专利名称：介电层的制造方法
技术领域：
本发明涉及半导体元件的膜层的制造方法，尤其涉及一种介电层(dielectric layer)的制造方法。
背景技术：
当半导体集成电路元件所要求的集成度越来越大时，使得具有高介电常数以及很低漏电流的超薄栅介电层的需求也越来越高。当金属氧化物半导体晶体管(metal oxide semiconductor；MOS)的尺寸小于100nm时，需要介电常数大于7的介电层，介电常数较高的材料可以提高绝缘效能。然而，金属氧化物半导体晶体管的栅介电层是以氧化硅制成，而氧化硅的介电常数只有3.9左右，所以不再适用于尺寸越来越小的金属氧化物半导体的介电层。因此，现有技术常利用氮化工艺对氧化硅介电层进行掺杂，以提高介电常数。
常见的氮化工艺包括热氮化工艺以及等离子体氮化工艺。热氮化法是利用快速热氮化法(rapid thermal nitridation)将氮原子掺杂入介电层。但是，在进行热氮化法之后，氮掺杂剂在介电层中会出现分布不均匀的情况。
另外一种氮化工艺是使用等离子体氮化法。等离子体氮化法是利用离子轰击(ion bombardment)的方法，将氮原子掺杂入介电层。然而，使用等离子体氮化法除了会使介电层中的氮掺杂剂分布不均匀，还会破坏介电层的表面，而产生直接隧穿电流(direct-tunneling current)的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种介电层的制造方法，可使得氮掺杂剂在介电层中均匀分布。
本发明的再一目的是提供一种半导体晶体管的制造方法，以修补等离子体氮化工艺中等离子体对介电层表面所造成的破坏。
本发明提供一种介电层的制造方法，此方法是提供衬底，并于衬底上形成介电层。然后，对介电层进行氮化工艺。然后，对介电层进行第一退火工艺，第一退火工艺所使用的气体例如是合有不活泼气体与氧气的第一气体，其中第一气体的不活泼气体对氧气具有第一分压比。之后，对介电层进行第二退火工艺，第二退火工艺所使用的气体例如是含有不活泼气体与氧气的第二气体，其中第二气体的不活泼气体对氧气具有第二气体分压比，且第二气体分压比小于第一气体分压比。
依照本发明的一优选实施例所述，在上述的介电层的制造方法中，不活泼气体例如是氮气或惰性气体。
依照本发明的一优选实施例所述，在上述的介电层的制造方法中，惰性气体例如是氦气、氖气、氩气、氪气、氙气或氡气。
依照本发明的一优选实施例所述，上述的介电层的制造方法中，氮化工艺例如是热氮化工艺或等离子体氮化工艺。
依照本发明的一优选实施例所述，上述的介电层的制造方法中，氮化工艺所使用的气体例如是含氮气体。
依照本发明的一优选实施例所述，上述的介电层的制造方法中，含氮气体例如是氮气、一氧化氮、一氧化二氮。
依照本发明的一优选实施例所述，上述的介电层的制造方法中，第一退火工艺与第二退火工艺至少其中之一是在950℃以上的温度下进行。
依照本发明的一优选实施例所述，上述的介电层的制造方法中，介电层的制造方法例如是热氧化法。
依照本发明的一优选实施例所述，上述的介电层的制造方法中，介电层例如是栅介电层。
依照本发明的一优选实施例所述，上述的介电层的制造方法中，介电层的材质例如是氧化硅。
本发明提供一种介电层的制造方法，此方法是提供衬底，并于衬底上形成介电层。然后，对介电层进行氮化工艺。然后，对介电层进行第一退火工艺，第一退火工艺所使用的气体例如是含有不活泼气体与氧气的第一气体，其中第一气体的不活泼气体对氧气具有第一分压比。而后，对介电层进行第二退火工艺，第二退火工艺所使用的气体例如是含有不活泼气体与氧气的第二气体，其中第二气体的不活泼气体对氧气具有第二气体分压比，且第二气体分压比小于第一气体分压比。之后，对介电层进行第三退火工艺，第三退火工艺所使用的气体例如是含有不活泼气体与氧气的第三气体，其中第三气体的不活泼气体对氧气具有第三分压比，且第三气体分压比大于第二气体分压比。
依照本发明的一优选实施例所述，上述的介电层的制造方法中，不活泼气体例如是氮气或惰性气体。
