專利名稱：高介電常數(shù)介電材料的穩(wěn)定化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及用于在基板上沉積材料的方法，具體地，涉及一種在形成介電疊層的同時，沉積和穩(wěn)定介電材料的方法。
在半導(dǎo)體工藝領(lǐng)域中，氣相沉積工藝在沉積材料于平板面板顯示器或其它電子組件基板的處理中，扮演了相當(dāng)重要的角色。隨著電子組件之幾何尺寸不斷縮小且組件密度持續(xù)增加，特征尺寸及其深寬比的研發(fā)也變得非常重要，目前正在發(fā)展0.07微米尺寸且深寬比為10或10以上的特征。因此，保形沉積材料以形成這類組件也變得愈來愈重要。
雖然已知公知化學(xué)氣相沉積法(chemical vapor deposition，CVD)可成功地制造0.15微米尺寸及深寬比之組件，但要制造更具競爭性的組件尺寸就需要其它種方法。此類受到矚目的技術(shù)之一是原子層沉積(atomic layer deposition，ALD)技術(shù)。在一ALD工藝中，反應(yīng)物氣體順序引入至內(nèi)含有一基板的工藝室中。一般來說，將一第一反應(yīng)物以脈沖方式引入至該工藝室中并使其吸附至基板表面上。將一第二反應(yīng)物以脈沖方式引入至該工藝室中并與該第一反應(yīng)物反應(yīng)，以生成一沉積材料。在傳送每一反應(yīng)物氣體之間，通常會執(zhí)行吹洗步驟(apurge step)。該吹洗步驟可以載氣流來連續(xù)執(zhí)行或以一脈沖式吹洗方式在傳送每一反應(yīng)物氣體之間來執(zhí)行。
原子層沉積工藝已被成功地實施用于沉積介電層、阻擋層及導(dǎo)電層。以ALD工藝來沉積高k值介電材料被廣泛用于柵極應(yīng)用及電容應(yīng)用中。氧化鉿、硅酸鉿、氧化鋯及氧化鉭都是常見的以ALD工藝沉積的高k值介電材料。
諸如高k值介電材料之類的介電材料，當(dāng)暴露在后續(xù)工藝的高溫處理下(＞500℃)時，很容易出現(xiàn)外貌變化。舉例來說，氮化鉭經(jīng)常以CVD工藝在約600℃的溫度下被沉積在氧化鉿或氧化鋯上。在這種高溫下，氧化鉿或氧化鋯可能會產(chǎn)生結(jié)晶、喪失其不定形特性及低泄漏性質(zhì)。此外，即使可避免該介電材料完全結(jié)晶，暴露在高溫下會造成該介電材料的晶粒生長和/或相分離，使組件因高電流泄漏而使性能變差。
因此，需要一種用來形成介電材料，特別是高k值介電材料的工藝，其在暴露于后續(xù)工藝的高溫處理下時，仍可保持外貌穩(wěn)定。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明實施例大致涉及一種在一基板上形成一介電疊層(a dielectric stack)的方法，其包括沉積一介電層在一基板上及將該介電層暴露在一氮化處理中以形成一氮化物層。該方法更包括重復(fù)該沉積及氮化處理，同時間歇性地(intermediately)將該基板暴露在一退火處理中。一般來說，在該氮化處理中使用一氮氣等離子體。在一實例中，所形成的介電疊層包含介于約5原子％(atomicpercent，at％)至約25at％的氮氣濃度。該介電層通常含氧氣及至少一種額外元素，例如鉿、鉭、鈦、鋁、鋯、鑭、硅或其之組合。在某些實例中，該介電層可包含氧化鉿、硅酸鉿、氧化鉭、氧化鋁、硅酸鋁、氧化硅、其衍生物及其組合。
在另一實施例中，一種在基板上形成介電疊層的方法，其包含以下步驟a)將一基板暴露在一沉積處理下以在該基板上生成一厚約1至約50的介電層；b)將該基板暴露在一氮化處理中，以于該基板上形成氮化物層；c)選擇性的將該基板暴露在一退火處理中；及d)重復(fù)步驟a)至c)的處理循環(huán)，以形成一具有預(yù)定厚度的介電疊層。
在另一實施例中，提供一種在基板上形成介電疊層的方法，其包含將基板暴露在沉積處理下以于該基板上生成介電層；將該基板暴露在氮化處理中，以于該基板上形成氮化物層；將該基板暴露在退火處理中及將該基板順序暴露在該沉積及氮化處理中，同時周期性及間歇性地將該基板暴露在該退火處理中，以形成一具有預(yù)定厚度的介電疊層。
在另一實施例中，提供一種在一基板上形成介電疊層的方法，其包含將一基板暴露在一沉積處理下以于該基板上生成幾乎不含硅的金屬氧化物層；將該基板暴露在一氮化處理中，以于該基板上形成一氧基氮化物層；及將該基板依序暴露在該沉積及氮化處理中，同時在該沉積工藝后并周期性及間歇性地將該基板暴露在該退火處理中，以形成一具有預(yù)定厚度的介電疊層。
圖1所示為依據(jù)本發(fā)明所述一實施例用于形成介電材料的工藝順序；圖2A-2I所示為依據(jù)本發(fā)明所述另一實施例用于在基板表面上沉積多層的工藝順序；圖3A-3K所示為依據(jù)本發(fā)明所述另一實施例用于在基板表面上沉積多層的另一工藝順序；圖4所示為依據(jù)本發(fā)明所述另一實施例用于形成介電材料的工藝順序；圖5A-5D所示為依據(jù)本發(fā)明所述另一實施例用于在基板表面沉積出多層的另一工藝順序。
具體實施例方式
發(fā)明實施例提供制備適于多種應(yīng)用的介電材料的方法，特別是用于晶體管與電容制造過程中的高k介電材料。某些工藝使用原子層沉積(ALD)技術(shù)來控制該介電化合物的元素組成。在一實施例中，通過在沉積處理中沉積介電層及將該介電層暴露至氮化處理中以于該介電層上生成氮化物層的方式來制備出介電疊層。在每次氮化處理后可將該基板暴露在退火處理中，或在整個工藝期間周期性地將基板暴露在退火處理中。重復(fù)該沉積、氮化及退火處理，直到該介電疊層已到達(dá)一預(yù)定厚度為止。
該介電層通常是金屬氧化物且可以ALD工藝、公知化學(xué)氣相沉積法(CVD)或物理氣相沉積法(PVD)來沉積。在一實施例中，介電層是幾乎不含有硅的金屬氧化物層。該介電層可包含氧及至少一種額外的元素，例如鉿、鉭、鈦、鋁、鋯、鑭、硅或其組合。在某些實例中，該介電層可包含氧化鉿、硅酸鉿、氧化鉭、氧化鋁、硅酸鋁、氧化硅、其之衍生物或其組合。
以氮穩(wěn)定多層介電材料在圖1中，所示為用于形成介電材料(例如，氧基氮化硅鉿)的處理100。圖2A-3K對應(yīng)于處理100，用于闡示如何形成用于半導(dǎo)體組件(如，晶體管和/或電容器)的介電材料。順序沉積多層相同或類似組成的介電層以生成一介電材料。每個介電層沉積成一具有無定形層外貌或含有納米結(jié)晶材料外貌的層。該外貌視每一單獨層的厚度而定，因該層的厚度會導(dǎo)致材料尺寸上的限制。如果限制很小，即，如果該層厚度夠薄的話，則該層將被迫保持無定形形式。
