作一閘極介電層的方法，其特征在于，至少包括提供具有一第一導(dǎo)電性的一單一硅晶片；形成數(shù)個隔離區(qū)于所述硅晶片中；形成具有電性與所述第一導(dǎo)電性相反的一第二導(dǎo)電性的一井區(qū)于一對所述等隔離區(qū)之間的所述硅晶片的一頂部區(qū)域；置放所述硅晶片于一設(shè)備單元中的一單晶片反應(yīng)室中，并進行一氮化步驟以成一含氮氧化硅層于所述井區(qū)的一表面上；及置放所述硅晶片于所述設(shè)備單元中的一單晶片快速加熱制程反應(yīng)室中，并進行一隨同蒸氣產(chǎn)生氧化制程，以將所述含氮氧化硅層氧化成一具有氮氧化硅底層的氧化硅層，以供做一閘極介電層。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的第一導(dǎo)電性為N型導(dǎo)電性及P型導(dǎo)電性之一。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的氮化步驟是在溫度約700~1200℃下的一氧化氮氣氛中進行。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的氮化步驟是在溫度約700~1200℃下的一氧化二氮氣氛中進行。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的隨同蒸氣產(chǎn)生氧化制程是在溫度約800~1300℃下的水蒸氣氣氛中進行。
6.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述的隨同蒸氣產(chǎn)生氧化制程是在溫度約800~1300℃下的水蒸氣氣氛中進行。
7.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述的隨同蒸氣產(chǎn)生氧化制程是在溫度約800~1300℃下的水蒸氣氣氛(steam ambient)中進行。
8.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述的閘極介電層的厚度約10~100埃。
9.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述的閘極介電層的厚度約10~100埃。
10.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述的閘極介電層的厚度約10～100埃。
全文摘要
一種以單一晶片制程制作一閘極介電層的方法，所述方法包括分別在一單晶片反應(yīng)室及一單晶片快速加熱反應(yīng)室進行的兩步驟首先，置放一單一硅晶片于單晶片反應(yīng)室中，并進行一氮化步驟以形成一含氮氧化硅層于硅晶片的表面上。然后，置放硅晶片于單晶片快速加熱制程反應(yīng)室中，并進行一隨同蒸氣產(chǎn)生氧化制程，將此含氮氧化硅層氧化成一具氮氧化硅底層的氧化硅層，以供做一閘極介電層。
文檔編號H01L21/316GK1400634SQ0112507
公開日2003年3月5日 申請日期2001年8月6日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月6日
發(fā)明者駱統(tǒng), 林經(jīng)祥, 黃耀林 申請人:旺宏電子股份有限公司