依照本发明的一优选实施例所述，上述的介电层的制造方法中，氮化工艺例如是热氮化工艺或等离子体氮化工艺。
依照本发明的一优选实施例所述，上述的介电层的制造方法中，氮化工艺所使用的气体例如是含氮气体。
依照本发明的一优选实施例所述，上述的介电层的制造方法中，第一退火工艺、第二退火工艺与第三退火工艺至少其中之一是在950℃以上的温度下进行。
依照本发明的一优选实施例所述，上述的介电层的制造方法中，介电层例如是栅介电层。
本发明提供一种介电层的制造方法，此方法是提供衬底，并于衬底上形成介电层。然后，对介电层进行氮化工艺。然后，对介电层进行第一退火工艺，第一退火工艺所使用的气体例如是不活泼气体。而后，对介电层进行第二退火工艺，第二退火工艺所使用的气体例如是含有不活泼气体与氧气的混合气体。
依照本发明的一优选实施例所述，上述的介电层的制造方法中，介电层进行第二退火工艺之后，还包括对介电层进行第三退火工艺，所使用的气体例如是不活泼气体。
依照本发明的一优选实施例所述，上述的介电层的制造方法中，第一退火工艺、第二退火工艺与第三退火工艺至少其中之一是在950℃以上的温度下进行。
依照本发明的一优选实施例所述，上述的介电层的制造方法中，第一退火工艺与第二退火工艺至少其中之一是在950℃以上的温度下进行。
依照本发明的一优选实施例所述，上述的介电层的制造方法中，不活泼气体例如是氮气或惰性气体。
依照本发明的一优选实施例所述，上述的介电层的制造方法中，介电层例如是栅介电层。
由于本发明因在对介电层进行一个氮化工艺后，对介电层进行至少二次的退火工艺，藉由改变退火工艺中不活泼气体对氧气的气体分压，使介电层中的氮掺杂剂分布均匀。
此外，由于在这些退火工艺中至少有一次是在950℃以上的温度环境下进行，可以修复在等离子体氮化工艺中被等离子体所破坏的介电层表面。
另一方面，当本发明所形成的介电层为栅介电层时，可以提升金属氧化物半导体晶体管的电性表现，包括改善等效氧化层厚度(equivalent oxidethickness，EOT)以及起始电压等。
另外，本发明此方法可扩大应用于90/65nm线宽的工艺中，可以提升沉积介电层与等离子体氮化工艺的能力，且因为本发明实施容易，可以与现有工艺整合而进行大量制造。
为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举优选实施例，并配合附图，作详细说明如下。
图1所绘示为本发明的一优选实施例的介电层的制造流程图；图2所绘为本发明的一优选实施例的介电层的制造流程剖面图；图3A到3B所绘示为本发明的一优选实施例的金属氧化物半导体晶体管的制造流程剖面图。
主要元件符号说明100衬底110介电层200衬底210栅介电层220栅极222源极/漏极延伸区230间隙壁240源极/漏极区S100、S110、S120、S130、S140、S150步骤标号
具体实施例方式
本发明是在对介电层进行氮化工艺后，接着对介电层进行二次以上的退火工艺，在这些退火工艺中不活泼气体对氧气的气体分压满足下列条件的情况下，可使得氮掺杂剂在介电层中平均分布。
在进行二次退火工艺的情况下，第一次退火工艺中不活泼气体对氧气的第一气体分压比(不活泼气体/氧气)1大于第二次退火工艺中不活泼气体对氧气的第二气体分压比(不活泼气体/氧气)2，如下式所示。
(不活泼气体/氧气)1＞(不活泼气体/氧气)2在进行三次退火工艺的情况下，第一次退火工艺中不活泼气体对氧气的第一气体分压比(不活泼气体/氧气)1大于第二次退火工艺中不活泼气体对氧气的第二气体分压比(不活泼气体/氧气)2，且第二气体分压比(不活泼气体/氧气)2小于第三次退火工艺中不活泼气体对氧气的第三气体分压比(不活泼气体/氧气)3，且如下式所示。
(不活泼气体/氧气)1＞(不活泼气体/氧气)2；且(不活泼气体/氧气)2＜(不活泼气体/氧气)3在上述数学式中，还包括在第一次退火工艺与第三次退火工艺中只单纯使用不活泼气体的极端例子，也就是(不活泼气体/氧气)1与(不活泼气体/氧气)3的比值为无限大。
