专利名称：栅极与栅极材料的制造方法
技术领域：
本发明是有关于一种半导体元件及其制造方法，且特别是有关于一种栅 极与^t极材料的制造方法。
背景技术：
金氧半晶体管为近年来普遍使用的一种半导体元件，不管是一般的逻辑 元件、存储器元件或是图像传感器，都可以见到其踪迹。举例来说，应用了互补式金氧半晶体管的互补式金氧半晶体管图像传感 器，因其所具有的高稳定度、高灵敏度、低工作电压、低耗电力、高阻抗及 不受强磁影响等诸多优点，因此，广泛地用于掌上型彩色摄影机、防盗监视 用黑白摄影机、数码相机、传真机及医学用传感器等，这些图像处理器材的 中。但此种互补式金氧半晶体管却容易产生相对大的暗电流与其他的噪声。 这使得互补式金氧半晶体管没办法应用于低照度的环境，也无法拥有很长的 曝光时间。过大的暗电流使得亮度及暗度的鉴别变得困难，造成动态范围的降低。此外，非均衡且过度的暗电流导致"白色缺陷"(white defect),其产 生大于正常信号的信号。因此，需要开发用以减小暗电流的技术。另 一方面，金氧半晶体管的栅极多半是以掺杂有N型或P型杂质的多晶 硅作为其材质，以增加栅极的导电能力。然而，由于杂质的注入会使得多晶 硅的晶粒经过热工艺的重新结晶而形成晶粒尺寸加大的多晶硅材质，这会改 变多晶硅栅极原有的物理性质，而增加了电荷积聚的情形，导致暗电流与噪 声的问题更加严重，造成元件效能的降低。发明内容有鉴于此，本发明提供了一种栅极，具有一层导体緩冲层，使得应用此 种栅极的元件可以达到降低噪声与暗电流的效果，进而提高元件的效能。 本发明提供一种栅极材料的制造方法，制作一层平均晶粒尺寸小于100纳米的导体緩冲层，以作为栅极材料，而达到降低元件噪声与暗电流的功效。 本发明提出一种栅极，设置于栅极介电层上，包括一层导体緩冲层与一 层导体层。导体缓冲层设置于栅极介电层上，此导体缓冲层的平均晶粒尺寸 约小于100纳米。导体层设置于导体緩沖层上，其平均晶粒尺寸约大于或等于100纳米。在本发明的一实施例中，上述的栅极，其中导体缓冲层与导体层的材质 包括多晶硅。在本发明的一实施例中，上述的栅极，其中导体层的材质包括掺杂多晶硅。在本发明的一实施例中，上述的栅极，其中导体层的材质包括掺杂N型 杂质的多晶硅。在本发明的一实施例中，上述的栅极适用于一互补式金氧半晶体管。 在本发明的一实施例中，上述的栅极适用于一互补式金氧半晶体管图像 传感器(CIS)。在本发明的一实施例中，上述的栅极，其中导体缓沖层的厚度约为500 埃，导体层的厚度约为1500埃。本发明提出 一种栅极材料的制造方法，包括形成一层平均晶粒尺寸'J、于 100纳米的导体緩沖层。在本发明的一实施例中，上述的栅极材料的制造方法，其中导体緩冲层 的材质包括多晶硅。在本发明的一实施例中，上述的栅极材料的制造方法，其中导体緩冲层 的形成方法包括化学气相沉积工艺，以硅曱烷为反应气体，气体流量介于 0.15~0.35slm之间，反应压力介于30 ~ 60mTorr之间，而反应温度则介于 680 705。C之间。在本发明的一实施例中，上述的栅极材料的制造方法，还包括于形成导 体缓冲层之后，进行杂质注入工艺，且导体緩冲层底部的平均晶粒尺寸维持 约小于100纳米。在本发明的一实施例中，上述的栅极材料的制造方法，还包括于形成导 体緩冲层之后，于导体緩冲层上形成一层导体层。在本发明的一实施例中，上述的栅极材料的制造方法，导体层的平均晶粒尺寸约大于或等于100纳米。在本发明的一实施例中，上述的栅极材料的制造方法，其中导体緩沖层 与导体层的材质包括多晶硅，且导体緩沖层与导体层的形成方法包括化学气 相沉积工艺。在本发明的一实施例中，上述的栅极材料的制造方法，其中化学气相沉 积工艺中，形成导体緩沖层所使用的含硅气体的流量小于形成导体层的含硅 气体流量。在本发明的一实施例中，上述的栅极材料的制造方法，其中化学气相沉积工艺中，形成导体缓冲层的含硅气体的流量介于0.15~0.35slm之间，形 成导体层的含硅气体的流量介于0.25 ~ 0.45slm之间。在本发明的一实施例中，上述的相H及材料的制造方法，其中化学气相沉 积工艺的温度介于680 ~ 705。