在處理100的實施例中，如圖2A-2B所示，在步驟102中，以諸如ALD、CVD、PVD、熱技術(shù)或其組合等公知技術(shù)，將介電層202沉積在基板200上。在較佳實施例中，可以一ALD工藝及公開于美國專利申請案第60/570,173號中(2004年5月12日提交，標(biāo)題”Atomic Layer Deposition of Hafnium-containing High-KMaterials”，受讓予本案申請人美商應(yīng)用材料公司)的設(shè)備來沉積該介電層202，其全文在此引入作為參考。介電層202通常以約1至約50的厚度來沉積，優(yōu)選以約5至約30的厚度來沉積，更優(yōu)選為以約5至約20的厚度來沉積，例如，約15。
在沉積介電層202之前，可將基板200暴露在前處理工藝中并以各種官能團(tuán)來終止基板表面。在所述沉積工藝開始前有用的官能團(tuán)包括羥基(OH)、烷氧基(OR，其中R＝甲基、乙基、丙基或丁基)、鹵氧基(OX，其中X＝氟、氯、溴或碘)、鹵素(氟、氯、溴或碘)、氧自由基、氨基(NH或NH2)及烷胺基(NR或NR2，其中R＝氫、甲基、乙基、丙基或丁基)。在該前處理工藝中，基板暴露在諸如NH3、B2H6、SiH4、SiH6、H2O、HF、HCl、O2、O3、H2O2、H2、H-原子、N-原子、O-原子、醇類或胺類之類的反應(yīng)物中。該官能團(tuán)可作為一可供進(jìn)入的化學(xué)前驅(qū)物黏附在基板表面的基礎(chǔ)。在該前處理工藝中，基板表面暴露在該反應(yīng)物中一段約5秒至約2分鐘的期間，優(yōu)選為約10秒至約30秒。在一實施例中，在開始ALD處理之前，該基板表面暴露在衍生自WVG系統(tǒng)的水蒸氣下約15秒。
介電層202大致為高k值介電材料且包括以下之組合鉿、鋯、鈦、鉭、鑭、鋁、硅、氧和/或氮。介電層202也可以是包括含鉿材料的組合物，例如氧化鉿(HfOx或HfO2)、硅酸鉿(HfSixOy或HfSiO4)、氧氮化硅鉿(HfSixOyNz)、氧氮化鉿(HfOxNy)、鋁酸鉿(HfAlxOy)、硅酸鋁鉿(HfAlxSiyOz)、氧氮化硅鋁鉿(HfAlwSixOyNz)、氧化鑭鉿(HfLaxOy)，含鋯材料例如氧化鋯(ZrOx或ZrO2)、硅酸鋯(ZrSixOy或ZrSiO4)、氧氮硅鋯(ZrSixOYNZ)、氧氮化鋯(ZrOxNy)、鋁酸鋯(ZrAlxOy)、硅酸鋁鋯(ZrAlxSiyOz)、氧氮化硅鋁鋯(ZrAlwSixOyNz)、氧化鑭鋯(ZrLaxOy)，其它含鋁材料或含鑭材料例如氧化鋁(Al2O3或AlOx)、氧化氮鋁(AlOxNy)、硅酸鋁(AlSixOy)、氧氮化硅鋁(AlSixOyNz)、氧化鋁鑭(LaAlxOy)、氧化鑭(LaOx或La2O3)、其衍生物或其組合。其它對介電層202有用的介電材料可包括氧化鈦(TiOx或TiO2)、氧氮化鈦(TiOxNy)、氧化鉭(TaOx或Ta2O5)及氧氮化鉭(TaOxNy)。
在步驟104中，該介電層202被暴露在一種氮化處理中，其可將氮原子物理性地并入至該介電材料中以形成含氮介電層204，如圖2C所示。該氮化處理可包括去耦合等離子體氮化處理(Decoupled Plasma Nitridation，DPN)、遠(yuǎn)程等離子體氮化處理、熱-電感應(yīng)原子氮處理、及在介電層沉積過程中(例如，在ALD或CVD工藝中)并入氮氣。通常在該含氮介電層204表面會富含氮原子。該含氮介電層204中的氮濃度可在約5原子％(at％)至約40原子％(at％)間，優(yōu)選為在約10原子％(at％)至約25原子％(at％)間。優(yōu)選為，該氮化處理將該介電層202暴露至一氮氣等離子體下，例如DPN處理下。
在一實施例中，該基板被傳送至一DPN制程室中，例如CENTURATMDNP工藝室(美商應(yīng)用材料公司商品)。在一方面，該DNP室與用來沉積該介電層202的ALD室位在同一工具叢集中。因此，該基板可在不暴露在周圍環(huán)境的情況下被暴露至氮化處理中。在DPN處理中，通過共同流入N2及一惰性等離子體(例如，氬氣)的方式以原子-N來轟擊該介電層202。除了N2外，還可使用其它含氮氣體來形成該氮氣等離子體，例如NH3、聯(lián)胺(例如，N2H4或MeN2H3)、胺類(例如，Me3N、Me2NH或MeNH2)、苯胺類(例如，C6H5NH2)及疊氮化物(例如，MeN3或Me3SiN3)?？捎糜诘入x子體處理的其它惰性氣體包括氦、氖及氙。該氮化處理可持續(xù)約10秒至約120秒的時間，優(yōu)選是約15秒至約60秒的時間，例如，約30秒。此外，該氮化處理在等離子體功率設(shè)定在約900瓦至約2,700瓦且壓力在約10毫托至約100毫托下施行。氮氣的流速介于約0.1slm至約1.0slm間，惰性氣體的流速則介于約0.1slm至約1.0slm間。在一較佳實施例中，該氮化處理是一DPN工藝且包括一共同流入氬氣與氮氣所形成的等離子體。
在另一實施例中，與其將基板傳送至該DPN工藝室中，氮化處理可包括在沉積該介電層202的同一沉積室中，將該介電層202暴露至氮氣等離子體下。舉例來說，將介電層202暴露在一氮化用的遠(yuǎn)程等離子體，以直接在配置有一遠(yuǎn)程等離子體裝置的工藝室(例如，一ALD工藝室或一CVD工藝室)中形成含氮介電層204?？赏ㄟ^熱或熱-電線來產(chǎn)生自由基型的氮化合物并將其用于該氮化處理中。其它用來生成含氮介電層204的氮化處理，也涵蓋在本發(fā)明范疇中，例如在含氮環(huán)境下硬化該基板，和/或在形成該含氮介電層204期間將一氮前驅(qū)物包括在該ALD循環(huán)中的一額外的半反應(yīng)中。舉例來說，在用于形成硅酸鉿的ALD循環(huán)中的額外的半反應(yīng)可包括一脈沖的NH3及一脈沖的吹洗氣體。
在圖2A-2I所示的實施例中，步驟106省略了該選擇性硬化處理。在步驟108中，決定出該介電材料的預(yù)定厚度。如果，在步驟102-106的循環(huán)之后，可達(dá)到該介電材料的預(yù)定厚度，則處理100會在步驟110中經(jīng)歷一額外的硬化處理且在步驟112中結(jié)束該處理100。但是，在較佳實施例中，該介電材料并無法在走完一次步驟102-106的循環(huán)之后，即達(dá)到該介電材料的預(yù)定厚度，因此必須在步驟102處再重新開始一次循環(huán)。
在圖2D中，以和步驟102中所描述的相同處理在含氮介電層204上沉積介電層212。介電層212的厚度不需與介電層202的厚度完全一樣，但其大致上需具有類似的厚度。在圖2E中，介電層212如步驟104所述被暴露在一氮化處理中以形成含氮介電層214。在圖2F中，以和步驟102中所描述的相同處理在含氮介電層214上沉積介電層222。在圖2E中，介電層222如步驟104所述被暴露至氮化處理中以形成含氮介電層224。可重復(fù)步驟102-106數(shù)次以形成該介電材料的預(yù)定厚度。