以下，将以实施例详述本发明的介电层的制造方法。
图1所绘示为本发明的一优选实施例的介电层的制造流程图。图2所绘为本发明的一优选实施例的介电层的制造流程剖面图。
请同时参照图1与图2，首先提供衬底100(步骤标号S100)。衬底100例如是硅衬底(silicon substrate)，优选的是经掺杂的单晶硅衬底(dopedmonocrystalline silicon substrate)。
然后，在衬底100上形成介电层110(步骤标号S110)。介电层110例如是栅介电层。介电层110的材质例如是氧化硅。介电层110的形成方法例如是热氧化法或化学气相沉积法。
然后，对介电层110进行一氮化工艺(步骤标号S120)。所进行的氮化工艺例如是热氮化工艺或等离子体氮化工艺。氮化工艺中所使用的气体例如是含氮气体，含氮气体例如是氮气、一氧化氮或一氧化二氮。
之后，对介电层110进行一第一退火工艺(步骤标号S130)。第一退火工艺S130中所使用的气体例如是含有不活泼气体与氧气的第一气体。不活泼气体例如是氮气或惰性气体，而惰性气体可为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气或氡气。第一气体的不活泼气体对氧气具有第一分压比，此第一分压比例如是9∶1。
接着，对介电层110进行一第二退火工艺(步骤标号S140)。第二退火工艺中所使用的气体例如是含有不活泼气体与氧气的第二气体。不活泼气体例如是氮气或惰性气体，而惰性气体可为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气或氡气。第二气体的不活泼气体对氧气具有第二气体分压比，且第二气体分压比小于第一气体分压比，此第二气体分压比例如是9∶2。
此外，还可对介电层110进行一第三退火工艺(步骤标号S150)。第三退火工艺中所使用的气体例如是含有不活泼气体与氧气的第三气体。不活泼气体例如是氮气或惰性气体，而惰性气体可为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气或氡气。第三气体的不活泼气体对氧气具有第三分压比，且第三气体分压比大于第二气体分压比，此第三气体分压比例如是9∶1。
另外，若进行二次退火工艺，则二次退火工艺中至少一次是在950℃以上的温度环境下进行。若进行三次退火工艺，则三次退火工艺中至少一次是在950℃以上的温度环境下进行。
在另一实施例中，在对介电层110进行第一退火工艺(步骤标号130)的步骤中，所使用的第一气体例如是氮气或惰性气体的不活泼气体。在对介电层进行第二退火工艺(步骤标号140)的步骤中，所使用的气体例如是不活泼气体与氧气的混合气体。第二气体分压比例如是9∶1。同样地，在对介电层110进行第三退火工艺(步骤标号150)的步骤中，所使用的气体例如是氮气或惰性气体等不活泼气体。
由于本发明是利用对介电层110进行二次以上的退火工艺，藉由改变不活泼气体对氧气的分压比，使介电层110中的氮掺杂剂均匀地进行分布，为一种低成本且便利的处理方式。此外，在进行这些退火工艺时，至少一次退火工艺的环境温度在950℃以上，可以修复等离子体对介电层110表面所造成的损坏。
图3A到3B所绘示为本发明的一优选实施例的金属氧化物半导体晶体管的制造流程剖面图。
请先参照图3A，首先提供衬底200，衬底200例如是硅衬底(siliconsubstrate)，优选的是经掺杂的单晶硅衬底(doped monocrystalline siliconsubstrate)。
接着，在衬底200上形成栅介电层210。栅介电层210的材质例如是氧化硅。栅介电层210的形成方法例如是热氧化法。
然后，对介电层210进行一氮化工艺。所进行的氮化工艺例如是等离子体氮化工艺。等离子体氮化工艺中所使用的气体例如是含氮气体，含氮气体例如是氮气、一氧化氮或一氧化二氮。
