专利名称：形成介电质层的方法
技术领域：
本发明是有关于形成介电质层的方法，特别是有关于可以形成高品质且厚度均匀的薄介电质层的方法。
背景技术：
介电质层是半导体产品中重要不可或缺的一环，不论是用来提供隔离、绝缘、储存电荷或支撑结构等功能。也因此，如何形成高品质、厚度均匀且缺陷少的介电质层，是自有半导体工业以来，一个始终极其热门的问题。
针对这个问题，已知技术已有许多的解决之道，例如以高密度电浆化学气相沉积、电浆增益化学气相沉积、低压化学气相沉积与低温化学气相沉积等来改善传统使用的化学气相沉积的不少缺点。又例如以四氧乙基硅、硼磷硅玻璃与高介电系数介电质等来改善传统使用的氧化物与氮化物等的缺点。
但随着电子产品的轻薄短小的趋势，半导体产品的大小一直在缩小，使得介电质层的厚度也持续缩小。特别是对于诸如背端多晶硅-绝缘层-金属电容器(backendpolysilicon-insulator-metal capacitor)、金属-绝缘层-金属电容器(metal-insulator-metal capacitor)、垫层(liner)与反保险丝结构(antifuse structure)等半导体结构而言，由于介电质层主要不是用来支撑结构，因此所需要的介电质层厚度是越来越薄，并且制程温度要求越来越低。
显然地，如同导管(pipeline)中的阀(valve)刚打开时，导管中的流体流量会先经过一段不稳定的过渡时间然后才会稳定一般。在介电质层的形成过程中，一开始的成长也是不稳定不均匀的，必须在成长一些介电质层后才能稳定。因此，当所需要形成的介电质层的厚度持续降低时，介电质层形成过程的不稳定期间所占的比例会持续上升，而使得所形成的介电质层出现诸如厚度不均匀与结构缺陷(structure defect)多等毛病。而其结果便是往往不能形成厚度薄且均匀的高品质介电质层。
针对这个新问题，已知技术也已陆续提出一些解决之道。例如，先形成厚度较所需厚度后的高品质介电质层，然后再蚀刻程序减少介电质层的厚度。例如，以改良过的电浆增益化学气相沉积或改进过的低温化学气相沉积来形成介电质层，藉由改善介电质层形成过程以降低不稳定期间所占的比例。
无论如何，这些解决之道都伴随着不可忽略的缺点。例如，再蚀刻程序不只增加制程成本也难免会伤害介电质层表面。例如，这些改进过的程序往往有介电质层成长速率慢、介电成长过程的热处理引发已掺杂至底材中的杂质的过渡扩散、不容易精确控制、或长出来的介电质层品质不好等缺点。因此，如何形成厚度薄且均匀的高品质介电质层，仍是半导体工业一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明的一主要目的是形成厚度薄且均匀的高品质介电质层，并以此为基础来实现背端多晶硅-绝缘层-金属电容器(backend PIM Capacitor)，或是金属-绝缘层-金属电容器(MIM Capacitor)的应用。
本发明的另一主要目的是在不大幅修改形成高品质介电质层的各种已知技术的前提下，提出可以达上述目的的方法。
本发明的又一主要目的是在尽可能减少介电形成过程的热处理对先前形成结构的损伤的前提下，提出可以达上述目的的方法。
为达成上述各目的，本发明提出一种形成介电质层的方法。首先，形成含硅层于底材上；然后，以低温电浆增益化学气相沉积程序与反应气体处理含硅层，藉以形成介电质层于底材上。可能的反应气体有氧气、氮气与氧化氮而低温电浆增益化学气相沉积程序的典型反应环境为温度在200℃至750℃之间、压力在2至12毫托耳之间、反应气体之流量在30sccm至150sccm之间、而电桨功率在1000瓦至6000瓦之间。当然，若所要形成的半导体结构中介电质层位于金属层上，本发明可以先形成金属层于底材上，然后再形成含硅层于金属层上以及执行低温电浆增益化学气相沉积程序。
图1A至图1E显示本发明一较佳实施例的基本流程图与一些可能修正流程图图2A至4B显示本发明的相关实验数据；和图5显示本发明另一较佳实施例的基本流程图。
具体实施例方式
本发明的一较佳实施例为一种形成介电质层的方法。如图1A所示，至少包含下列基本步骤如底材方块11所示，提供位于反应室中的底材。
在此，反应室为任何可以用电浆对底材(及任何位于底材的结构)进行化学气相沉积程序的反应室，特别是可以精确地调整反应室的温度、压力、电浆功率与输入气体流量的反应室。举例来说，反应室可以是化学气相沉积反应室、高密度电浆化学气相沉积反应室、或电浆增益化学气相沉积反应室。