圖2H示出在執(zhí)行步驟102-106六次后，由含氮介電層204、214、224、244及254所形成的介電疊層260。此后，如果在步驟108已達(dá)到介電材料的預(yù)定厚度，則在步驟110時將基板暴露在選擇性施加的退火處理中。該基板被傳送至一諸如CENTURATM RADIANCETM RTP室(美商應(yīng)用材料公司出品)之類的退火處理室中，并使其暴露在退火處理中。該退火室可以和沉積室/或氮化室位于同一工具叢集中。因此，基板可在不需暴露至周圍環(huán)境的情況下被退火。將基板保持在約600℃至約1,200℃的溫度下約1秒至約120秒，例如，1,000℃下約15秒。一般來說，工藝室氣體含至少一種退火氣體，例如O2、N2、NH3、N2H4、NO、N2O或其組合。該工藝室維持在約1托至約100托壓力下，例如，約5托壓力下。
該退火處理可將介電材料疊層260轉(zhuǎn)變成包含介電性氮化材料層206、216、226、236、246及256的疊層270，如圖2I所示。該退火處理可修復(fù)步驟104中任何因等離子體轟擊所致的損害，并降低介電性氮化材的固定電荷量。每一介電性氮化材料層206、216、226、236、246及256的膜層厚度可介于約1至約50間，優(yōu)選為約5至約30間，更佳是約5至約20間，例如約15。介電材料或疊層270的厚度是介于約10至約250間，優(yōu)選為約20至約100間，例如約60。在一實施例中，介電材料或疊層270的厚度是60或更少。
在處理100的另一實例中，在步驟102中，以公知的沉積技術(shù)(例如，ALD、CVD、PVD、熱式沉積或其組合)將介電層302沉積在基板300上，如圖3A-3E所示。在一較佳實施例中，介電層302如上述介電層202一樣，以一ALD處理沉積而成。介電層302一般是一種具有高k值介電材料且包括鉿、鋯、鈦、鉭、鑭、鋁、硅、氧和/或氮的組合。介電層302可具由如介電層202一樣的組成。介電層302厚度大致介于約1至約50間，優(yōu)選為約5至約30間，更佳是約5至約20間，例如約15。
在步驟104中，介電層302被暴露在氮化處理中以將氮原子并入至介電層中形成含氮介電層304，如圖3C所示。該氮化處理可包括去耦合等離子體氮化處理(DPN)、遠(yuǎn)程等離子體氮化處理、熱-電線感應(yīng)的原子氮處理、及在介電層沉積過程中(例如，在ALD或CVD工藝中)并入氮氣。通常在該含氮介電層304表面會富含氮原子。該含氮介電層304中的氮濃度可在約5原子％(at％)至約40原子％(at％)間，優(yōu)選為在約10原子％(at％)至約25原子％(at％)間。優(yōu)選為，該氮化處理將該介電層302暴露至一氮氣等離子體下，例如DPN處理下。
在一實施例中，該基板被傳送至一DPN工藝室中，例如CENTURATM DNP工藝室(美商應(yīng)用材料公司商品)。在一方面，該DNP室與用來沉積該介電層302的ALD室位在同一工具叢集中。因此，該基板可在不暴露在周圍環(huán)境的情況下被暴露至氮化處理中。在DPN處理中，通過共同流入N2及惰性氣體等離子體(例如，氬氣)的方式以原子-N來轟擊該介電層302。除了N2外，還可使用其它含氮氣體來形成該氮氣等離子體，例如NH3、聯(lián)胺(例如，N2H4或MeN2H3)、胺類(例如，Me3N、Me2NH或MeNH2)、苯胺類(例如，C6H5NH2)及疊氮化物(例如，MeN3或Me3SiN3)?？捎糜诘入x子體處理的其它惰性氣體包括氦、氖及氙。該氮化處理可持續(xù)約10秒至約120秒的時間，優(yōu)選為約15秒至約60秒的時間，例如，約30秒。此外，該氮化處理在等離子體功率設(shè)定在約900瓦至約2,700瓦且壓力在約10毫托至約100毫托下施行。氮氣的流速介于約0.1slm至約1.0slm間，惰性氣體的流速則介于約0.1slm至約1.0slm間。在一較佳實施例中，該氮化處理是DPN工藝且包括一共同流入氬氣與氮氣所形成的等離子體。
在另一實施例中，與其將基板傳送至該DPN工藝室中，一氮化處理可包括在沉積該介電層302的同一沉積室中，將該介電層302暴露至氮氣等離子體下。舉例來說，將介電層302暴露在一氮化用的遠(yuǎn)程等離子體，以直接在配置有一遠(yuǎn)程等離子體裝置的工藝室(例如，ALD工藝室或CVD工藝室)中形成含氮介電層304?？赏ㄟ^熱或熱-電線來產(chǎn)生自由基型的氮化合物并將其用于該氮化處理中。其它用來生成含氮介電層304的的氮化處理，也涵蓋在本發(fā)明范疇中，例如在含氮環(huán)境下硬化該基板，和/或在形成該含氮介電層304期間將一氮前驅(qū)物包括至該ALD循環(huán)中的一額外的半反應(yīng)中。舉例來說，在一用于形成硅酸鉿的ALD循環(huán)中的一額外的半反應(yīng)可包括一脈沖的NH3及一脈沖的吹洗氣體。
在圖3A-3K所示的實施例中，該選擇性退火處理在步驟106中執(zhí)行。該基板被傳送至諸如CENTURATM RADIANCETM RTP室(美商應(yīng)用材料公司出品)之類的退火處理室中，并使其暴露在退火處理中。該退火室可以和沉積室/或氮化室位于同一工具叢集中。因此，基板可在不需暴露至周圍環(huán)境的情況下被退火。將基板保持在約600℃至約1,200℃的溫度下約1秒至約120秒，例如，1,000℃下約15秒。一般來說，工藝室氣體含至少一種退火氣體，例如O2、N2、NH3、N2H4、NO、N2O或其組合。該工藝室維持在約1托至約100托壓力下，例如，約5托壓力下。
該退火處理可將含氮介電層304轉(zhuǎn)變成介電性氮化材料層306，如圖3D所示。該退火處理可修復(fù)步驟104中任何因等離子體轟擊所致的損害，并降低含氮介電層304上的固定電荷量。在步驟108中，決定出介電材料的預(yù)定厚度。如果在步驟102-106循環(huán)一次后，已達(dá)到該介電材料的預(yù)定厚度，則該處理100會在步驟110時略過該選擇性執(zhí)行的退火處理，并在步驟112中結(jié)束該處理。但是，在較佳實施例中，因為在步驟102-106循環(huán)一次后，并未達(dá)到該介電材料的預(yù)定厚度，因此會再次重復(fù)該些步驟。
在圖3E中，以和步驟102中所描述的相同處理在介電性氮化層306上沉積介電層312。介電層312的厚度不需與介電層302的厚度完全一樣，但其大致上需具有類似的厚度。在圖3F中，介電層312如步驟104所述被暴露在氮化處理中以形成含氮介電層314。在圖3G中，以和步驟106中所描述的相同處理將基板暴露至退火處理中，以將含氮介電層314轉(zhuǎn)變成介電性氮化層316。在圖3H中，介電層322如步驟102所述以相同處理沉積在介電性氮化層316上。在圖3I中，以和步驟104中所描述的相同處理將屆電層322暴露至氮化處理中，以形成含氮介電層324。在圖3J中，以和步驟106中所描述的相同處理將基板暴露至退火處理中，以將含氮介電層324轉(zhuǎn)變成介電性氮化層326。可重復(fù)步驟102-106數(shù)次以形成該介電材料的預(yù)定厚度。