之后，对介电层210进行一第一退火工艺。第一退火工艺中所使用的气体例如是含有不活泼气体与氧气的第一气体。不活泼气体例如是氮气或惰性气体，而惰性气体可为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气或氡气。第一气体的不活泼气体对氧气具有第一分压比，此第一分压比例如是9∶1。
接着，对介电层210进行一第二退火工艺。第二退火工艺中所使用的气体例如是含有不活泼气体与氧气的第二气体。不活泼气体例如是氮气或惰性气体，而惰性气体可为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气或氡气。第二气体的不活泼气体对氧气具有第二气体分压比，且第二气体分压比小于第一气体分压比，此第二气体分压比例如是9∶2。
此外，二次退火工艺的温度至少其中之一是在950℃以上的温度环境下进行。
上述的步骤中，本领域技术人员可视工艺状况调整上述方法，例如是改变所使用的气体或退火次数，于此不再赘述。
之后，在栅介电层210上形成栅极220。其中，栅极220的材料例如是掺杂多晶硅。栅极220的形成方法例如是先以原位掺杂的方式进行一化学气相沉积工艺，以形成一层掺杂多晶硅材料层(未绘示)，再对掺杂多晶硅材料图案化后而形成的。在形成栅极220的蚀刻工艺中，可一并将栅介电层210图案化，而留下栅极220底下的栅介电层210，并使衬底200表面暴露出来。
然后，请参照图3B，在栅极220两侧的衬底200中形成源极/漏极延伸区222。源极/漏极延伸区222的形成方法例如是以栅极220为掩模，进行一离子注入工艺而形成的。
接下来，于栅极220的侧壁形成间隙壁230。间隙壁230的材料例如是氮化硅。间隙壁的形成方法例如是先在衬底200上形成一层氮化硅材料层(未绘示)，再对氮化硅材料层进行一回蚀刻工艺而形成的。
接下来，在栅极220两侧的衬底200中形成源极/漏极区240。源极/漏极区240的形成方式例如是以间隙壁230以及栅极220为掩模，对衬底200进行一离子注入工艺而形成的。
由于本发明方法所制作出的栅介电层210具有较高的介电常数，可以提升金属氧化物半导体晶体管的电性表现，包括改善等效氧化层厚度以及起始电压等。
另外，本发明此方法可扩大应用于90/65nm线宽工艺中，可以提升沉积介电层与等离子体氮化工艺的能力，且因为本发明实施容易，可以与现有工艺整合而进行大量制造。
综上所述，本发明至少具有下列优点1.本发明利用氮化工艺，提高氧化硅的介电系数，以提高介电层的绝缘效能。
2.本发明在对介电层进行一氮化工艺后，对介电层进行至少二次的退火工艺，藉由改变退火工艺中不活泼气体对氧气的气体分压，使介电层中的氮掺杂剂分布均匀。
3.退火工艺中至少有一次是在950℃以上的温度环境下进行，可以修复在等离子体氮化工艺中被等离子体所破坏的介电层表面。
4.当本发明所形成的介电层为栅介电层时，可以提升金属氧化物半导体晶体管的电性表现，包括改善等效氧化层厚度以及起始电压等。
5.本发明方法可扩大应用于90/65nm线宽工艺中，可以提升沉积介电层与等离子体氮化工艺的能力，且因为本发明实施容易，可以与现有工艺整合而进行大量制造。
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，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
权利要求
1.一种介电层的制造方法，包括提供一衬底；于该衬底上形成一介电层；对该介电层进行一氮化工艺；对该介电层进行一第一退火工艺，所使用的气体为含有一不活泼气体与氧气的一第一气体，该第一气体的该不活泼气体对氧气具有一第一分压比；以及对该介电层进行一第二退火工艺，所使用的气体为含有该不活泼气体与氧气的一第二气体，该第二气体的该不活泼气体对氧气具有一第二气体分压比，且该第二气体分压比小于该第一气体分压比。
2.如权利要求1所述的介电层的制造方法，其中该不活泼气体为氮气或一惰性气体。