如含硅层方块12所示，形成含硅层于底材上。
如低温电浆增益化学气相沉积方块13所示，以低温电浆增益化学气相沉积程序处理含硅层，藉以形成介电质层于底材上。
在此，介电质层通常为下列各者之一或其组合氧化物层、氮化物层与氮氧化物层。
在此，介电质层通常是在含硅层上，除非含硅层被完全耗尽或移除。而且，低温电浆增益化学气相沉积程序通常是让含硅层与反应室内的反应气体相互反应，藉以形成所需要的介电质层。此外，虽然本实施例是使用形成于反应室内的电浆来形成介电质层，但是电浆偶而会与底材等发生不需要的反应。因此本实施例较适合使用可以一形成电浆就开始形成介电质层的反应室，或甚至可以一面形成电浆一面形成介电质层的反应室，而不适合电浆形成后会先经历一段电浆停滞(plasma idle)过程，然后才能开始进行反应的反应室。
一般而言，含硅层的材料只要是含有硅的材料即可，通常为下列各者之一或其组合多晶硅层、掺杂多晶硅层、硅层、掺杂硅层、磊晶硅层与掺杂磊晶硅层。无论如何，由于现有半导体技术所使用的介电质层通常是含有大量硅之材，例如二氧化硅、氧化硅与氮化硅等等，因此含硅层的材料，通常为富含硅的材料。此外，由于本实施例仅是应用含硅层而已，本实施例并不限制含硅层的形成方式，可以用溅镀法、沉积法或热氧化法菶来形成含硅层。
当然，所形成的介电质层总会被应用在具特定功能的半导体结构。但在某些半导体结构中，介电质层并不是位于含硅层中而是位于金属层(metal layer)或中介层(intermediate layer)上，因此本实施例还可以修正为图1B或图1C所示的基本流程。
图1B与图1A的主要差别，是在结束底材方块11后，先进行导体层方块14的形成导体层于底材上的步骤，再进行第一修正含硅层方块121所示的形成含硅层于导体层上的步骤，最后才进行低温电浆增益化学气相沉积方块13的内容。在此，导体层通常为下列各者之一或其组合铝层、银层、铜层、钛层、氮化钛层、金层、过渡金属层与金属层。而且，低温电浆增益化学气相沉积程序可以视需要将含硅层完全耗尽、完全移除或残留在导体层上。
图1C与图1A的主要差别，是在结束底材方块11后，先进行中介层方块15的形成中介层于底材上的步骤，再进行第二修正含硅层方块122所示的形成含硅层于导体层上的步骤，最后再进行低温电浆增益化学气相沉积方块13的内容。在此，中介层通常为下列各者之一或其组合氮化钛层与氮化钽层。而且，低温电浆增益化学气相沉积程序可以视需要将含硅层完全耗尽、完全移除或残留在中介层上。
显然地，使用低温电浆增益化学气相沉积程序处理含硅层以形成介电质层，是本发明的一大基本特征。本实施例所提出的低温电浆增益化学气相沉积程序大致上如图1D所示如反应气体方块16所示，将底材与含硅层置于含反应气体的反应室中，亦即将反应气体输入至底材所在的反应室中。
在此，反应气体通常为下列各者之一或其组合氧气、氮气与氧化氮。此外，实际使用的反应气体，系至少取决于含硅层的材料与所要形成介电质层的材料。
如电浆反应方块17所示，在低温环境中使用电浆让反应气体与含硅层反应，藉以形成介电质层于底材上。例如在剩余的含硅层上。
一方面，由于低温环境是用来尽可能减少介电质层形成过程对底材中已形成结构(如场隔离、栅极与源/漏极)的不良影响，例如底材中已掺杂的源极与漏极的过度热扩散。因此，实际的温度范围，除取决于含硅层材料与所要形成介电质层材料，还取决于底材的已形成结构的细节。
另一方面，由于电浆是用来加强介电质层的形成，例如藉由电浆与含硅层的反应，来使得含硅层容易与反应气体反应；又例如利用电浆在某些环境下可以对底材表面进行蚀刻的性质，移除正在形成中介电质层的凸出部份以增进其厚度均匀性。因此，实际的电浆功率范围，亦取决于含硅层材料与所要形成介电质层材料。
但由于自反应室外流入的反应气体仅是被用来补充被消耗掉的反应气体。反应气体的流量并不是本实施例的主要参数，只要能确保有足够的反应气体可以进行低温电浆增益化学气相沉积程序即可。
因此，本实施例在此仅提出两组常见的低温电浆增益化学气相沉积程序的反应环境作为参考例。无论如何，本发明的应用并不仅限于这二个参考例。
第一个参考例是温度在200℃至450℃之间，压力在2毫托耳(mtorr)至12毫托耳之间，反应气体流入反应室的流量在30sccm至150sccm之间，而电桨功率在1000瓦至6000瓦之间。第二个参考例则是温度在200℃至750℃之间，压力在3毫托耳至10毫托耳之间，反应气体流入反应室之流量在30sccm至150sccm之间，而电桨功率在1000瓦至5000瓦之间。