圖3K示出在執(zhí)行步驟102-106六次后，由介電氮化層306、316、326、336、346及356所形成的介電材料或疊層370。每一介電性氮化材料層306、316、326、336、346及356的膜層厚度可介于約1至約50間，優(yōu)選為約5至約30間，更佳是約5至約20間，例如約15。介電材料或疊層370的厚度是介于約10至約250間，優(yōu)選為約20至約100間，例如約60。在一實施例中，介電材料或疊層370的厚度是60或更少。
雖然圖2I及3K示出可順序沉積出含有六層介電氮化材料層的疊層270及370以形成一介電材料。但介電材料也可只含兩層或高達(dá)數(shù)百層的材料。舉例來說，整體厚度約60的介電材料可包括12層各約5A的材料層，6層各約10的材料層，4層各約15的材料層，3層各約20的材料層，或2層各約30的材料層等等。在另一實施例中，整體厚度約100的介電材料可包括20層各約5的材料層，10層各約10的材料層，5層各約20的材料層，4層各約25的材料層，或2層各約50的材料層等等。介電材料保持無定形且其氮原子濃度介于約5at％至約25間，優(yōu)選為約10at％至約20at％間，例如，約15at％。
如上所述，介電材料或疊層270通過將已沉積了所需數(shù)目的介電層且已達(dá)成預(yù)定膜層厚度的基板，施以退火處理所制備而成?；蛘撸瑢⒚恳坏幚淼慕殡妼邮┮酝嘶鹛幚韥硇纬山殡姴牧匣虔B層370。在另一實施例中，在生成介電材料期間，步驟106的選擇性施加的退火處理可在循環(huán)執(zhí)行一次步驟102-106的期間施加，或是在步驟102-106另一次循環(huán)中被省略?？蓪嵤┏Ｒ?guī)實驗來決定出將基板暴露至退火處理的正確間隔期間。關(guān)于該退火處理的某些工藝參數(shù)包括在氮化處理期間使用的特定氮化技術(shù)、介電層厚度及組成、及最終介電材料的所需特征等。
通過氮來穩(wěn)定介電材料在圖4中，示出用于形成介電材料(例如，氧氮化鉿材料或氧氮化鉭材料)的示例性處理400。圖5A-5D對應(yīng)于處理400，用于顯示可用于諸如晶體管和/或電容之類的半導(dǎo)體組件的介電材料。沉積在基板500上的介電層502被暴露在氮化處理中，以形成含氮介電層504。此后，通過暴露在退火處理而將含氮介電層504轉(zhuǎn)變成介電性氮化介電層506。
在處理400的一實例中，在步驟402中以諸如ALD、CVD、PVD、熱式沉積技術(shù)或其組合等公知技術(shù)，將介電層502沉積于基板500上，如圖5A-5B所示。在一較佳實施例中，以一ALD工藝及諸如2004年5月12日提交的美國專利(標(biāo)題”Atomic Layer Deposition of Hafnium-containing High-K Materials”，受讓人為美商應(yīng)用材料公司，公開的內(nèi)容在此并入作為參考)中所揭示的設(shè)備，來沉積該介電層502。介電層502一般厚約5至約300間，優(yōu)選為約10至約200間，更佳是約10至約100間，例如，約50。
在沉積該介電層502之前，可先對基板進(jìn)行前處理，使其表面具有各種官能團(tuán)，例如羥基(OH)、烷氧基(OR，其中R＝甲基、乙基、丙基或丁基)、鹵氧基(OX，其中X＝氟、氯、溴或碘)、鹵素(氟、氯、溴或碘)、氧自由基、氨基(NH或NH2)及烷胺基(NR或NR2，其中R＝氫、甲基、乙基、丙基或丁基)。在以ALD工藝或CVD工藝沉積該介電層502之前，最好先對基板進(jìn)行前處理?？赏ㄟ^施用一諸如NH3、B2H6、SiH4、SiH6、H2O、HF、HCl、O2、O3、H2O2、H2、H-原子、N-原子、O-原子、醇類或胺類之類的反應(yīng)物，來開始該前處理。一旦基板表面經(jīng)過前處理之后，即可開始一ALD工藝循環(huán)。對許多高-k值介電材料來說，在某些工藝條件下，前驅(qū)物的吸附具有自我限制(self-limiting)的性質(zhì)，且一般是在低溫下(＜300℃)，方能表現(xiàn)出這樣的行為。在一實施例，該前處理可能涉及在沉積一鉿化合物之前先通過試劑進(jìn)行浸泡的步驟。該浸泡可能涉及將基板表面暴露在試劑下一段約5秒至約120秒的時間，優(yōu)選為一段約5秒至約30秒的時間。在一實施例中，在以一ALD工藝沉積該介電層502之前，該基板表面被暴露在水中一段約15秒的時間。
沉積在基板表面的介電層502可具有多種組合比例，其可以是均勻、不均勻、級狀和/或多層疊層或?qū)訝钗?。介電?02通常為一高k值介電材料且包括以下之組合鉿、鋯、鈦、鉭、鑭、鋁、硅、氧和/或氮。介電層502也可以是一包括含鉿材料的組合物，例如氧化鉿(HfOx或HfO2)、硅酸鉿(HfSixOy或HfsiO4)、氧氮化硅鉿(HfSixOyNz)、氧氮化鉿(HfOxNy)、鋁酸鉿(HfAlxOy)、硅酸鋁鉿(HfAlxSiyOz)、氧氮化硅鋁鉿(HfAlwSixOyNz)、氧化鑭鉿(HfLaxOy)，含鋯材料例如氧化鋯(ZrOx或ZrO2)、硅酸鋯(ZrSixOy或ZrSiO4)、氧氮硅鋯(ZrSixOYNZ)、氧氮化鋯(ZrOxNy)、鋁酸鋯(ZrAlxOy)、硅酸鋁鋯(ZrAlxSiyOz)、氧氮化硅鋁鋯(ZrAlwSixOyNz)、氧化鑭鋯(ZrLaxOy)，其它含鋁材料或含鑭材料例如氧化鋁(Al2O3或AlOx)、氧化氮鋁(AlOxNy)、硅酸鋁(AlSixOy)、氧氮化硅鋁(AlSixOyNz)、氧化鋁鑭(LaAlxOy)、氧化鑭(LaOx或La2O3)、其衍生物或其組合。其它對介電層502有用的介電材料可包括氧化鈦(TiOx或TiO2)、氧氮化鈦(TiOxNy)、氧化鉭(TaOx或Ta2O5)及氧氮化鉭(TaOxNy)。對介電層502有用的層狀物膜層包括HfO2/Al2O3、La2O3/Al2O3及HfO2/La2O3/Al2O3。
在步驟404中，該介電層502被暴露在一種氮化處中，其可將氮原子物理性地并入至該介電材料中以形成含氮介電層504，如圖5C所示。該氮化處理可包括去耦合等離子體氮化處理(Decoupled Plasma Nitridation，DPN)、遠(yuǎn)程等離子體氮化處理、熱-電線感應(yīng)的原子氮處理、及在介電層沉積過程中(例如，在ALD或CVD工藝中)并入氮氣。通常在該含氮介電層504表面會富含氮原子。該含氮介電層504中的氮濃度可在約5原子％(at％)至約40原子％(at％)間，優(yōu)選為在約10原子％(at％)至約25原子％(at％)間。優(yōu)選的，該氮化處理將該介電層202暴露至氮氣等離子體下，例如DPN處理下。
