[0089] 进行热处理期间,上述的无氧化环境的钝气较佳为氦气(He)及/或氩气(Ar)。 [0090] 氮气不适合加入无氧化环境中,当其并入于界面且增加界面状态密度时,会导致沟道迁移率的降低,影响此元件的电性特性。
[0091] 优选地,加入部分氢气到包括钝气的无氧化环境中。
[0092] 优选地部分氢气的体积约少于10%,较佳介于1~10%之间。
[0093] 无氧化环境的压力较佳介于10到20托耳(torr)。
[0094] 依照本发明的方法,会获得薄界面层的厚度约少于0.6nm。
[0095] 再者,依照本发明的方法获得的高品质界面层,其平整(或平滑或均匀)且呈现连续的界面氧化物成长。
[0096] 在本发明的方法中,形成上述的薄界面层,接着后续沉积一高介电常数(high-k)材料。
[0097] 上述的高介电常数(high-k)材料的沉积可使用本领域普通技术人员所知的沉积技术,较佳为原子层沉积法(Atomic Layer Deposition,ALD)、金属有机气相沉积法(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition,MOCVD)、分子束外延法(Molecular Beam Epitaxy,MBE)、化学气相沉积法(Chemical VaporDeposition,CVD)或物理气相沉积法(Physical Vapor Deposition,PVD)。
[0098] 高介电常数(high-k)材料的例子包括,但不限于二元的金属氧化物,包括ZrO2、HfO2、La2O3、Y2O3、TiO2,以及其硅化盐类和铝酸盐类;金属氧氮化物包括AlON、ZrON、HfON、LaON、YON等,以及其硅酸盐和铝酸盐类例如ZrSiON、HfSiON、LaSiON、YSiON;钙钛矿型的氧化物,包括钛酸盐系统的材料,例如钛酸钡、钛酸锶、碳酸钡锶((BaSr)TiO3,BST)。 [0099] 优选地,高介电常数(high-k)材料的沉积视需要地伴随一沉积后退火处理以进一步降低界面陷阱密度(interface trap density,Dit)。
[0100] 在一实施例中,在无氧化环境中的热处理之后,立即进行高介电常数(high-k)材料的沉积步骤。
[0101] 在另一实施例中,在无氧化环境中的热处理之后,视需要地进行化学氧化成长步骤。
[0102] 化学成长氧化物是将裸露的半导体表面和较佳为薄界面层与液体及/或气体化学物接触以氧化其表面。
[0103] 依照本发明,化学氧化物的形成较佳借助进行湿式例如臭氧(O3)/最终的去离子水(DIW)(IMEC-clean)的清洁处理或UV增强式氧化物成长法,两种方法可择一选择。 [0104] 上述的湿式臭氧(O3)/最终去离子水(DIW)清洁,也称为IMEC-cleam,是先使用臭氧和去离子水(O3/DIW),接着使用一氧化物移除步骤(使用HF/HCl)。最后,用臭氧化的去离子(臭氧/去离子水掺盐酸)润洗,再进行含有异丙醇和氮气的马南哥尼干燥法(Marangoni drying)。
[0105] 上述的湿式臭氧(O3)/最终去离子水(DIW)清洁(IMEC-clean),会使表面留下一非常干净且薄化学氧化物层。
[0106] 上述的UV增强式氧化物成长法是在空气中进行UV照射以成长一薄氧化层。氩气连续地注入基材之上,以降低空气中的氧化物成长的速度。
[0107] 利用上述的UV增强式氧化物成长法而得的化学氧化层,其厚度薄于用湿式臭氧(O3)/最终去离子水(DIW)清洁(IMEC-clean)而得的氧化层。
[0108] 借助进行湿式臭氧(O3)/最终去离子水(DIW)清洁(IMEC-clean)或UV增强式氧化物成长法而得的化学氧化物层,可提供除了施加热处理所造成的效果之外,另外能使表面具有后续沉积高介电常数(high-k)材料所需要的合适的末端(例如OH键)。
