專利名稱：具有多層高介電常數(shù)薄膜的介電層的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體制程，特別是涉及一種具有多層高介電常數(shù)薄 膜的介電層的制造方法。
背景技術(shù)：
在具有高介電常數(shù)的介電層中摻雜氮離子可以預(yù)防高介電常數(shù)介電層
結(jié)晶、減少等效氧化層(equivalent oxide thickness; EOT)的厚度以及有 效地防止硼離子穿透等功效。如此，可提高半導(dǎo)體元件的操作性能。
現(xiàn)有對高介電常數(shù)介電層摻雜氮離子的方法不是熱氮化法就是等離子 體氮化法。熱氮化法常發(fā)生的問題為在高介電常數(shù)介電層與基底間的介面 常會摻雜過量的氮離子。而等離子體氮化法常會發(fā)生的問題為高介電常數(shù) 介電層常會被等離子體損傷其結(jié)構(gòu)，并造成太多的未反應(yīng)鍵結(jié)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，而提供一種新的具有 多層高介電常數(shù)薄膜的介電層的制造方法，所要解決的技術(shù)問題是使高介 電常數(shù)薄膜的氮摻雜量分布容易控制并減少等離子體對高介電常數(shù)薄膜的 損傷，非常適于實用。
本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問題是采用以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的。依據(jù) 本發(fā)明提出的具有多層高介電常數(shù)薄膜的介電層的制造方法，該方法包 括(a)形成一高介電常數(shù)薄膜于一基底上；(b)以等離子體氮化該高介電 常數(shù)薄膜；(c)重復(fù)步驟(a),形成另一高介電常數(shù)薄膜于先前形成的該高 介電常數(shù)薄膜上；(d)重復(fù)步驟(b),氮化最后形成的高介電常數(shù)薄膜。
本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問題還可采用以下技術(shù)措施進(jìn)一步實現(xiàn)。
前述的制造方法，其中所述的高介電常數(shù)薄膜的材料為硅酸或稀土金 屬的氣化物。
前述的制造方法，其中所述的高介電常數(shù)薄膜具有不等或相等的厚度，厚 度約為0. 5 - 2. 0 nm。
前述的制造方法，其中所述的基底的溫度維持在約60 。C至約300 nC。 前述的制造方法，其中所述的等離子體的射頻功率約為200 - 2000瓦。
前述的制造方法，其中所述的等離子體的操作模式為連續(xù)模式或脈沖
模式。
前述的制造方法，其中所述的步驟(b)與該步驟(d)是在壓力約為1 mTorr至1 Torr之下進(jìn)行的。
前述的制造方法，介于該步驟(b)與該步驟(c)之間，更包括一步驟(e) 來回火該高介電常數(shù)薄膜。
前述的制造方法，其中所述的步驟(e)的回火溫度約為600 - ] 200 °C。
前述的制造方法，在步驟(d)之后更包括一步驟(f)，重復(fù)執(zhí)行該步.驟 (e)來回火最后形成的該高介電常數(shù)薄膜。
前述的制造方法，其中所述的步驟(f)的回火溫度約為600 - 12G(TC。
借由上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有多層高介電常數(shù)薄膜的介電層的制造 方法至少具有下列優(yōu)點及有益效果
由于這些高介電常數(shù)薄膜是逐層形成逐層氮化的，可使用低功率等離 子體來氮化這些高介電常數(shù)薄膜以減—少等離子體對高介電常數(shù)薄膜的損 傷，而且可以輕易地逐層控制氮摻雜濃度的分布情況。此外，可以選擇性 地讓這些高介電常數(shù)薄膜進(jìn)行回火制程以減少未反應(yīng)的鍵結(jié)數(shù)目。如此，可 以建立起較高的硼離子的擴散障礙。由這些高介電常數(shù)薄膜所構(gòu)成的介電 層，可讓半導(dǎo)體元件的操作性能大幅提升。
綜上所述，本發(fā)明以逐層氮化以及逐層回火的方式，將氮離子摻雜至 多層高介電常數(shù)薄膜之中。本發(fā)明具有上述諸多優(yōu)點及實用價值，其不論 在制造方法或功能上皆有較大的改進(jìn)，在技術(shù)上有顯著的進(jìn)步，并產(chǎn)生了 好用及實用的效果，且較現(xiàn)有技術(shù)具有增進(jìn)的突出功效，從而更加適于實 用，并具有產(chǎn)業(yè)的廣泛利用價值，誠為一新穎、進(jìn)步、實用的新設(shè)計。
上述說明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的 技術(shù)手段，而可依照i^L明書的內(nèi)容予以實施，并且為了讓本發(fā)明的上述和 其他目的、特征和優(yōu)點能夠更明顯易懂，以下特舉較佳實施例，并配合附 圖，詳細(xì)i兌明如下。