在一實施例中，該基板被傳送至一DPN工藝室中，例如CENTURATM DNP工藝室(美商應(yīng)用材料公司商品)。在一方面，該DNP室與用來沉積該介電層502的ALD室位于同一工具叢集中。因此，該基板可在不暴露在周圍環(huán)境的情況下被暴露在氮化處理中。在DPN處理中，通過共同流入N2及惰性氣體等離子體(例如，氬氣)的方式以原子-N來轟擊該介電層502。除了N2外，還可使用其它含氮氣體來形成該氮氣等離子體，例如NH3、聯(lián)胺(例如，N2H4或MeN2H3)、胺類(例如，Me3N、Me2NH或MeNH2)、苯胺類(例如，C6H5NH2)及疊氮化物(例如，MeN3或Me3SiN3)。可用于等離子體處理的其它惰性氣體包括氦、氖及氙。該氮化處理可持續(xù)約10秒至約120秒的時間，優(yōu)選為約15秒至約60秒的時間，例如，約30秒。此外，該氮化處理在等離子體功率設(shè)定在約900瓦至約2,700瓦且壓力在約10毫托至約100毫托下施行。氮氣的流速介于約0.1slm至約1.0slm間，惰性氣體的流速則介于約0.1slm至約1.0slm間。在一較佳實施例中，該氮化處理是DPN工藝且包括共同流入氬氣與氮氣所形成的等離子體。
在另一實施例中，替代將基板傳送至該DPN工藝室中的步驟，氮化處理可包括在沉積該介電層502的同一沉積室中，將該介電層502暴露至氮氣等離子體下。舉例來說，將介電層502暴露在氮化用的遠(yuǎn)程等離子體，以直接在配置有遠(yuǎn)程等離子體裝置的工藝室(例如，一ALD工藝室或一CVD工藝室)中形成含氮介電層504。可通過熱或熱-電線來產(chǎn)生自由基型的氮化合物并將其用于該氮化處理中。其它用來生成含氮介電層504的氮化處理，也涵蓋在本發(fā)明范疇中，例如在含氮環(huán)境下硬化該基板，和/或在形成該含氮介電層504期間將一氮前驅(qū)物包括至該ALD循環(huán)中的額外的半反應(yīng)中。舉例來說，在用于形成硅酸鉿的ALD循環(huán)中的額外的半反應(yīng)可包括脈沖的NH3及脈沖的吹洗氣體。
在步驟406中，基板被暴露至一退火處理中。在一實施例中，該基板被傳送至一諸如CENTURATM RADIANCETM RTP室(美商應(yīng)用材料公司出品)之類的退火處理室中，并使其暴露在一退火處理中。該退火室可以和沉積室/或氮化室位于同一工具叢集中。因此，基板可在不需暴露至周圍環(huán)境的情況下被退火。將基板保持在約600℃至約1,200℃的溫度下約1秒至約120秒，例如，1,000℃下約60秒。一般來說，工藝室氣體含至少一種退火氣體，例如O2、N2、NH3、N2H4、NO、N2O或其組合。該工藝室維持在約1托至約100托壓力下，例如，約5托壓力下。
該退火處理可將含氮介電層504轉(zhuǎn)變成介電性氮化材料層506，如圖5D所示。該退火處理可修復(fù)步驟404中任何因等離子體轟擊所致的損害，并降低介電性氮化層506上的固定電荷量。介電性材料仍會保持無定形狀且具有約5at％至約25at％之氮原子濃度，優(yōu)選為約10at％至約20at％的氮原子濃度，例如，約15at％。介電性氮化層506的厚度約5至約300間，優(yōu)選為約10至約200間，更佳是約10至約100間，例如，約50。
這里所述的“基板表面(a substrate surface)”是指在執(zhí)行了膜層處理后的基板上形成的任一基板或材料表面。舉例來說，可于其上執(zhí)行膜層處理的基板表面包括諸如介電材料、硅、氧化硅、應(yīng)力硅、絕緣層上覆硅層(SOI)、摻雜碳的氧化硅層、氮化硅、摻雜的硅層、鍺、砷化鎵、玻璃、藍(lán)寶石等材料，及諸如金屬、金屬氮化物、金屬合金等其它材料及其它導(dǎo)電材料，視最終應(yīng)用而定?；灞砻嫔系淖钃鯇?、金屬或金屬氮化物包括鈦、氮化鈦、氮化鎢、鉭及氮化鉭?；蹇捎卸喾N尺寸，例如直徑200毫米或300毫米的晶圓，及長方形或方形等。所述處理的實施例可沉積含硅化合物于多種基板及其表面上，特別是，高k值介電材料。對本發(fā)明實施例有用的基板包括，但不限于半導(dǎo)體晶圓，例如結(jié)晶硅(例如，硅<100>或硅<111>)、氧化硅、應(yīng)力硅、硅化鍺、摻雜或未摻雜的多晶硅、摻雜或未摻雜的氮化硅晶圓及圖案化或未圖案化的晶圓。表面包括裸露的硅晶圓、膜層、層及具有介電性、導(dǎo)電性及阻擋特性的材料，且包括氧化鋁及多晶硅。表面前處理包括研磨、蝕刻、縮減、氧化、氫氧化、退火和/或烘烤。
在本文中，“原子層沉積(atomic layer deposition)”或“循環(huán)式沉積(cyclicaldeposition)”一詞指循序引入二種或多種反應(yīng)化合物以沉積一材料層于基板表面上。該二、三或多種反應(yīng)化合物也可被引入至一處理室的反應(yīng)區(qū)內(nèi)。通常，每一反應(yīng)化合物以一時間延遲加以間隔開來，以容許每一化合物可黏附于基板表面和/或在基板表面上反應(yīng)。在一方面，第一前驅(qū)物或化合物A以脈沖方式進(jìn)入該反應(yīng)區(qū)，接著是第一時間延遲。之后，一第二前驅(qū)物或化合物B以脈沖方式進(jìn)入該反應(yīng)區(qū)，接著是第二時間延遲。在每一時間延遲期間，會在處理室中引入一種諸如氮氣之類的沖洗氣體，以沖洗該反應(yīng)區(qū)或是移除反應(yīng)區(qū)中任何殘余的反應(yīng)化合物或副產(chǎn)物?；蛘撸墒乖摏_洗氣體連續(xù)流動穿過該沉積室，使得在反應(yīng)化合物脈沖之間的時間延遲期間，只有該沖洗氣體持續(xù)流動。或者，持續(xù)施以反應(yīng)化合物脈沖直到在基板表面形成所需厚度的沉積膜層為止。無論是哪一種情況，化合物A脈沖、沖洗氣體、化合物B脈沖及沖洗氣體的ALD處理室一個循環(huán)?？梢曰衔顰或化合物B來開始一次循環(huán)并持續(xù)該循環(huán)的順序，直到達(dá)成預(yù)定厚度的沉積膜層為止。在另一實施例中，分別將一內(nèi)含化合物A的第一前驅(qū)物脈沖、一內(nèi)含化合物B的第二前驅(qū)物脈沖及一內(nèi)含化合物C的第三前驅(qū)物脈沖引入至處理室中。或者，第一前驅(qū)物脈沖在時間上可與該第二前驅(qū)物脈沖重疊，而第三前驅(qū)物則不會與該第一或第二前驅(qū)物在時間上出現(xiàn)重疊。
“脈沖(pulse)”一詞在此是指以間歇式或不連續(xù)方式將一定量的特定化合物引入至一處理室的反應(yīng)區(qū)中。每一脈沖中一定量的特定化合物可隨時間改變，視該脈沖持續(xù)的時間長短而定。每一脈沖持續(xù)期間可視諸多因素而改變，例如所使用處理室的容積、與其耦合之真空系統(tǒng)種類及該特定化合物本身的揮發(fā)性/反應(yīng)性。“半反應(yīng)(half-reaction)”在此是指附隨于一沖洗步驟后之一前驅(qū)物脈沖步驟。
實施例實施例1 將一基板置放在一ALD處理室中且將該基板表面暴露在一前處理之下，以在該表面形成羥基團(tuán)。以鉿前驅(qū)物(HfCl4)、硅前驅(qū)物(TDMAS)及由一水蒸氣產(chǎn)生器(water vapor generator，WVG)系統(tǒng)(Fujikin of American，Inc.，Santa Clara，California)生成的原位水蒸氣，執(zhí)行一ALD工藝而在該基板表面沉積出一硅酸鉿層。該ALD循環(huán)包括循序的HfCl4脈沖、水蒸氣脈沖、TDMAS脈沖及水蒸氣脈沖，每一脈沖均以一氮氣沖洗步驟加以間隔。重復(fù)該ALD循環(huán)10次以形成一厚度約4的硅酸鉿層。
