专利名称：具有多层高介电常数薄膜的介电层的制造方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体制程，特别是涉及一种具有多层高介电常数薄 膜的介电层的制造方法。
背景技术：
在具有高介电常数的介电层中掺杂氮离子可以预防高介电常数介电层
结晶、减少等效氧化层(equivalent oxide thickness; EOT)的厚度以及有 效地防止硼离子穿透等功效。如此，可提高半导体元件的操作性能。
现有对高介电常数介电层掺杂氮离子的方法不是热氮化法就是等离子 体氮化法。热氮化法常发生的问题为在高介电常数介电层与基底间的介面 常会掺杂过量的氮离子。而等离子体氮化法常会发生的问题为高介电常数 介电层常会被等离子体损伤其结构，并造成太多的未反应键结。
发明内容
本发明的目的在于，克服现有技术存在的缺陷，而提供一种新的具有 多层高介电常数薄膜的介电层的制造方法，所要解决的技术问题是使高介 电常数薄膜的氮掺杂量分布容易控制并减少等离子体对高介电常数薄膜的 损伤，非常适于实用。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据 本发明提出的具有多层高介电常数薄膜的介电层的制造方法，该方法包 括(a)形成一高介电常数薄膜于一基底上；(b)以等离子体氮化该高介电 常数薄膜；(c)重复步骤(a),形成另一高介电常数薄膜于先前形成的该高 介电常数薄膜上；(d)重复步骤(b),氮化最后形成的高介电常数薄膜。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
前述的制造方法，其中所述的高介电常数薄膜的材料为硅酸或稀土金 属的氣化物。
前述的制造方法，其中所述的高介电常数薄膜具有不等或相等的厚度，厚 度约为0. 5 - 2. 0 nm。
前述的制造方法，其中所述的基底的温度维持在约60 。C至约300 nC。 前述的制造方法，其中所述的等离子体的射频功率约为200 - 2000瓦。
前述的制造方法，其中所述的等离子体的操作模式为连续模式或脉冲
模式。
前述的制造方法，其中所述的步骤(b)与该步骤(d)是在压力约为1 mTorr至1 Torr之下进行的。
前述的制造方法，介于该步骤(b)与该步骤(c)之间，更包括一步骤(e) 来回火该高介电常数薄膜。
前述的制造方法，其中所述的步骤(e)的回火温度约为600 - ] 200 °C。
前述的制造方法，在步骤(d)之后更包括一步骤(f)，重复执行该步.骤 (e)来回火最后形成的该高介电常数薄膜。
前述的制造方法，其中所述的步骤(f)的回火温度约为600 - 12G(TC。
借由上述技术方案，本发明具有多层高介电常数薄膜的介电层的制造 方法至少具有下列优点及有益效果
由于这些高介电常数薄膜是逐层形成逐层氮化的，可使用低功率等离 子体来氮化这些高介电常数薄膜以减—少等离子体对高介电常数薄膜的损 伤，而且可以轻易地逐层控制氮掺杂浓度的分布情况。此外，可以选择性 地让这些高介电常数薄膜进行回火制程以减少未反应的键结数目。如此，可 以建立起较高的硼离子的扩散障碍。由这些高介电常数薄膜所构成的介电 层，可让半导体元件的操作性能大幅提升。
综上所述，本发明以逐层氮化以及逐层回火的方式，将氮离子掺杂至 多层高介电常数薄膜之中。本发明具有上述诸多优点及实用价值，其不论 在制造方法或功能上皆有较大的改进，在技术上有显著的进步，并产生了 好用及实用的效果，且较现有技术具有增进的突出功效，从而更加适于实 用，并具有产业的广泛利用价值，诚为一新颖、进步、实用的新设计。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的 技术手段，而可依照i^L明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和 其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附 图，详细i兌明如下。
为让本发明的上述和其他目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，所 附图式的详细"i兌明如下
图1A -图1C绘示依照本发明一实施例的一种具有多层高介电常数薄 膜的介电层的制造流程剖面结构示意图。
图2绘示依照本发明一实施例的一种具有多层高介电常数薄膜的介电 层的制造流程图。
100:基底
110:第一层高介电常数薄膜
120:第二层高介电常数薄膜 190:第n层高介电常数薄膜
200、 210、 220、 230、 240、 250、 270、 280、 290:步骤'
具体实施例方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功 效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的具有多层高介电常数 薄膜的介电层的制造方法其具体实施方式
、制造方法、步骤、特征及其功
岁丈，"^细i兌明3口后。
请同时参照图1A - 1C与图2。其中，图1A -图IC绘示依照本发明 一实施例的一种具有多层高介电常数薄膜的介电层的制造流程剖面结构示 意图；图2绘示依照本发明一实施例的一种具有多层高介电常数薄膜的介 电层的制造流程图。
在图1A与图2中，执行步骤200以在基底100上形成第一层高介电常 数薄膜IIO。接着，执行步骤210,以低功率等离子体氮化第一层高介电常 数薄膜110。再来，选择性地执行步骤220来回火第一层高介电常数薄膜 110。
在图1B与图2中，执行步骤230以在第一层高介电常数薄膜11Q上形 成第二层高介电常数薄膜120。接着，执行步骤240，以低功率等离子体氮 化第二层高介电常数薄膜120。再来，选择性地执行步骤250来回火第二层 高介电常数薄膜120。
可依照需求与设计，重复执行上述的高介电常数薄膜的形成步骤、等 离子体氮化步骤以及选择性的回火步骤数次。
