專利名稱：以軟性含氮等離子體來形成超薄柵介電層的方法
技術領域：
本發明涉及一種半導體元件的制造方法，且特別是關于一種以軟性含氮等離子體來形成超薄柵介電層的方法。
在美國第5,330,920號專利揭露了一種控制柵氧化層厚度的方法，其方法為先以離子注入法將氮離子注入于基底表層中，再進行熱氧化法來在基底上形成柵氧化層。另外一篇美國第6,110,842號專利則以高密度等離子體將氮離子注入于基底的選定區域中，再進行熱氧化法以在基底上形成柵氧化層。則在注入氮離子區域的基底上所生成的柵氧化層厚度較薄，而在沒有注入氮離子區域的基底上所生成的柵氧化層厚度較厚。但是因為基底表面直接承受等離子體的轟擊，所以基底表面的結構會有損傷，而且因為等離子體到達基底表面時的動能較大，氮離子的注入深度也無法使其盡可能只氮化基底的表面，以利形成超薄柵介電層。
因此，本發明的目的是提供一種以軟性(soft)含氮等離子體來形成超薄柵介電層的方法，此種軟性含氮等離子體的產生方法包括有遠距(remote)與去耦合(decoupled)產生的方式。
本發明的另一目的是提供一種以軟性等離子體氮化法來延緩氧化基底表面速率的方法，此種軟性含氮等離子體的產生方法包括遠距與去耦合產生的方式。
根據上述目的，本發明提出一種先以軟性等離子體氮化法氮化基底的表面，再對基底進行氧化步驟。
因此先以軟性等離子體氮化法來進行預氮化步驟，在此步驟中使用軟性含氮等離子體以氮化基底的表面。此軟性含氮等離子體的等離子體密度為109-1013cm-3。然后進行熱氧化步驟，將基底的表面氧化以形成超薄的柵介電層于該基底的表面上。
上述軟性含氮等離子體的產生方法包括遠距與去耦合產生的方式。若預氮化步驟是采用遠距含氮等離子體來進行，則使用的氣體源至少包括含氮氣體，且此含氮氣體的流速約為1至100sccm。而預氮化步驟是在溫度攝氏0-650度與壓力0.001-5托下進行，反應時間約3-180秒即足夠了。
若預氮化步驟是采用去耦合含氮等離子體來進行，則所使用的氣體源至少包括含氮氣體，且此含氮氣體的流速約為1至100sccm。而預氮化步驟是在溫度攝氏0-100度與壓力0.001-0.5托下進行，反應時間約3-60秒即足夠了。
由上述可知，本發明利用軟性含氮等離子體先均勻地氮化基底表面以控制后續所形成氧化層的厚度。此方法可避免現有以離子注入法將氮離子直接注入基底時，對基底造成表面結構損傷的問題。
若使用軟性等離子體氮化法來氮化硅晶片的表層，則可在硅晶片的表層形成氮化硅或氮氧化硅的網狀鍵結(network bonding)。如此再繼續進行熱氧化步驟，便可以降低基底的氧化速率，以利控制形成超薄柵介電層。
一般來說，遠距等離子體氮化法是使用微波和含氮氣體作用來產生含有氮自由基的等離子體。然后當此等離子體經過一段傳輸路徑以使其動能降至幾乎為零時，其所含的氮自由基才與硅晶片接觸，在溫度約為攝氏0-650度與壓力約為0.001-5托下，進行氮化反應以利在晶片很淺的表層形成氮化硅或氮氧化硅。一般反應時間約為3-180秒就已經足夠了。
因為氮自由基僅靠擴散的方式和晶片產生反應，所以不會有現有因等離子體撞擊所造成的晶片表面結構受損的問題。而且因為氮自由基只靠擴散的方式和晶片產生反應，所以可以使氮離子注入的深度比一般離子注入法還要淺且均勻，此為可形成超薄柵介電層的重要因素。