為讓本發(fā)明的上述和其他目的、特征、優(yōu)點與實施例能更明顯易懂，所 附圖式的詳細(xì)"i兌明如下
圖1A -圖1C繪示依照本發(fā)明一實施例的一種具有多層高介電常數(shù)薄 膜的介電層的制造流程剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2繪示依照本發(fā)明一實施例的一種具有多層高介電常數(shù)薄膜的介電 層的制造流程圖。
100:基底
110:第一層高介電常數(shù)薄膜
120:第二層高介電常數(shù)薄膜 190:第n層高介電常數(shù)薄膜
200、 210、 220、 230、 240、 250、 270、 280、 290:步驟'
具體實施例方式
為更進(jìn)一步闡述本發(fā)明為達(dá)成預(yù)定發(fā)明目的所采取的技術(shù)手段及功 效，以下結(jié)合附圖及較佳實施例，對依據(jù)本發(fā)明提出的具有多層高介電常數(shù) 薄膜的介電層的制造方法其具體實施方式
、制造方法、步驟、特征及其功
歲丈，"^細(xì)i兌明3口后。
請同時參照圖1A - 1C與圖2。其中，圖1A -圖IC繪示依照本發(fā)明 一實施例的一種具有多層高介電常數(shù)薄膜的介電層的制造流程剖面結(jié)構(gòu)示 意圖；圖2繪示依照本發(fā)明一實施例的一種具有多層高介電常數(shù)薄膜的介 電層的制造流程圖。
在圖1A與圖2中，執(zhí)行步驟200以在基底100上形成第一層高介電常 數(shù)薄膜IIO。接著，執(zhí)行步驟210,以低功率等離子體氮化第一層高介電常 數(shù)薄膜110。再來，選擇性地執(zhí)行步驟220來回火第一層高介電常數(shù)薄膜 110。
在圖1B與圖2中，執(zhí)行步驟230以在第一層高介電常數(shù)薄膜11Q上形 成第二層高介電常數(shù)薄膜120。接著，執(zhí)行步驟240，以低功率等離子體氮 化第二層高介電常數(shù)薄膜120。再來，選擇性地執(zhí)行步驟250來回火第二層 高介電常數(shù)薄膜120。
可依照需求與設(shè)計，重復(fù)執(zhí)行上述的高介電常數(shù)薄膜的形成步驟、等 離子體氮化步驟以及選擇性的回火步驟數(shù)次。
最后，在圖1C與圖2中，執(zhí)行步驟270，形成第n層高介電常數(shù)薄膜 190。接著，執(zhí)行步驟280，以低功率等離子體氮化第n層高介電常數(shù)薄膜 190。再來，選擇性地執(zhí)行步驟290來回火第n層高介電常數(shù)薄膜120。所 得的第一層高介電常數(shù)薄膜110、第二層高介電常數(shù)薄膜120……以及第n 層高介電常數(shù)薄膜190—起組成所需的高介電常數(shù)介電層。
上述的每一層高介電常數(shù)薄膜(IIO、 120........ 190)的厚度不一定相
同，約為O. 5 - 2. Onm。這些高介電常數(shù)薄膜(110、 120........ 190)的材
質(zhì)例如可為硅酸材料或稀土金屬的氧化物，如HfSiO" Hf02、 Ta205、 Zr02、 HfZrOx、 HfLaOx、 HfDyOx、 HfScOx。
上述的基底100會維持在一個較高的溫度，以利等離子體氮化制程的 進(jìn)行。依據(jù)本發(fā)明一實施例，基底100的溫度大約高于60 °C,例如溫度維 持約為60 - 300 。C。
在氮化這些高介電常數(shù)薄膜(IIO、 120........ 190)的反應(yīng)室中，其內(nèi)
部壓力約為1毫托(mTorr)至l托(Torr)。依照操作模式的不同，低功率 等離子體的射頻(Radio Frequency; RF)功率約為200 - 2000瓦。例如可
以連續(xù)模式或脈沖模式來使用低功率等離子體。
這些高介電常數(shù)薄膜(110、 120........ 190)是在稀釋氧氣(氧氣濃度
少于約2%)或鈍氣(如氮氣)的環(huán)境下進(jìn)行回火的。依照所使用的回火方法不 同，回火的溫度約為600 - 1200 °C，回火時間持續(xù)約為10—3秒至1小時。例 如，若^f吏用快速熱回火法(rapid thermal annealing)時，回火溫度約為600 - 1050 °C，持續(xù)約O. 1 - IOO秒。若使用快閃回火法(flash annealing) 時，回火溫度約為800 - 1200 °C,持續(xù)約O.l - 1秒。若使用爐管回火 時，回火溫度約為600 - 500 °C,持續(xù)約5分鐘至1小時。