除此之外，由于含硅层很容易与氧气反应而形成一自然氧化层于其表面，例如在含硅层刚形成后便与反应室内的残留氧气反应，或是在作为反应气体的氧气刚输入而尚未进行低温电浆增益化学气相沉积程序之前便发生反应。也由于自然氧化层的结构往往是松散而不能用来作为垫层、电容器等半导体结构。因此，不论是图1A、图1B或图1C所示的流程，都可以在如图1E所示般(以图1A为例子来修改)，在进行低温电浆增益化学气相沉积方块13之前，先执行预先清洁方块18所示的执行清洁程序去除位于含硅层表面的自然氧化层的步骤。
除此之外，本发明仅限制以反应气体与含硅层反应以形成介电质层，本发明并不排除同时对含硅层(或正形成中的介电质层)进行掺杂程序或回火程序等的可能性，也不排除在介电质层形成后，再对介电质层进行掺杂程序或回火程序等的可能性。
图2显示三组实验数据，定性地说明介电质层厚度与电浆功率及反应时间二者间的关系。在此，所形成的介电质层为氧硅化合物层，而所使用的反应室为已知的高密度电浆化学气相沉积反应室。显然地，本发明可以让氧硅化合物层的厚度在约30秒内只改变约10埃(angstrom)，可以精确地控制氧硅化合物层的厚度，并利用其每分钟约仅20埃的成长速率，有效地形成厚度很薄的氧硅化合物层。当然，电浆功率越大，氧硅化合物层厚度增长的越快。
图3A与3B显示二组实验数据，定性地说明介电质层厚度与介电质层厚度起伏性二者与反应时间之间的关系。在此，所形成的介电质层为氧硅化合物层，而所使用的反应室为已知的高密度电浆化学气相沉积反应室。显然地，随着反应时间的增加，不只氧硅化合物层的厚度是逐渐变慢，而且氧硅化合物层的厚度起伏性的增长速率也是逐渐变慢。换句话说，随着氧硅化合物厚度的增加，氧硅化合物的厚度起伏性逐渐趋近一定值。
图4A与4B显示二组实验数据，定性地说明介电质层厚度与介电质层厚度起伏性二者在不同样本(不同晶片)的关系。在此，所形成的介电质层为氧硅化合物层，而所使用的反应室为已知的高密度电浆化学气相沉积反应室。显然地，在不同的晶片，所形成的氧硅化合物层的厚度都几乎是一定的；而且在不同的晶片，氧硅化合物层的厚度起伏性以都集中在1.70％至2.00％之间。换句话说，本发明是一个可以精确控制且可以反复进行的发明，在不同时候使用本发明处理不同的样本，每个样本都可以得到品质良好的氧硅化合物层，而且不同样本所得到的氧硅化丛都相当相同，没有不可忽略的不同。
本发明的另一较佳实施例为前一个较佳实施例的一种应用一种形成电容器的方法。如图5所示，至少包含下列基本步骤如第一电极方块51所示，提供底材并形成第一导体层于底材上。
如介电质层方块52所示，执行低温电浆增益化学气相沉积程序并使用反应气体，藉以形成介电质层于第一导体层上。
其中当第一导体层为含硅层时，直接以低温电浆增益化学气相沉积程序处理第一导体层而形成介电质层；但当第一导体层为金属层时，先形成含硅层在金属层上，然后再以低温电浆增益化学气相沉积程序处理该含硅层以形成该介电质层。同时，低温电浆增益化学气相沉积程序的一可能反应环境为温度在200℃至450℃之间、压力在2毫托耳至12毫托耳之间、反应气体的流量在30sccm至150sccm之间、电桨功率在1000瓦至6000瓦之间，而反应气体由下列所选出氧气、氮气与氧化氮。低温电浆增益化学气相沉积程序的另一可能反应环境则为温度在200℃至750℃之间、压力在3毫托耳至10毫托耳之间、反应气体的流量在30sccm至150sccm之间、电桨功率在1000瓦至5000瓦之间，而反应气体系由下列所选出氧气、氮气与氧化氮。
如第二电极方块53所示，形成第二导体层于介电质层上。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用以限定本发明的申请专利范围；凡其它未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在下述的申请专利范围中。
权利要求
1.一种形成介电质层的方法，包含提供一底材；形成一含硅层于该底材上；以及以一低温电浆增益化学气相沉积程序处理该含硅层，藉以形成一介电质层于该底材上。
2.如权利要求1所述的形成介电质的方法工，其特征在于，该含硅层选自下列所选出多晶硅层、掺杂多晶硅层、硅层、掺杂硅层、磊晶硅层与掺杂磊晶硅层。