將基板傳送到一去耦合等離子體氮化(DNP)處理室中，例如一CENTURATM DNP室(美商應(yīng)用材料公司出品)。通過共同流入一氮氣與一氬氣來將基板表面暴露在一氮化處理之下。該氮化處理持續(xù)約10秒，以容許氮原子被并入至硅酸鉿層中。此后將該基板再送到一諸如CENTURATMRADIANCETM RTP室(美商應(yīng)用材料公司出品)之類的退火處理室中，并使其暴露在一退火處理中。于約15托壓力的O2環(huán)境下，將基板保持在1,000℃下約15秒。并入到層中的氮原子會與硅酸鉿形成鍵結(jié)以產(chǎn)生鉿硅氧氮化物。重復(fù)該包含該ALD處理、氮化處理擊退火處理的工藝循環(huán)15次，直到形成厚度約60的鉿硅氧氮化物層為止。
實施例2 將一基板置放在一配備有遠(yuǎn)程等離子體產(chǎn)生器的ALD處理室中且將該基板表面暴露在一前處理之下，以在該表面形成羥基團(tuán)。以鉿前驅(qū)物(TDEAH)、硅前驅(qū)物(Tris-DMAS)及由一水蒸氣產(chǎn)生器(water vapor generator，WVG)系統(tǒng)(Fujikin of American，Inc.，Santa Clara，California)生成的原位水蒸氣，執(zhí)行一ALD工藝而于該基板表面沉積出一硅酸鉿層。該ALD循環(huán)包括在第一半反應(yīng)中同時流入TDEAH及Tris-DMAS，及接續(xù)在第二半反應(yīng)中流入水蒸氣脈沖，每一半反應(yīng)均以一氬氣沖洗步驟加以間隔。重復(fù)該ALD循環(huán)10次以形成一厚度約4的硅酸鉿層。
該ALD處理結(jié)束后，將基板留在該配備有遠(yuǎn)程等離子體產(chǎn)生器的ALD室中。讓基板表面暴露在一遠(yuǎn)程等離子體氮化處理中約10秒，以容許氮原子被并入至硅酸鉿層中。之后將該基板再送到一諸如CENTURATM RADIANCETMRTP室(美商應(yīng)用材料公司出品)之類的退火處理室中，并使其暴露在一退火處理中。在約15托壓力的O2環(huán)境下，將基板保持在1,000℃下約15秒。并入至層中的氮原子會與硅酸鉿形成鍵結(jié)以產(chǎn)生鉿硅氧氮化物。重復(fù)該包含該ALD處理、氮化處理擊退火處理的工藝循環(huán)15次，直到形成厚度約60的鉿硅氧氮化物層為止。
實施例3 將一基板置放在一ALD處理室中且將該基板表面暴露在一前處理之下，以在該表面形成羥基團(tuán)。以鉭前驅(qū)物(TaCl5)及水，執(zhí)行一ALD工藝而于該基板表面沉積出一氧化鉭層。該ALD循環(huán)包括循序的TaCl5脈沖及水蒸氣脈沖，每一脈沖均以一氮氣沖洗步驟加以間隔。重復(fù)該ALD循環(huán)8次以形成一厚度約5的氧化鉭層。
將基板傳送到一去耦合等離子體氮化(DNP)處理室中，例如一CENTURATM DNP室(美商應(yīng)用材料公司出品)。通過共同流入氮氣與氬氣來將基板表面暴露在一氮化處理之下。該氮化處理持續(xù)約10秒，以容許氮原子被并入至氧化鉭層中。隨后將該基板再送到一諸如CENTURATMRADIANCETM RTP室(美商應(yīng)用材料公司出品)之類的退火處理室中，并使其暴露在一退火處理中。在約15托壓力的O2環(huán)境下，將基板保持在1,000℃下約15秒。并入層中的氮原子會與氧化鉭形成鍵結(jié)以產(chǎn)生鉭氧氮化物。重復(fù)該包含該ALD處理、氮化處理擊退火處理的工藝循環(huán)20次，直到形成厚度約100的鉭氧氮化物層為止。
實施例4將一基板置放在一配備有遠(yuǎn)程等離子體產(chǎn)生器的ALD處理室中且將該基板表面暴露在一前處理之下，以在該表面形成羥基團(tuán)。以鉭前驅(qū)物(TaCl5)及水，執(zhí)行一ALD工藝而于該基板表面沉積出一氧化鉭層。該ALD循環(huán)包括循序的TaCl5脈沖及水蒸氣脈沖，每一脈沖均以一氮氣沖洗步驟加以間隔。重復(fù)該ALD循環(huán)8次以形成一厚度約5的氧化鉭層。
該ALD處理結(jié)束后，將基板留在該配備有遠(yuǎn)程等離子體產(chǎn)生器的ALD室中。讓基板表面暴露在一遠(yuǎn)程等離子體氮化處理中約10秒，以容許氮原子被并入至氧化鉭層中。之后將該基板再送到一諸如CENTURATM RADIANCETMRTP室(美商應(yīng)用材料公司出品)之類的退火處理室中，并使其暴露在一退火處理中。在約15托壓力的O2環(huán)境下，將基板保持在1,000℃下約15秒。并入至層中的氮原子會與氧化鉭形成鍵結(jié)以產(chǎn)生鉭氧氮化物。重復(fù)該包含該ALD處理、氮化處理擊退火處理的工藝循環(huán)10次，直到形成厚度約50的鉭氧氮化物層為止。
實施例5 將一基板置放在一ALD處理室中且將該基板表面暴露在一前處理之下，以于該表面形成羥基團(tuán)。以鉿前驅(qū)物(HfCl4)、硅前驅(qū)物(TDMAS)及由一水蒸氣產(chǎn)生器(water vapor generator，WVG)系統(tǒng)(Fujikin of American，Inc.，Santa Clara，Califomia)生成的原位水蒸氣，執(zhí)行一ALD工藝而于該基板表面沉積出硅酸鉿層。該ALD循環(huán)包括循序的HfCl4脈沖、水蒸氣脈沖、TDMAS脈沖及水蒸氣脈沖，每一脈沖均以一氮氣沖洗步驟加以間隔。重復(fù)該ALD循環(huán)10次以形成厚度約4的硅酸鉿層。
將基板傳送到一去耦合等離子體氮化(DNP)處理室中，例如一CENTURATM DNP室(美商應(yīng)用材料公司出品)。通過共同流入氮氣與氬氣等離子體來將基板表面暴露在氮化處理之下。該氮化處理持續(xù)約10秒，以容許氮原子被并入至硅酸鉿層中。重復(fù)該包含該ALD處理、氮化處理的工藝循環(huán)15次，直到形成厚度約60的鉿硅氧氮化物層為止。
之后，將該基板再送到一諸如CENTURATM RADIANCETM RTP室(美商應(yīng)用材料公司出品)之類的退火處理室中，并使其暴露在一退火處理中。在約15托壓力的O2環(huán)境下，將基板保持在1,000℃下約60秒。并入至層中的氮原子會與硅酸鉿形成鍵結(jié)以產(chǎn)生鉿硅氧氮化物。
實施例6 將一基板置放在一ALD處理室中且將該基板表面暴露在一前處理之下，以于該表面形成羥基團(tuán)。以鉭前驅(qū)物(TaCl5)及水，執(zhí)行一ALD工藝而于該基板表面沉積出一氧化鉭層。該ALD循環(huán)包括循序的TaCl5脈沖及水蒸氣脈沖，每一脈沖均以一氮氣沖洗步驟加以間隔。重復(fù)該ALD循環(huán)8次以形成一厚度約12的氧化鉭層。