C之间。在本发明的一实施例中，上述的栅极材料的制造方法，其中化学气相沉 积工艺的压力介于30 ~ 60mTorr。在本发明的一实施例中，上述的栅极材料的制造方法，还包括于形成导 体层之后，进行一杂质注入工艺。在本发明的一实施例中，上述的栅极材料的制造方法，还包括于杂质注 入工艺之后，进行一退火步骤，其中，在退火步骤之后，导体緩冲层的平均 晶粒尺寸维持约小于100纳米。本发明因于栅极介电层上形成一层具有平均晶粒尺寸较小的导体缓冲 层，以作为栅极的材料，这可以有效地减弱元件的噪声与暗电流，进而提高 元件的效能。为让本发明之上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合 所附图式，作详细说明如下。
图1是绘示本发明一实施例的一种金氧半晶体管的结构剖面图；图2A至图2C是绘示本发明一实施例的一种栅极材料的制造流程剖面图；图3A至图3C是绘示本发明另一实施例的一种栅极材料的制造流程剖 面图；图4是绘示本发明一实验例的栅极中导体緩冲层的厚度与噪声、暗电流主要元件符号说明100、200、 300:基底105:金氧半晶体管110、210、 310:栅极介电层120:栅极125、225、 325:导体緩沖层127、227、 327、 327a:导体层135:捧杂区145:间隙壁230、330:杂质注入工艺具体实施方式
图1是绘示本发明一实施例的一种金氧半晶体管的结构剖面图。 请参照图1,本实施例是以金氧半晶体管为例作说明，但本发明提出的栅极并不限于应用在金氧半晶体管之中。图1的金氧半晶体管105设置于基 底100上，包括有栅极介电层IIO、栅极120与掺杂区135。栅极介电层IIO设置于基底100上，其材质例如是氧化硅等介电材料。 栅极120设置于栅极介电层110上，栅极120包括设置于栅极介电层110上 的导体緩沖层125与设置于导体緩冲层125上的导体层127。导体緩沖层125 与导体层127的材质例如是多晶硅。导体緩冲层125例如是平均晶粒尺寸约 小于IOO纳米的均匀多晶硅结晶，导体层127的平均晶粒尺寸则大于或等于 100纳米。导体緩沖层125的厚度例如是大于300埃，而栅极120与导体层 127的厚度可以依照元件的需求而调整。由于位于栅极介电层IIO与导体层127之间的导体缓沖层125,具有平 均晶粒尺寸小于IOO纳米的特性，相对地可以释放多晶硅晶格中的应力，以 降低电荷积聚于其中的机会。如此一来，便能够达到降低元件噪声与暗电流 的功效。在一实施例中，导体緩冲层125的厚度例如是500埃，而导体层127的 厚度例如是1500埃。导体层127的材质可以是掺杂多晶硅，如掺杂有N型 杂质如砷、磷，或是掺杂了 P型杂质如硼的多晶硅，其端视元件的设计需求而定。当然，导体緩冲层125之中也可能会因杂质注入工艺而间杂有些微的 杂质，但由于杂质的数量少，并不会影响导体緩冲层125的晶粒尺寸，导体 緩冲层125仍保有其小尺寸的特征。特别注意的是，导体緩沖层125的晶粒 尺寸虽然小于100纳米，但其仍为多晶体(poly-crystalline)所构成的均匀多晶 珪，而不是非晶娃(amorphous silicon)。当然，栅极120两侧的基底100中还设置有掺杂区135,以作为金氧半 晶体管105的源极/漏极。栅极120侧壁则可以设置有间隙壁145。掺杂区135 例如是含有重掺杂的P型掺杂区或N型掺杂区。间隙壁145的材质例如是氧 化硅等介电材质。以下说明本发明一实施例的一种栅极材料的制造方法，请参照图2A至 图2C,其是绘示本发明一实施例的一种栅极材料的制造流程剖面图。请参照图2A,基底200上已形成有栅极介电层210,栅极介电层210 例如是热氧化法或化学气相沉积工艺所形成的，其材质例如是氧化硅。本方 法例如是在栅极介电层210上形成一层导体緩冲层220。导体缓冲层220的 材质例如是多晶硅，其形成方法例如是化学气相沉积工艺。在一实施例中， 化学气相沉积工艺所使用的反应气体例如是硅甲烷(SffiU),气体流量例如是 介于0.15 ~ 0.35slm之间，反应压力例如是介于30 ~ 60mTorr之间，反应温 度例如是介于680 705。