由于這些高介電常數(shù)薄膜是逐層形成逐層氮化的，可使用低功率等離 子體來氮化這些高介電常數(shù)薄膜以減少等離子體對高介電常數(shù)薄膜的損 傷，而且可以輕易地逐層控制氮摻雜濃度的分布情況。此外，可以選擇性 地讓這些高介電常數(shù)薄膜進(jìn)行回火制程以減少未反應(yīng)的鍵結(jié)數(shù)目。如此，可 以建立起較高的硼離子的擴散障礙。由這些高介電常數(shù)薄膜所構(gòu)成的介電 層，可讓半導(dǎo)體元件的操作性能大幅提升。
以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式 上的限制，雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā) 明，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，當(dāng)可利 用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容作出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但 凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所 作的任何筒單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.具有多層高介電常數(shù)薄膜的介電層的制造方法，其特征在于其包括以下步驟(a)形成一高介電常數(shù)薄膜于一基底上；(b)以等離子體氮化該高介電常數(shù)薄膜；(c)重復(fù)步驟(a)，形成另一高介電常數(shù)薄膜于先前形成的該高介電常數(shù)薄膜上；(d)重復(fù)步驟(b)，氮化最后形成的高介電常數(shù)薄膜。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造方法，其特征在于其中所述的高介電常 數(shù)薄膜的材料為硅酸或稀土金屬的氧化物。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造方法，其特征在于其中所述的高介電常 數(shù)薄膜具有不等或相等的厚度，厚度為O. 5 - 2. Onm。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造方法，其特征在于其中所述的基底的溫 度維持在60 。C至300 。C。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造方法，其特征在于其中所述的等離子體 的射頻功率為200 - 2000瓦。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造方法，其特征在于其中所述的等離子體 的操作模式為連續(xù)模式或脈沖模式。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造方法，其特征在于其中所述的步驟(b) 與該步驟(d)是在壓力為1毫托至1托之下進(jìn)行的。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所迷的制造方法，其特征在于介于該步驟(b)與該 步驟(c)之間，更包括一步驟(e)來回火該高介電常數(shù)薄膜。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的制造方法，其特征在于其中所述的步驟(e) 的回火溫度為600 - 1200 °C。
10、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的制造方法，其特征在于在步驟(d)之后更包 括一步驟(f)，重復(fù)執(zhí)行該步驟(e)來回火最后形成的該高介電常數(shù)薄膜。
11、 根據(jù)權(quán)利要求10所述的制造方法，其特征在于其中所述的步驟(f) 的回火溫度為600 - 1200 。C。
全文摘要
本發(fā)明是有關(guān)于一種具有多層高介電常數(shù)薄膜的介電層的制造方法，其包括以下步驟(a)形成一高介電常數(shù)薄膜于一基底上；(b)以等離子體氮化該高介電常數(shù)薄膜；(c)重復(fù)步驟(a)，形成另一高介電常數(shù)薄膜于先前形成的該高介電常數(shù)薄膜上；(d)重復(fù)步驟(b)，氮化最后形成的高介電常數(shù)薄膜。本發(fā)明以逐層氮化以及逐層回火的方式，將氮離子摻雜至多層高介電常數(shù)薄膜之中。
文檔編號H01L21/283GK101369536SQ20071019539
公開日2009年2月18日 申請日期2007年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月13日
發(fā)明者余振華, 姚亮吉 申請人:臺灣積體電路制造股份有限公司