將基板傳送到一去耦合等離子體氮化(DNP)處理室中，例如一CENTURATM DNP室(美商應(yīng)用材料公司出品)。通過共同流入氮氣與氬氣等離子體來將基板表面暴露在氮化處理之下。該氮化處理持續(xù)約10秒，以容許氮原子被并入至氧化鉭層中。重復(fù)該包含該ALD處理、氮化處理的工藝循環(huán)10次，直到形成厚度約120的氮化的氧化鉭層為止。
之后將該基板再送到一諸如CENTURATM RADIANCETM RTP室(美商應(yīng)用材料公司出品)之類的退火處理室中，并使其暴露在一退火處理中。在約15托壓力的O2環(huán)境下，將基板保持在1,000℃下約60秒。并入至層中的氮原子會與氧化鉭形成鍵結(jié)以產(chǎn)生鉭氧氮化物。
實施例7 將一基板置放在一ALD處理室中且將該基板表面暴露在一前處理之下，以在該表面形成羥基團(tuán)。以鉿前驅(qū)物(HfCl4)及水，執(zhí)行一ALD工藝而于該基板表面沉積出一氧化鉭層。該ALD循環(huán)包括循序的HfCl4脈沖及水蒸氣脈沖，每一脈沖均以氮氣沖洗步驟加以間隔。重復(fù)該ALD循環(huán)直到形成一厚度約75的氧化鉿層為止。
將基板傳送到一去耦合等離子體氮化(DNP)處理室中，例如一CENTURATM DNP室(美商應(yīng)用材料公司出品)。通過共同流入氮氣與氬氣等離子體來將基板表面暴露在氮化處理之下。該氮化處理持續(xù)約30秒，以容許氮原子被并入至氧化鉿層中。之后將該基板再送到一諸如CENTURATMRADIANCETM RTP室(美商應(yīng)用材料公司出品)之類的退火處理室中，并使其暴露在一退火處理中。在約15托壓力的O2環(huán)境下，將基板保持在1,000℃下約45秒。并入至層中的氮原子會與氧化鉿形成鍵結(jié)以產(chǎn)生鉿氧氮化物。
實施例8將一基板置放在一ALD處理室中且將該基板表面暴露在一前處理之下，以在該表面形成羥基團(tuán)。以鉭前驅(qū)物(TaCl5)及水，執(zhí)行一ALD工藝而于該基板表面沉積出一氧化鉭層。該ALD循環(huán)包括循序的TaCl5脈沖及水蒸氣脈沖，每一脈沖均以一氮氣沖洗步驟加以間隔。重復(fù)該ALD循環(huán)直到形成一厚度約85的氧化鉭層為止。
將基板傳送到一去耦合等離子體氮化(DNP)處理室中，例如一CENTURATM DNP室(美商應(yīng)用材料公司出品)。通過共同流入氮氣與氬氣等離子體來將基板表面暴露在一氮化處理之下。該氮化處理持續(xù)約30秒，以容許氮原子被并入至氧化鉭層中。之后將該基板再送到一諸如CENTURATMRADIANCETM RTP室(美商應(yīng)用材料公司出品)之類的退火處理室中，并使其暴露在一退火處理中。在約15托壓力的O2環(huán)境下，將基板保持在1,000℃下約45秒。并入至層中的氮原子會與氧化鉭形成鍵結(jié)以產(chǎn)生鉭氧氮化物。
實施例9比較實施例 在相同的條件下，于基板A與基板B上沉積出氧化鉿層?；錋置于DNP室中，例如一CENTURATM DNP室(美商應(yīng)用材料公司出品)，并暴露于氮化處理中。之后，將基板A放在一諸如CENTURATMRADIANCETM RTP室(美商應(yīng)用材料公司出品)之類的退火處理室中，并使其暴露在一退火處理中?；錌則并未被暴露在一氮化處理或退火處理中。測量兩表面上的漏電流，可知基板A的電流密度遠(yuǎn)低于基板B，雖然兩基板都具有類似的EOTs(有效氧化物厚度)。此外，已經(jīng)經(jīng)過退火處的基板A，較基板B具備熱安定性，基板B的表面在暴露于后續(xù)工藝的高溫下會出現(xiàn)結(jié)晶現(xiàn)象。
雖然本發(fā)明已通過較佳實施例進(jìn)行了如上描述，但熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)能了解本發(fā)明還有許多變化，本發(fā)明的范圍由如下權(quán)利要求書確定。
權(quán)利要求
1.一種在基板上形成介電疊層的方法，包括在基板上沉積第一介電層；將所述第一介電層暴露于氮化處理中，以形成第一氮化層；在所述第一氮化層上沉積第二介電層；將所述第二介電層暴露于氮化處理中，以形成第二氮化層；以及以預(yù)定時間將所述基板暴露在退火處理中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括在所述第二氮化層上沉積第三介電層；以及將所述第三介電層暴露于所述氮化處理中，以形成第三氮化層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，還包括順序沉積多層介電層并將每一介電層暴露在所述氮化處理中以于其上形成多層氮化層。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，在沉積所述第二介電層、第三介電層及該多層介電層的每一層之前，先將所述基板暴露在該退火處理中。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述退火處理介于約600℃至約1,200℃的溫度下執(zhí)行長約1秒至約120秒的時間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述氮化處理包含氮氣等離子體。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述介電疊層的氮濃度介于約5at％至約25at％之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一、第二及第三介電層包含一介電材料，所述介電材料含有氧以及至少一種選自鉿、鉭、鈦、鋁、鋯、鑭、硅及其組合的元素。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述介電材料選自氧化鉿、硅酸鉿、氧化鉭、氧化鋁、硅酸鋁、氧化硅、其衍生物或其組合。
10.一種在基板上形成介電疊層的方法，包括步驟a)將基板暴露在沉積處理種，以在該基板上形成厚度介于約1至約50間的介電層；b)將所述基板暴露在氮化處理中，以在該基板上形成氮化層；c)選擇性地將所述基板暴露在退火處理中；以及d)重復(fù)步驟a)至c)的處理循環(huán)，以形成一具有預(yù)定厚度的介電疊層。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述處理循環(huán)包含在步驟c)中執(zhí)行的退火處理。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，在將所述基板暴露至退火處理之前，所述介電疊層即已具有一預(yù)定厚度。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述退火處理在介于約600℃至約1,200℃的溫度下執(zhí)行長約1秒至約120秒的時間。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述氮化處理包含氮氣等離子體。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述介電疊層的氮濃度介于約5at％至約25at％間。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，所述介電層包含氧及至少一種選自鉿、鉭、鈦、鋁、鋯、鑭、硅及其組合的元素。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，所述介電層包含一種材料，其選自氧化鉿、硅酸鉿、氧化鉭、氧化鋁、硅酸鋁、氧化硅、其衍生物或其組合。