3.如权利要求2所述的介电层的制造方法，其中该惰性气体为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气或氡气。
4.如权利要求1所述的介电层的制造方法，其中该氮化工艺为一热氮化工艺或一等离子体氮化工艺。
5.如权利要求1所述的介电层的制造方法，其中该氮化工艺所使用的气体包括一含氮气体。
6.如权利要求5所述的介电层的制造方法，其中该含氮气体为氮气、一氧化氮或一氧化二氮。
7.如权利要求1所述的介电层的制造方法，其中该第一退火工艺与该第二退火工艺至少其中之一是在950℃以上的温度下进行。
8.如权利要求1所述的介电层的制造方法，其中该介电层的制造方法包括热氧化法。
9.如权利要求1所述的介电层的制造方法，其中该介电层包括栅介电层。
10.如权利要求1所述的介电层的制造方法，其中该介电层的材质包括氧化硅。
11.一种介电层的制造方法，包括提供一衬底；于该衬底上形成一介电层；对该介电层进行一氮化工艺；对该介电层进行一第一退火工艺，所使用的气体为含有一不活泼气体与氧气的一第一气体，该第一气体的该不活泼气体对氧气具有一第一分压比；对该介电层进行一第二退火工艺，所使用的气体为含有该不活泼气体与氧气的一第二气体，该第二气体的该不活泼气体对氧气具有一第二气体分压比，且该第二气体分压比小于该第一气体分压比；以及对该介电层进行一第三退火工艺，所使用的气体为含有该不活泼气体与氧气的一第三气体，该第三气体的该不活泼气体对氧气具有一第三分压比，且该第三气体分压比大于该第二气体分压比。
12.如权利要求11所述的介电层的制造方法，其中该不活泼气体为氮气或一惰性气体。
13.如权利要求11所述的介电层的制造方法，其中该氮化工艺为一热氮化工艺或一等离子体氮化工艺。
14.如权利要求11所述的介电层的制造方法，其中该氮化工艺所使用的气体为一含氮气体。
15.如权利要求11所述的介电层的制造方法，其中该第一退火工艺、该第二退火工艺与该第三退火工艺至少其中之一是在950℃以上的温度下进行。
16.如权利要求11所述的介电层的制造方法，其中该介电层包括栅介电层。
17.一种介电层的制造方法，包括提供一衬底；于该衬底上形成一介电层；对该介电层进行一氮化工艺；对该介电层进行一第一退火工艺，所使用的气体为一不活泼气体；以及对该介电层进行一第二退火工艺，所使用的气体为含有该不活泼气体与氧气的一混合气体。
18.如权利要求17所述的介电层的制造方法，在对该介电层进行一第二退火工艺之后，还包括对该介电层进行一第三退火工艺，所使用的气体为该不活泼气体。
19.如权利要求18所述的介电层的制造方法，其中该第一退火工艺、该第二退火工艺与该第三退火工艺至少其中之一是在950℃以上的温度下进行。
20.如权利要求17所述的介电层的制造方法，其中该第一退火工艺与该第二退火工艺至少其中之一是在950℃以上的温度下进行。
21.如权利要求17所述的介电层的制造方法，其中该不活泼气体为氮气或一惰性气体。
22.如权利要求17所述的介电层的制造方法，其中该介电层包括栅介电层。
全文摘要
一种介电层的制造方法，首先提供一衬底，并于衬底上形成介电层。然后，对介电层进行氮化工艺。然后，对介电层进行第一退火工艺，第一退火工艺所使用的气体为含有不活泼气体与氧气的第一气体，其中第一气体的不活泼气体对氧气具有第一分压比。之后，对介电层进行第二退火工艺，第二退火工艺所使用的气体为含有不活泼气体与氧气的第二气体，其中第二气体的不活泼气体对氧气具有第二气体分压比，且第二气体分压比小于第一气体分压比。此外，二次退火工艺中至少有一次温度要在950℃以上。此发明方法可使介电层中的氮掺杂剂分布均匀。
文档编号H01L21/3115GK1953144SQ20051011813
公开日2007年4月25日 申请日期2005年10月20日 优先权日2005年10月20日
发明者王俞仁, 颜英伟, 龙健华, 詹书俨, 黄国泰 申请人:联华电子股份有限公司