專利名稱：制作雙層柵極介電層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制作雙層柵極介電層的方法，特別是涉及一種制作由一二氧化硅薄膜與一富氮氮氧化硅層組成的雙層柵極介電層的方法。
背景技術(shù)：
隨著半導體技術(shù)的快速發(fā)展，半導體工藝的線寬亦不斷縮小，以現(xiàn)行技術(shù)而言，柵極寬度已進展到70nm，而柵極氧化層的厚度也縮小至1.5nm左右。而隨著柵極氧化層厚度的降低，柵極漏電流的問題也相應產(chǎn)生，因此目前利用高介電常數(shù)的氮氧化硅層取代傳統(tǒng)氧化硅作為柵極介電層的作法，由于在相同的等效氧化層厚度(EOT)下具有較厚的厚度，可避免柵極漏電流的產(chǎn)生，因此已成為目前柵極介電層技術(shù)領(lǐng)域中研發(fā)的重點。
請參考圖1至圖4，圖1至圖4為現(xiàn)有制作柵極介電層的方法示意圖。如圖1，首先提供一半導體基底10，并于半導體基底10的表面形成一二氧化硅層12。如圖2與圖3所示，接著進行一高溫等離子體氮化工藝，于高溫下通入氮氣，并利用等離子體轟擊二氧化硅層12，以形成一富氧氮氧化硅層(oxygen-rich silicon oxynitride layer)14(如圖3所示)。如圖4所示，接著于富氧氮氧化硅層14的表面形成一多晶硅層16。
上述為現(xiàn)有制作柵極介電層的方法，然而現(xiàn)有技術(shù)具有如下的缺點。首先，高溫等離子體氮化工藝會造成半導體基底10表面受損，并導致氮原子擴散至半導體基底10與富氧氮氧化硅層14的接口，進而使元件效能(performance)與可靠度(reliability)下降。其次，富氧氮氧化硅層14與半導體基底10的界面雖較氮化硅層與半導體基底10的界面略佳，但卻無法與二氧化硅層與半導體基底10的良好接口相比，同時由于富氧氮氧化硅層14的氧含量較高，故實質(zhì)上富氧氮氧化硅層14的介電常數(shù)并不高，因此在相同的等效氧化層厚度的情況下，富氧氮氧化硅層14的實際厚度并不足以有效抑制柵極漏電流的產(chǎn)生。
有鑒于此，本發(fā)明提出制作雙層柵極介電層的方法，以改善現(xiàn)有技術(shù)的缺點。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種制作雙層柵極介電層的方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)無法解決的難題。
根據(jù)本發(fā)明的一優(yōu)選實施例，揭示一種制作雙層柵極介電層的方法。首先，提供一半導體基底，并于半導體基底上形成一二氧化硅薄膜(silicondioxide thin film)。接著于該二氧化硅薄膜上形成一非晶硅薄膜(amorphoussilicon thin film)，并進行一低溫等離子體氮化工藝(plasma nitridationprocess)，以使非晶硅薄膜形成一含氮非晶硅薄膜(nitrogen-containedamorphous silicon thin film)。最后再進行一氧氣退火工藝(oxygen annealingprocess)，以使氧氣與含氮非晶硅薄膜反應而形成一富氮氮氧化硅層(nitrogen-rich silicon oxynitride layer)。其中該二氧化硅薄膜與該富氮氮氧化硅層即構(gòu)成該雙層柵極介電層。
由上述可知，本發(fā)明制作雙層柵極介電層的方法先于半導體基底的表面形成一二氧化硅薄膜，以維持二氧化硅薄膜與半導體基底的接口良好。接著于二氧化硅薄膜的表面形成一非晶硅薄膜，藉以達到保護二氧化硅薄膜與半導體基底的接口與避免氮原子于后續(xù)工藝中擴散的功能。接著依序進行一低溫等離子體氮化工藝與一氧氣退火工藝，以形成一富氮氮氧化硅層。其中相較于富氧氮氧化硅，富氮氮氧化硅具有較高的介電常數(shù)，因此可使富氮氮氧化硅層于較厚的實際厚度下形成較薄的等效氧化層厚度，藉此抑制柵極漏電流，并容許元件具有較高的啟始電壓。