最后，在图1C与图2中，执行步骤270，形成第n层高介电常数薄膜 190。接着，执行步骤280，以低功率等离子体氮化第n层高介电常数薄膜 190。再来，选择性地执行步骤290来回火第n层高介电常数薄膜120。所 得的第一层高介电常数薄膜110、第二层高介电常数薄膜120……以及第n 层高介电常数薄膜190—起组成所需的高介电常数介电层。
上述的每一层高介电常数薄膜(IIO、 120........ 190)的厚度不一定相
同，约为O. 5 - 2. Onm。这些高介电常数薄膜(110、 120........ 190)的材
质例如可为硅酸材料或稀土金属的氧化物，如HfSiO" Hf02、 Ta205、 Zr02、 HfZrOx、 HfLaOx、 HfDyOx、 HfScOx。
上述的基底100会维持在一个较高的温度，以利等离子体氮化制程的 进行。依据本发明一实施例，基底100的温度大约高于60 °C,例如温度维 持约为60 - 300 。C。
在氮化这些高介电常数薄膜(IIO、 120........ 190)的反应室中，其内
部压力约为1毫托(mTorr)至l托(Torr)。依照操作模式的不同，低功率 等离子体的射频(Radio Frequency; RF)功率约为200 - 2000瓦。例如可
以连续模式或脉冲模式来使用低功率等离子体。
这些高介电常数薄膜(110、 120........ 190)是在稀释氧气(氧气浓度
少于约2%)或钝气(如氮气)的环境下进行回火的。依照所使用的回火方法不 同，回火的温度约为600 - 1200 °C，回火时间持续约为10—3秒至1小时。例 如，若^f吏用快速热回火法(rapid thermal annealing)时，回火温度约为600 - 1050 °C，持续约O. 1 - IOO秒。若使用快闪回火法(flash annealing) 时，回火温度约为800 - 1200 °C,持续约O.l - 1秒。若使用炉管回火 时，回火温度约为600 - 500 °C,持续约5分钟至1小时。
由于这些高介电常数薄膜是逐层形成逐层氮化的，可使用低功率等离 子体来氮化这些高介电常数薄膜以减少等离子体对高介电常数薄膜的损 伤，而且可以轻易地逐层控制氮掺杂浓度的分布情况。此外，可以选择性 地让这些高介电常数薄膜进行回火制程以减少未反应的键结数目。如此，可 以建立起较高的硼离子的扩散障碍。由这些高介电常数薄膜所构成的介电 层，可让半导体元件的操作性能大幅提升。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式 上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发 明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利 用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但 凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所 作的任何筒单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
权利要求
1.具有多层高介电常数薄膜的介电层的制造方法，其特征在于其包括以下步骤(a)形成一高介电常数薄膜于一基底上；(b)以等离子体氮化该高介电常数薄膜；(c)重复步骤(a)，形成另一高介电常数薄膜于先前形成的该高介电常数薄膜上；(d)重复步骤(b)，氮化最后形成的高介电常数薄膜。
2、 根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于其中所述的高介电常 数薄膜的材料为硅酸或稀土金属的氧化物。
3、 根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于其中所述的高介电常 数薄膜具有不等或相等的厚度，厚度为O. 5 - 2. Onm。
4、 根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于其中所述的基底的温 度维持在60 。C至300 。C。
5、 根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于其中所述的等离子体 的射频功率为200 - 2000瓦。
6、 根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于其中所述的等离子体 的操作模式为连续模式或脉冲模式。
7、 根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于其中所述的步骤(b) 与该步骤(d)是在压力为1毫托至1托之下进行的。
8、 根据权利要求1所迷的制造方法，其特征在于介于该步骤(b)与该 步骤(c)之间，更包括一步骤(e)来回火该高介电常数薄膜。
9、 根据权利要求8所述的制造方法，其特征在于其中所述的步骤(e) 的回火温度为600 - 1200 °C。
10、 根据权利要求8所述的制造方法，其特征在于在步骤(d)之后更包 括一步骤(f)，重复执行该步骤(e)来回火最后形成的该高介电常数薄膜。
11、 根据权利要求10所述的制造方法，其特征在于其中所述的步骤(f) 的回火温度为600 - 1200 。C。
全文摘要
本发明是有关于一种具有多层高介电常数薄膜的介电层的制造方法，其包括以下步骤(a)形成一高介电常数薄膜于一基底上；(b)以等离子体氮化该高介电常数薄膜；(c)重复步骤(a)，形成另一高介电常数薄膜于先前形成的该高介电常数薄膜上；(d)重复步骤(b)，氮化最后形成的高介电常数薄膜。本发明以逐层氮化以及逐层回火的方式，将氮离子掺杂至多层高介电常数薄膜之中。
文档编号H01L21/283GK101369536SQ20071019539
公开日2009年2月18日 申请日期2007年12月17日 优先权日2007年8月13日
发明者余振华, 姚亮吉 申请人:台湾积体电路制造股份有限公司