C之间。其中，还可以添加氢气与二氯硅曱烷 (dichlorosilane, DCS)。当然，反应气体除了硅曱烷之外，也可以是其他含硅 气体如硅乙烷(disilane)、 二氯硅曱烷或是TEOS等。在另一实施例中，例如 是以硅曱烷为反应气体，气体流量为0.19slm,反应压力为45mTorr，反应温 度为698°C。在正式沉积导体缓冲层220之前，还可以使用气体流量0.06slm 的含硅气体进行预沉积的步骤。请参照图2B,于形成导体緩冲层220之后，更可以进行杂质注入工艺 230，于多晶硅材质中，注入N型杂质如砷、磷，或是注入P型杂质如硼， 依照元件的设计而定。多晶硅将会因为这些注入的杂质变成无固定结构的非 晶硅。在一实施例中，导体緩冲层220例如是2000埃，杂质注入工艺230 例如是将杂质导入于导体緩沖层220上半部约1500埃厚度的部分。当然， 杂质注入的深度与浓度，可以依照元件的需求，藉由调整注入能量与电流大 小来控制。之后，请参照图2C，再进行热退火工艺，使这些含有杂质的非晶硅恢复为结晶的状态。由于导体緩冲层220上半部的多晶硅中已经4參杂有杂质， 因此，重新结晶后的晶粒尺寸将会大于原先的100纳米，而成为导体层227。 下半部的导体緩冲层225由于没有受到杂质的注入(或是仅受到微量的杂质 注入)，因此，可以维持其形成之初，小于100纳米的晶粒尺寸。导体层227 与导体緩沖层225组成栅极材料，此栅极材料具有上下两部分不同的晶粒尺 寸，上半部的导体层227为平均晶粒尺寸约大于或等于100纳米的掺杂多晶 硅，下半部的导体緩沖层的平均晶粒尺寸约小于100纳米。在一实施例中， 导体缓沖层225的厚度例如是大于300埃，上半部的导体层227例如是小于 1700埃。举例来说，导体緩沖层225的厚度可以是500埃，导体层227的厚 度可以是1500埃。至于后续定义出栅极图案、完成金氧半晶体管的制造流 程，应为熟知本领域的技术人员所周知，于此即不赘述。值得一提的是，上述实施例中，虽然是在形成导体緩冲层225之后，再 进行杂质注入工艺230,然而在另一实施例中，也可以待导体緩冲层沉积一 定厚度之后，即于化学气相沉积工艺中，进行原位蒸汽(In-situ)杂质注入工艺， 而不限于待导体緩沖层220完全形成后才可以进行杂质注入工艺。当然，原 位蒸汽杂质注入工艺同样也会保留导体緩冲层220底部晶粒尺寸小于100纳 米的特性。由于在栅极介电层210与晶粒尺寸较大的导体层227之间，尚存在一层 晶粒尺寸较小的导体緩冲层225。因此，可以降低电荷储存于栅极的机会， 而减轻噪声与暗电流的影响，进而提高元件的效能。以互补式金氧半晶体管 图像传感器来说，由于噪声与暗电流的效应减弱，图像传感器的信号电荷可 以更灵敏，从而提升显示装置中的图像品质。以下说明本发明另一实施例的一种栅极材料的制造方法。图3A至图3C 是绘示本发明另 一实施例的 一种栅极材料的制造方法。请参照图3A,此方法是在基底300的栅极介电层310上方形成栅极材 料。所形成的栅极材料例如是多晶硅，其例如是以化学气相沉积工艺所形成 的。化学气相沉积工艺的温度例如是控制于680- 705。C之间，反应腔中的压 力例如是介于30 60mTorr，所使用的反应气体则为硅曱烷。其中，硅曱烷 的流量例如是先控制在0.15 ~ 0.35slm之间，而形成一层导体緩沖层325。硅 曱烷的流量较小，所形成的导体缓冲层325的平均晶粒尺寸例如是小于100 纳米。在一实施例中，导体緩冲层325的厚度例如是大于300埃，如500埃。然后，继续进行此一化学气相沉积工艺，并将硅烷的流量调高为介于0.25 0.45slm之间，而形成一层导体层327。此时，所形成的多晶硅的晶粒 尺寸会加大，例如约大于或等于IOO纳米，其沉积的速度也会因为硅曱烷流 量的提高而加快。在一实施例中，导体层327的厚度例如是约为1500埃。在上迷化学气相沉积工艺中，除了以硅曱烷为反应气体之外，还可以是 加入氬气或二氯硅曱烷，或这两者，以作为工艺参数上的调整。