[0109] 因此,总氧化层来自于两种贡献,其一来自于无氧化环境中进行热处理而得的界面层,另一来自于进行湿式臭氧(O3)/最终去离子水(DIW)清洁(IMEC-clean)或UV增强式氧化物成长法而得的化学氧化层。
[0110] 只进行化学氧化物沉积,而未进行一热处理,会得到有缝隙(leakage)、较差品质的化学氧化物(对照下列讨论的图3与图6),其不适合后续沉积高介电常数(high-k)材料,因此得到低品质的半导体元件。
[0111] 接着,视需要地进行化学氧化物形成步骤之后,进行ALD高介电常数(high-k)材料的沉积步骤。
[0112] 上述的半导体基材较佳为硅基材或包含硅晶片或硅层的绝缘层上覆硅基材(silicon-on-insulator,SOI),例如多晶硅、外延硅或非晶硅,具有或不具有导电的掺杂物。
[0113] 上述的半导体基材可以为任何半导体基材,只要此基材能抵抗本发明所需要的高温。
[0114] 此基材可能包括各种绝缘区域,例如浅沟隔离区域(Shallow TrenchIsolation,STI)、局部氧化区(Local Oxidation of Silicon,LOCOS)或其它类似的隔离区域,其形成于基材或上述的表面上。
[0115] 图2显示依照本发明的不同表面处理步骤,由AR-XPS测量到的界面层与沉积高介电常数(high-k)介电材料HfO2的厚度。
[0116] 在图2中的界面层(interfacial layer,IL),是借助于无氧化环境中的热处理而得的,或借助化学氧化物成长法搭配或不搭配前者之热处理而得的。
[0117] 图2中标出热处理法不同的条件,包括无氧化环境的成份与温度。
[0118] 上述化学氧化层借助进行湿式臭氧(O3)/最终去离子水(DIW)清洁(IMEC-clean)或UV增强式氧化物成长法(图2中标示为UV/Air/Ar)而得。
[0119] 图2显示界面层与高介电常数(high-k)的HfO2材料层两者只进行热处理步骤,两者的厚度具有非常好的结果。
[0120] 例如H2/He/1050℃热处理与He/1050℃热处理形成超薄的界面层,其厚度分别为0.4nm和0.5nm。
[0121] 再者,如图2所示,H2/He/1050℃热处理帮助限制后续的化学氧化物成长。 [0122] 因此,依照本发明的方法可用于达到EOT缩小化。
[0123] 借助进行热处理搭配UV增强式氧化物成长法所形成的界面层,其总氧化物的厚度也少于只利用UV增强式氧化物成长法所得的厚度。
[0124] 但是,如图3所示,相较于热处理搭配UV增强式氧化物成长法,进行UV增强式氧化物成长法得到较低的HfO2覆盖率(coverage)。可能的解释在于,UV增强式氧化物方法无法在表面上显示足够的、合适的活化功能基末端(例如OH键),因此对于后续高介电常数(high-k)材料沉积步骤时,表面为粗糙且低品质成核层(nucleation),因此,造成后续元件的电性特性出问题。
[0125] 的确,图3显示依照本发明的方法,其HfO2覆盖率对应氧化物的厚度关系图。 [0126] 借助进行热处理,与视需要地进行化学氧化物形成法(UV增强式氧化物成长法或湿式臭氧(O3)/最终去离子水(DIW)清洁(IMEC-clean))。
[0127] 形成上述界面层后,进行例如5次ALD HfO2单层沉积的循环。
[0128] 一般的ALD技术与HfO2的ALD对界面层表面条件特别敏感,因此,进行HfO2的ALD时,依据界面层的粗糙度、界面层表面的活性功能基末端(例如OH键)与界面层的连续性/均匀性(例如无岛状类似物)对界面层的品质进行评估。
[0129] 据此,具有较多OH功能基末端且较平滑(较低粗糙度)的界面层表面,较有利于HfO2的ALD沉积。