為了使貴審查員能更近一步了解本發(fā)明的特征及技術(shù)內(nèi)容，請參閱以下有關(guān)本發(fā)明的詳細說明與附圖。然而所附圖式僅供參考與輔助說明用，并非用來對本發(fā)明加以限制者。


圖1至圖4為現(xiàn)有制作雙層柵極介電層的方法示意圖。
圖5至圖10為本發(fā)明的一優(yōu)選實施例制作雙層柵極介電層的方法示意圖。
簡單符號說明
10半導體基底12氧化硅層14富氧氮氧化硅層16多晶硅層50半導體基底52二氧化硅薄膜54非晶硅薄膜56含氮非晶硅薄膜58富氮氮氧化硅層60雙重柵極介電層62柵極具體實施方式
請參考圖5至圖10。圖5至圖10為本發(fā)明的一優(yōu)選實施例制作雙層柵極介電層的方法示意圖。如圖5所示，首先提供一半導體基底50，例如一硅基底，并于半導體基底50的表面形成一二氧化硅薄膜52，其中于本實施例中二氧化硅薄膜52利用化學氣相沉積工藝，二氧化硅薄膜的厚度介于5-80埃(angstrom)之間，同時化學氣相沉積工藝的工藝溫度維持于400℃以下，以維持二氧化硅薄膜52與半導體基底50的接口良好。然而，二氧化硅薄膜52的形成方式并不限于此，而可視效果利用其它方式，如熱氧化工藝形成。
如圖6所示，接著于二氧化硅薄膜52的表面形成一非晶硅薄膜54，其中于本實施例中非晶硅薄膜54的厚度小于10埃，同時形成非晶硅薄膜54的目的主要有二。首先，非晶硅薄膜54可避免二氧化硅薄膜52與半導體基底50的界面于后續(xù)等離子體氮化工藝中受損。其次，非晶硅薄膜54可使氮原子維持于后續(xù)形成的含氮非晶硅薄膜(圖未示)的上半部，因而有效阻止氮原子于擴散至二氧化硅薄膜52與半導體基底50的界面。
如圖7所示，隨后進行一氮化工藝，例如一低溫等離子體氮化工藝，于低溫下通入氮氣，并利用等離子體轟擊非晶硅薄膜54以使非晶硅薄膜54形成一含氮非晶硅薄膜(nitrogen-contained amorphous silicon thin film)56。其中于本實施例中低溫等離子體氮化工藝的工藝溫度維持于400℃以下，藉以避免二氧化硅薄膜52與半導體基底50的接口受損，并同時使氮原子保持于含氮非晶硅薄膜56的上半部，以避免氮原子向下擴散至二氧化硅薄膜52與半導體基底50的界面。
如圖8與圖9所示，接著進行一氧化工藝，例如一氧氣退火工藝(oxygenannealing process)，以使氧氣與含氮非晶硅薄膜56反應而形成一富氮氮氧化硅層(nitrogen-rich silicon oxynitride layer)58，其中富氮氮氧化硅層58與二氧化硅薄膜52即構(gòu)成本發(fā)明的雙重柵極介電層60。由于富氮氮氧化硅具有較高的介電常數(shù)，在相同的等效氧化層厚度的情況下，富氮氮氧化硅層58的實際厚度較厚，因此可有效抑制柵極漏電流的問題，進而容許元件具有較高的啟始電壓。另外值得注意的是若二氧化硅薄膜52與半導體基底50的界面于低溫等離子體氮化工藝中受損，則氧氣退火工藝亦具有修補二氧化硅薄膜52與半導體基底50的界面的功效。
如圖10所示，最后于富氮氮氧化硅層58的表面形成一柵極62，例如一多晶硅柵極，即完成雙層柵極介電層與柵極結(jié)構(gòu)的制作。
由上述可知，本發(fā)明制作雙層柵極介電層的方法先于半導體基底50的表面形成一二氧化硅薄膜52，以維持二氧化硅薄膜52與半導體基底50的接口良好。接著于二氧化硅薄膜52的表面形成一非晶硅薄膜54，藉以達到保護二氧化硅薄膜52與半導體基底50的接口與避免氮原子于后續(xù)工藝中擴散的功能。接著依序進行一低溫等離子體氮化工藝與一氧氣退火工藝，以形成一富氮氮氧化硅層58。由于富氮氮氧化硅具有較高的介電常數(shù)，因此可使本發(fā)明的雙重柵極介電層60(包括二氧化硅薄膜52與富氮氮氧化硅層58)于較厚的實際厚度下形成較薄的等效氧化層厚度，藉此抑制柵極漏電流，并容許元件具有較高的啟始電壓。
相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的方法可確保半導體基底與二氧化硅薄膜具有良好的接口、避免氮原子的擴散，并使雙層柵極介電層具有較高的介電常數(shù)等優(yōu)點。