而去耦合等離子體氮化法的產生等離子體方式為準遠距的方式，所以和遠距等離子體氮化法有類似的特性，亦即等離子體在和晶片反應時，其動能是幾乎為零。但是去耦合等離子體氮化法可以在更低的溫度與壓力下進行，其溫度與壓力分別約為攝氏0-100度與為0.001-0.5托。所以使用去耦合等離子體氮化法不僅可節省生產成本，也可以使氮離子注入的深度比遠距等離子體更淺，也因此更容易控制其氮離子注入的輪廓(profile)，以利在晶片更淺層形成氮化硅或氮氧化硅層。而且，去耦合等離子體氮化法所需的反應時間也比遠距等離子體氮化法更短，約3-60秒就已經足夠了，一般來說約需30秒，因此可使產量大幅提高。此外，去耦合等離子體氮化法工藝裕度也比遠距等離子體氮化法要大，可增加產品的良率。
因為去耦合等離子體氮化法是以準遠距的方式來產生含氮等離子體以與晶片產生反應，所以不會有現有因等離子體撞擊所造成的晶片表面結構受損的問題。而且去耦合等離子體氮化法可以使氮離子在晶片表面的注入深度比遠距等離子體氮化法更淺，所以可以形成更薄的柵介電層。
上述兩者可使用的含氮氣體可以為氮氣或氨氣，其流速可在1-100sccm之間。含氮氣體還可以和惰性氣體(例如氦氣或氬氣)或者含氧氣體(例如一氧化氮、一氧化二氮或氧氣)來隨意組合，作為產生等離子體的氣體源。所產生的等離子體的等離子體密度約為109-1013cm-3。
接著以熱氧化法(thermal oxidation)或原位蒸汽形成法(in-situsteamed generation；ISSG)來氧化晶片的表面，以在晶片表面上形成超薄柵介電層。
以此方法所形成的超薄柵介電層，可以將熱電子留在柵介電層中，減少金屬氧化物半晶體管因熱電子而退化(hot electron degradation)的問題。另外因為晶片表面結構沒有受到損傷，還可增加柵介電層的完整性(Integrity)，降低柵極的漏電流。另外柵介電層含有氮，所以可增加柵介電層的介電常數，減少其等效氧化層厚度(equivalent oxidethickness；EOT)，使其可被應用在線寬小于0.18微米的工藝上，甚至可被應用在0.10微米的工藝上。
雖然本發明已以一較佳實施例揭露如上，然其并非用以限定本發明，任何本領域技術人員，在不脫離本發明的精神和范圍內，當可作各種的更動與潤飾，因此本發明的保護范圍當以權利要求書并結合說明書及附圖
所界定者為準。
權利要求
1.一種以軟性含氮等離子體來形成超薄柵介電層的方法，該方法至少包括進行一預氮化步驟，使用一軟性含氮等離子體以氮化一基底的表面，該軟性含氮等離子體的等離子體密度為109-1013cm-3；以及進行一熱氧化步驟，將該基底的表面氧化以形成一柵介電層于該基底的表面上。
2.根據權利要求1所述的以軟性含氮等離子體來形成超薄柵介電層的方法，其特征在于該軟性含氮等離子體的氣體源包括一含氮氣體。
3.根據權利要求2所述的以軟性含氮等離子體來形成超薄柵介電層的方法，其特征在于該含氮氣體選自氮氣、氨氣與其任意組合所組成的族群。
4.根據權利要求2所述的以軟性含氮等離子體來形成超薄柵介電層的方法，其特征在于該含氮氣體的流量為1-100sccm。
5.根據權利要求2所述的以軟性含氮等離子體來形成超薄柵介電層的方法，其特征在于該含氮等離子體的氣體源還包括一惰性氣體。
6.根據權利要求5所述的以軟性含氮等離子體來形成超薄柵介電層的方法，其特征在于該惰性氣體選自氦氣、氬氣與其任意組合所組成的族群。