当然，作为 反应气体的含硅气体，除了使用硅曱烷之外，还可以是二氯硅曱烷、硅乙烷 或TEOS等，视工艺的需求而定。在一实施例中，形成栅极材料的化学气相沉积工艺，例如是以硅曱烷为 反应气体，加入氢气与二氯硅曱烷，并且将反应温度控制于698°C、反应压 力控制于45mTorr之下，先以硅曱烷流量0.19slm，沉积形成厚度约500埃 的导体緩冲层325，然后再调高硅曱烷流量至0.27slm，形成厚度约1500埃 的导体层327。请参照图3B,于化学气相沉积工艺之后，继而进行杂质注入工艺330， 于多晶硅材料中，注入N型杂质如砷、磷，或是注入P型杂质如硼。多晶硅 材料将会因为杂质的注入变成无固定结构的非晶硅材料。注入杂质的轮廓深 度例如是控制在约为1500埃左右，亦即，大多数杂质是注入于晶粒尺寸较 大的导体层327a部分，导体緩冲层325中的杂质浓度则相对地少许多。当 然，杂质注入的深度并不限于与导体层327a的厚度相当，也可以注入于部 分导体緩冲层325中，只要能够保留至少约300埃的导体缓冲层325，不会 受到过多的掺杂即可，注入的深度与浓度，端视工艺的需求而定。之后，请参照图3C，再进行热退火工艺，使这些含有杂质的非晶硅恢 复为结晶的状态。由于导体层327a的中已经掺杂有杂质，因此，重新结晶 后的晶粒尺寸将会进一步增加。至于底层的导体緩冲层325没有受到杂质的 注入(或是仅受到微量的杂质注入)的部分，则可以维持其初沉积时，小于 IOO纳米的平均晶粒尺寸。换言之，在栅极介电层310与导体层327a之间，始终都会保持有一层 晶粒尺寸小于100纳米的导体緩冲层325。这一层导体緩冲层325因其晶粒 尺寸小的关系，可以降低电荷积聚于其中的机会，而降低噪声与暗电流的干 扰，进而提高后续形成的元件的效能。接着就佐以一实验例，来说明本发明的栅极中，导体緩冲层的厚度与噪声、暗电流之间的关系。图4是绘示一实验例的栅极中导体緩冲层的厚度与 噪声、暗电流的关系图。请参照图4，在不同导体緩冲层厚度之下，噪声的类比数位单位(analogy digit unit, ADU)是以令来表示；暗电流的类比数位单位是以画来表示。在本实验例中，栅极是以多晶硅为材质，栅极包括了晶粒尺寸小于100纳米的导体 缓冲层与晶粒尺寸大于或等于100纳米的导体层，此二层构成了总厚度约为 2000埃的栅极。也就是"i兑，若导体缓冲层的厚度为250埃，则导体层的厚度 则为1750埃；若导体緩沖层的厚度为2000埃，则导体层的厚度则为O埃， 以此类推。其中，栅极上部约四分之三，亦即，约1500埃掺杂有N型杂质， 如磷或砷。本实验是藉由改变栅极的导体缓沖层的厚度来观察噪声与暗电流 的类比数位单位的变化。从图4可知，当导体缓沖层的厚度为O埃的时候，噪声为6.5,暗电流 为6.88,而随着导体緩冲层厚度增加，噪声与暗电流的类比数位单位也就随 之下降。尤其是导体緩冲层由0埃增至500埃，噪声与暗电流急遽地下降， 其中，噪声由6.5降至5.51,暗电流由6.88降至3.98。这表示导体緩沖层确 实达到了降低噪声与暗电流的功效。另一方面，导体缓沖层由500埃增至2000埃之时，噪声与暗电流下降 的趋势减緩。当导体緩冲层为2000埃(亦即，整个栅极都是使用导体缓冲 层)时，噪声为5.43,暗电流为3.35,只比导体緩冲层为500埃之下的噪声 与暗电流小了一点点。值得一提的是，由于本实验例中，柵极的多晶硅材质中的N型杂质，多 是分布于上部1500埃，从前述实施例可知，这些含有重掺杂的多晶硅，其 晶粒尺寸会有所增加，不会维持于初沉积后，小于100纳米的尺寸，这也是 本实验例中，当导体缓沖层由500纳米增至2000纳米的时候，噪声与暗电 流下降的幅度不大的原因之一。换言之，本领域的技术人员当可视其所需的 元件功能的需求，应用本发明，弹性地调整栅极的厚度、导体缓冲层的厚度 以及杂质的轮廓深度等参数，以设计出最符合需求的模式。综上所述，本发明提出的栅极与此种栅极材料的制造方法，应用平均晶 粒尺寸小于IOO纳米的导体缓冲层以作为栅极材料，可以有效地降低噪声与 暗电流的不良影响，进而提高元件的效能。从而，还能够提升信号电荷的灵 敏度，并增进电子装置的整体品质。虽然本发明已以优选实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何 所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作 些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求所界定者为准。