18.一種在基板上形成介電疊層的方法，包括a)將基板暴露在一沉積處理中，以在該基板上形成厚度介于約1至約50間的介電層；b)將所述基板暴露在氮化處理中，以在該基板上形成氮化層；c)選擇性地將所述基板暴露在退火處理中；及d)重復(fù)步驟a)至c)的處理循環(huán)，以形成具有預(yù)定厚度的介電疊層。
19.一種在基板上形成介電疊層的方法，包括a)將基板暴露在沉積處理中，以在該基板上形成厚度介于約1至約50間的介電層；b)將所述基板暴露在氮化處理中，以在所述基板上形成氮化層；及c)重復(fù)步驟a)至b)的處理循環(huán)，以形成一具有預(yù)定厚度的介電疊層。
20.一種在基板上形成介電疊層的方法，包括將基板暴露在沉積處理中，以形成介電層；將所述基板暴露在氮化處理中，以在其上形成氮化層；將所述基板暴露在退火處理中；以及此后，順序?qū)⑺龌灞┞队谠摮练e處理及該氮化處理中，同時定期且間歇式地將所述基板暴露在該退火處理中，以形成具有預(yù)定厚度的介電材料。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，所述介電層包含一金屬氧化物。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，氮化處理包含一氮氣等離子體。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，所述氮氣等離子體包含是在約900瓦至約2,700瓦的功率范圍下執(zhí)行長約5秒至約60秒的一段時間。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于，所述介電材料的氮濃度介于約5at％至約25at％間。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，所述退火處理在介于約600℃至約1,200℃的溫度下執(zhí)行長約1秒至約120秒的一段時間。
26.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，所述介電材料實質(zhì)上不含硅。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于，所述介電材料包含氧及至少一種選自鉿、鉭、鈦、鋁、鋯、鑭、硅及其組合的元素。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其特征在于，所述介電層包含一種介電材料，其選自氧化鉿、氧化鑭、氧化鑭鉿、氧化鋁鉿、氧化鑭鋁、氧化鉭、氧化鈦、氧化鋁、其衍生物或其組合。
29.一種在基板上形成介電疊層的方法，包括將基板暴露在沉積處理中，以在其上形成實質(zhì)上不含硅的金屬氧化物層；將所述基板暴露于氮化處理中，以在其上形成一金屬氧氮化物層；及此后，順序?qū)⒃摶灞┞队谠摮练e處理及該氮化處理中，同時在該沉積處理后定期且間歇式地將該基板暴露至該退火處理中，以形成一具有預(yù)定厚度的介電材料。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，其特征在于，氮化處理包含一氮氣等離子體。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的方法，其特征在于，氮氣等離子體包含是在約900瓦至約2,700瓦的功率范圍下執(zhí)行長約5秒至約60秒的一段時間。
32.根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，其特征在于，所述介電材料的氮濃度介于約5at％至約25at％間。
33.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其特征在于，所述退火處理在介于約600℃至約1,200℃的溫度下執(zhí)行長約1秒至約120秒的一段時間。
34.根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，其特征在于，所述金屬氧化物層實質(zhì)上不含硅。
35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的方法，其特征在于，所述金屬氧化物層包含至少一種選自鉿、鉭、鈦、鋁、鋯、鑭及其組合的元素。
36.根據(jù)權(quán)利要求35所述的方法，其特征在于，所述金屬氧化物層選自氧化鉿、氧化鑭、氧化鑭鉿、氧化鋁鉿、氧化鑭鋁、氧化鉭、氧化鈦、氧化鋁、及其組合中。
37.一種在基板上形成介電疊層的方法，包括將基板暴露在沉積處理中，以在其上形成一實質(zhì)上不含硅的介電層；將所述基板暴露在氮化處理中，以在其上形成氮化層；及此后，順序?qū)⑺龌灞┞对谠摮练e處理及該氮化處理中，同時定期且間歇式地所述基板暴露在該退火處理中，以形成一具有預(yù)定厚度的介電材料。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種生成介電疊層的方法，其通過將基板暴露在一系列的沉積、氮化及退火處理中。在一實例中，提供一種方法其包含將該基板暴露在一沉積處理下以于其上生成一介電層；將該基板暴露在一氮化處理中，以在其上形成一氮化物層；將該基板暴露在一退火處理中及將該基板順序暴露在該沉積及氮化處理中，同時周期性及間歇性地將該基板暴露在該退火處理中，以形成一具有預(yù)定厚度的介電疊層。一般來說，在氮化處理中使用一氮氣等離子體以形成約5at％至約25at％的氮濃度。該介電層通常包含氧及至少一種選自鉿、鉭、鈦、鋁、鋯、鑭、硅及其之組合的元素。
文檔編號H01L21/28GK1934685SQ200580009236
公開日2007年3月21日 申請日期2005年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月21日
發(fā)明者克里斯托弗·奧爾森, 普拉文·K·納萬克爾, 施雷斯·S·卡爾, 蘭德海爾·撒克, 尚克爾·姆薩克瑞斯南, 菲利普·A·克勞斯 申請人:應(yīng)用材料股份有限公司