以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，凡依本發(fā)明權(quán)利要求所做的均等變化與修飾，皆應屬本發(fā)明的涵蓋范圍。
權(quán)利要求
1.一種制作雙層柵極介電層的方法，包括提供一半導體基底；于該半導體基底上形成一二氧化硅薄膜；于該二氧化硅薄膜上形成一非晶硅薄膜；進行一低溫等離子體氮化工藝，以使該非晶硅薄膜形成一含氮非晶硅薄膜；以及進行一氧氣退火工藝，以使氧氣與該含氮非晶硅薄膜反應而形成一富氮氮氧化硅層；其中該二氧化硅薄膜與該富氮氮氧化硅層構(gòu)成該雙層柵極介電層。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括于形成該富氮氮氧化硅層后，于該該富氮氮氧化硅層上形成一柵極的步驟。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該二氧化硅薄膜利用化學氣相沉積工藝形成。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該二氧化硅薄膜利用一熱氧化工藝形成。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該二氧化硅薄膜的厚度介于5-80埃。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該非晶硅薄膜利用一化學氣相沉積工藝形成。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中該化學氣相沉積工藝的工藝溫度低于400℃。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該非晶硅薄膜的厚度小于10埃。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該低溫等離子體氮化工藝的工藝溫度低于400℃。
10.一種制作雙層柵極介電層的方法，包括提供一半導體基底；于該半導體基底上形成一二氧化硅薄膜；于該二氧化硅薄膜上形成一非晶硅薄膜；進行一氮化工藝，以使該非晶硅薄膜形成一含氮非晶硅薄膜；以及進行一氧化工藝，利用氧氣與該含氮非晶硅薄膜反應而形成一富氮氮氧化硅層；其中該二氧化硅薄膜與該富氮氮氧化硅層構(gòu)成該雙層柵極介電層。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，還包括于形成該富氮氮氧化硅層后，于該該富氮氮氧化硅層上形成一柵極的步驟。
12.如權(quán)利要求10所述的方法，其中該二氧化硅薄膜利用化學氣相沉積工藝形成。
13.如權(quán)利要求10所述的方法，其中該二氧化硅薄膜利用一熱氧化工藝形成。
14.如權(quán)利要求10所述的方法，其中該二氧化硅薄膜的厚度介于5-80埃。
15.如權(quán)利要求10所述的方法，其中該非晶硅薄膜利用一化學氣相沉積工藝形成。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中該化學氣相沉積工藝的工藝溫度低于400℃。
17.如權(quán)利要求10所述的方法，其中該非晶硅薄膜的厚度小于10埃。
18.如權(quán)利要求10所述的方法，其中該氮化工藝為一低溫等離子體氮化工藝，且該低溫等離子體氮化工藝的工藝溫度低于400℃。
19.如權(quán)利要求10所述的方法，其中該氧化工藝為一氧氣退火工藝。
全文摘要
一種制作雙層柵極介電層的方法。首先，提供一半導體基底，并于半導體基底上形成一二氧化硅薄膜。接著于該二氧化硅薄膜上形成一非晶硅薄膜，并進行一低溫等離子體氮化工藝，以使非晶硅薄膜形成一含氮非晶硅薄膜。最后再進行一氧氣退火工藝，以使氧氣與含氮非晶硅薄膜反應而形成一富氮氮氧化硅層。
文檔編號H01L21/336GK1825547SQ200510050939
公開日2006年8月30日 申請日期2005年2月24日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月24日
發(fā)明者鄭博倫, 程立偉 申請人:聯(lián)華電子股份有限公司