权利要求
1、一种栅极，设置于栅极介电层上，包括导体缓冲层，设置于该栅极介电层上，该导体缓冲层的平均晶粒尺寸约小于100纳米；以及导体层，设置于该导体缓冲层上，且该导体层的平均晶粒尺寸约大于或等于100纳米。
2、 如权利要求1所述的栅极，其中该导体緩沖层与该导体层的材质包 括多晶硅。
3、 如权利要求l所述的栅极，其中该导体层的材质包括掺杂多晶硅。
4、 如权利要求1所述的栅极，其中该导体层的材质包括掺杂N型杂质 的多晶硅。
5、 如权利要求l所述的栅极，其中该栅极适用于互补式金氧半晶体管。
6、 如权利要求1所述的栅极，其中该栅极适用于互补式金氧半晶体管 图像传感器。
7、 如权利要求1所述的栅极，其中该导体緩冲层的厚度约大于或等于 300埃。
8、 一种栅极材料的制造方法，包括形成导体緩沖层，该导体緩冲层的平均晶粒尺寸约小于100纳米。
9、 如权利要求8所述的栅极材料的制造方法，其中该栅极材料的材质 包括多晶硅。
10、 如权利要求9所述的栅极材料的制造方法，其中该导体緩冲层的形 成方法包括化学气相沉积工艺，以硅曱烷为反应气体，气体流量介于0.15 0.35slm之间，反应压力介于30 ~ 60mTorr之间，而反应温度介于680 - 705。C 之间。
11、 如权利要求9所述的栅极材料的制造方法，还包括于形成该导体緩 沖层之后，进行杂质注入工艺，且该导体緩冲层底部的平均晶粒尺寸维持约 小于100纳米。
12、 如权利要求8所述的栅极材料的制造方法，还包括于形成该导体緩 沖层之后，于该导体緩冲层上形成导体层。
13、 如权利要求12所述的栅极材料的制造方法，该导体层的平均晶粒尺寸约大于或等于100纳米。
14、 如权利要求12所述的栅极材料的制造方法，其中该导体緩冲层的 厚度约大于或等于300埃。
15、 如权利要求12所述的栅极材料的制造方法，其中该导体緩冲层与 该导体层的材质包括多晶硅，且该导体緩冲层与该导体层的形成方法包括化 学气相沉积工艺。
16、 如权利要求15所述的栅极材料的制造方法，其中该化学气相沉积 工艺中，形成该导体緩沖层所使用的含硅气体的流量小于形成该导体层的含 硅气体流量。
17、 如权利要求15所述的栅极材料的制造方法，其中该化学气相沉积 工艺中，形成该导体缓冲层的含硅气体的流量介于0.15~0.35slm之间，形 成该导体层的含硅气体的流量介于0.25 ~ 0.45slm之间。
18、 如权利要求15所述的栅极材料的制造方法，其中该化学气相沉积 工艺的温度介于680 705。C之间。
19、 如权利要求15所述的栅极材料的制造方法，其中该化学气相沉积 工艺的压力介于30 60mTorr。
20、 如权利要求12所述的栅极材料的制造方法，还包括于形成该导体 层之后，进4亍杂质注入工艺。
21、 如权利要求20所述的栅极材料的制造方法，还包括于该杂质注入 工艺之后，进行退火步骤，其中，在该退火步骤之后，该导体緩冲层的平均 晶粒尺寸维持约小于100纳米。
全文摘要
本发明提供了一种栅极以及栅极材料的制造方法，该栅极包含有导体缓冲层与导体层。导体缓冲层设置于栅极介电层上，此导体缓冲层的平均晶粒尺寸约小于100纳米。导体层设置于导体缓冲层上，其平均晶粒尺寸约大于或等于100纳米。由于导体缓冲层的设置，可以减弱噪声与暗电流对于元件效能的影响。
文档编号H01L21/285GK101325214SQ20071010901
公开日2008年12月17日 申请日期2007年6月12日 优先权日2007年6月12日
发明者施俊吉 申请人:联华电子股份有限公司