7.根據權利要求2所述的以軟性含氮等離子體來形成超薄柵介電層的方法，其特征在于該軟性含氮等離子體的氣體源還包括一含氧氣體。
8.根據權利要求7所述的以軟性含氮等離子體來形成超薄柵介電層的方法，其特征在于該含氧氣體選自NO、N2O、O2與其任意組合所組成的族群。
9.根據權利要求1所述的以軟性含氮等離子體來形成超薄柵介電層的方法，其特征在于該軟性含氮等離子體包括一遠距含氮等離子體。
10.根據權利要求9所述的以軟性含氮等離子體來形成超薄柵介電層的方法，其特征在于該預氮化步驟是在攝氏0-650度下進行。
11.根據權利要求9所述的以軟性含氮等離子體來形成超薄柵介電層的方法，其特征在于該預氮化步驟是在0.001-5托下進行。
12.根據權利要求9所述的以軟性含氮等離子體來形成超薄柵介電層的方法，其特征在于該預氮化步驟的進行時間為3-180秒。
13.根據權利要求1所述的以軟性含氮等離子體來形成超薄柵介電層的方法，其特征在于該軟性含氮等離子體包括一去耦合含氮等離子體。
14.根據權利要求13所述的以軟性含氮等離子體來形成超薄柵介電層的方法，其特征在于該預氮化步驟是在溫度攝氏0-100度下進行。
15.根據權利要求13所述的以軟性含氮等離子體來形成超薄柵介電層的方法，其特征在于該預氮化步驟是在壓力0.001-0.5托下進行。
16.根據權利要求13所述的以軟性含氮等離子體來形成超薄柵介電層的方法，其特征在于該預氮化步驟的進行時間為3-60秒。
17.一種以遠距等離子體氮化法來延緩氧化基底表面速率的方法，該方法至少包括進行一遠距等離子體氮化步驟，使用一遠距含氮等離子體以氮化一基底的表面，該遠距含氮等離子體所使用的氣體源包括一含氮氣體，且其所產生的等離子體密度為109-1013cm-3；以及進行一熱氧化步驟，將該基底的表面氧化以形成一柵介電層于該基底的表面上。
18.根據權利要求17所述的以遠距等離子體氮化法來延緩氧化基底表面速率的方法，其特征在于該預氮化步驟是在攝氏0-650度與0.001-5托下進行。
19.根據權利要求17所述的以遠距等離子體氮化法來延緩氧化基底表面速率的方法，其特征在于該預氮化步驟的進行時間為3-180秒。
20.一種以去耦合等離子體氮化法來延緩氧化基底表面速率的方法，該方法至少包括進行一去耦合等離子體氮化步驟，使用一去耦合含氮等離子體以氮化一基底的表面，該含氮等離子體所使用的氣體源包括一含氮氣體，且其所產生的等離子體密度為109-1013cm-3；以及進行一熱氧化步驟，將該基底的表面氧化以形成一柵介電層于該基底的表面上。
21.根據權利要求20所述的以去耦合等離子體氮化法來延緩氧化基底表面速率的方法，其特征在于該預氮化步驟是在溫度攝氏0-100度與壓力0.001-0.5托下進行。
22.根據權利要求20所述的以去耦合等離子體氮化法來延緩氧化基底表面速率的方法，其特征在于該預氮化步驟的進行時間為3-60秒。
全文摘要
一種以軟性含氮等離子體來形成超薄柵介電層的方法。先以軟性含氮等離子體來氮化基底的表面以進行預氮化步驟，在此步驟中使用軟性含氮等離子體以氮化基底的表面。此軟性含氮等離子體的等離子體密度約為10
文檔編號H01L21/283GK1434487SQ02102710
公開日2003年8月6日 申請日期2002年1月23日 優先權日2002年1月23日
發明者駱統, 林經祥, 黃燿林 申請人:旺宏電子股份有限公司