3.如权利要求1所述的形成介电质的方法工，其特征在于，以溅镀法形成该含硅层。
4.如权利要求1所述的形成介电质的方法工，其特征在于，先形成一导体层于该底材上，再形成该含硅层于该导体层上。
5.如权利要求4所述的形成介电质的方法工，其特征在于，该导体层由下列所选出铝层、银层、铜层、钛层、氮化钛层、金层与过渡金属层。
6.如权利要求4所述的形成介电质的方法工，其特征在于，该导体层为一金属层。
7.如权利要求1所述的形成介电质的方法工，其特征在于，先成一中介层于该底材上，然后才形成该含硅层于该中介层上。
8.如权利要求7所述的形成介电质的方法工，其特征在于，该中介层由下列所选出氮化钛层与氮化钽层。
9.如权利要求1所述的形成介电质的方法工，其特征在于，该介电质层由下列所选出氧化物层、氮化物层与氮氧化物层。
10.如权利要求1所述的形成介电质的方法工，其特征在于，该低温电浆增益化学气相沉积程序系先将该底材与该含硅层置于含一反应气体的一反应室中，然后再在一低温环境中使用一电浆让该反应气体与该含硅层反应而形成该介电质层于该底材上。
11.如权利要求10所述的形成介电质的方法工，其特征在于，该反应气体由下列所选出氧气、氮气与氧化氮。
12.如权利要求10所述的形成介电质的方法工，其特征在于，该低温电浆增益化学气相沉积程序的一反应环境为温度在200℃至450℃之间、压力在2毫托耳至12毫托耳之间、该反应气体之流量在30sccm至150sccm之间、而电桨功率在1000瓦至6000瓦之间。
13.如权利要求10所述的形成介电质的方法工，其特征在于，该低温电浆增益化学气相沉积程序的一反应环境为温度在200℃至750℃之间、压力在3毫托耳至10毫托耳之间、该反应气体之流量在30sccm至150sccm之间、而电桨功率在1000瓦至5000瓦之间。
14.如权利要求10所述的形成介电质的方法工，其特征在于，该反应室由下列所选出化学气相沉积反应室、高密度电浆化学气相沉积反应室、和电浆增益化学气相沉积反应室。
15.如权利要求1所述的形成介电质的方法工，其特征在于，尚可以在进行该低温电浆增益化学气相沉积程序之前，执行一清洁程序去除位于该含硅层表面的一自然氧化层。
16.一种形成电容器的方法，包含提供一底材；形成一第一导体层于该底材上；执行一低温电浆增益化学气相沉积程序并使用一反应气体，藉以形成一介电质层于该第一导体层上；以及形成第二导体层于该介电质层上。
17.如权利要求16所述的形成电容器的方法，其特征在于，当该第一导体层为一含硅层时，直接以该低温电浆增益化学气相沉积程序处理该第一导体层而形成该介电质层。
18.如权利要求16所述的形成电容器的方法，其特征在于，当该第一导体层为一金属层时，先形成一含硅层在该金属层上，然后再以该低温电浆增益化学气相沉积程序处理该含硅层以形成该介电质层。
19.如权利要求16所述的形成电容器的方法，其特征在于，该低温电浆增益化学气相沉积程序的一反应环境为温度在200℃至450℃之间、压力在2毫托耳至12毫托耳之间、该反应气体的流量在30sccm至150sccm之间、电桨功率在1000瓦至6000瓦之间，而该反应气体由下列所选出氧气、氮气与氧化氮。
20.如权利要求16所述的形成电容器的方法，其特征在于，该低温电浆增益化学气相沉积程序的一反应环境为温度在200℃至750℃之间、压力在3毫托耳至10毫托耳之间、反应气体的流量在30sccm至150sccm之间、电桨功率在1000瓦至5000瓦之间，而该反应气体由下列所选出氧气、氮气与氧化氮。
全文摘要
本发明提供一种形成介电质层的方法。首先，形成含硅层于底材上；然后，以低温电浆增益化学气相沉积程序与反应气体处理含硅层，藉以形成介电质层于底材上。在此，可以先形成金属层于底材上，然后再形成含硅层于金属层上可能的反应气体有氧气、氮气与氧化氮而低温电浆增益化学气相沉积程序的典型反应环境为温度在200℃至750℃之间、压力在2至12毫托耳之间、反应气体的流量在30sccm至150sccm之间、而电桨功率在1000瓦至6000瓦之间。
文档编号H01L21/3205GK1480997SQ0213684
公开日2004年3月10日 申请日期2002年9月6日 优先权日2002年9月6日
发明者张开军, 邓觉为, 马可 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司, 中芯国际集成电路制造(上海)有限公