[0130] 如图3所示,借助热处理形成界面层(不论搭配或不搭配进行UV增强式氧化物成长法)提供较佳的HfO2覆盖率,因此为较佳品质、平滑的界面层。
[0131] 上述的HfO2覆盖率也高于利用臭氧(O3)/最终去离子水(DIW)化学氧化物成长法(不论搭配或不搭配热处理形成界面层)而得的HfO2覆盖率,且特别能改善只进行UV增强式氧化物成长法获得的较差的覆盖率。
[0132] 图4显示依照本发明的不同表面处理步骤而依序成长(step-by-step)的氧化层厚度(借助光学测厚仪(Ellipsometry)测量)。
[0133] 每一次进行清洁步骤(IMFOOB)后,在无氧化环境中进行热处理或一化学氧化物成长(湿式臭氧(O3)/最终去离子水(DIW)清洁(IMEC-clean)或UV/Air/Ar),或上述的组合。
[0134] 由热处理所形成的界面层,图4中指出不同的实验条件,包括无氧化环境的组成和温度。
[0135] 化学氧化物由UV增强式氧化物成长法或由湿式臭氧(O3)/最终去离子水(DIW)清洁(IMEC-clean)而得。
[0136] 图4测出的总氧化层厚度,包括在无氧化环境中进行热处理而得的界面层,与由UV增强式氧化物成长法或由湿式臭氧(O3)/最终去离子水(DIW)清洁(IMEC-clean)而得的化学氧化物层。
[0137] 在此须注意的是,由光学测厚仪所测的氧化层厚度,其准确度不如由AR-XPS所测。
[0138] 事实上,由光学测厚仪所测的厚度会厚于由AR-XPS所测的厚度。
[0139] 但是,图4所显示的趋势符合图2的结果。
[0140] 图5显示借助原子力显微镜(Atomic Force Microscope,AFM)测得的表面粗糙度。
[0141] 图5所测量为进行热处理而得的界面层及/或进行氧化物成长法而得的化学氧化物。
[0142] 由热处理形成的界面层,图5中指出不同的实验条件,包括无氧化环境的组成和温度。
[0143] 化学氧化物由UV增强式氧化物成长法或由湿式臭氧(O3)/最终去离子水(DIW)清洁(IMEC-clean)而得。
[0144] 如图5所示,只由UV增强式氧化物成长法或只由湿式臭氧(O3)/最终去离子水(DIW)清洁(IMEC-clean)而得的化学氧化层,不进行热(预)处理形成界面层,会得到相对较粗糙的氧化层表面。例如,由湿式臭氧(O3)/最终去离子水(DIW)清洁(IMEC-clean)而得的化学氧化层,其Rms=0.18nm,而由UV增强式氧化物成长法而得的化学氧化层,其Rms=0.14nm,其中每一次Rms测量的范围为1×1μm。
[0145] 相反地,进行H2/He/1050℃热处理形成界面层有助于平滑界面层的表面,且当化学氧化层沉积于其上时,对于1×1μm的范围,Rms值达到0.08~0.09nm。
[0146] 再者,低温处理(例如700℃)将会降低表面平滑度的表现(对于1×1μm的范围,Rms=0.146nm)。
[0147] 如图6所示,只进行热处理,或只有化学氧化物成长,或结合热处理与化学氧化物成长(UV增强式氧化物标示为UV/Air/Ar/1s)所得的元件的电容 对应电压曲线图。 [0148] 电容(MOS)为一种P型基材,其具有TaN/TiN金属栅极电极。
[0149] 进行H2/He/1050℃的热处理及/或进行UV增强式氧化物成长法,接着借助40次ALD单层HfO2沉积循环。
[0150] 由图6得知,只进行UV增强式氧化物成长法会得到非常多缝隙(leakage),且薄氧化层。
[0151] 此种多缝隙(leakage)可由形成第一界面层所抑制,不论搭配或不搭配UV增强式氧化物成长法。
[0152] 图7显示形成薄界面层可能的机制。包括HF-last疏水性处理的清洁步骤,会留下氢原子末端的表面(Si-H键,如图7a),此会抑制氧原子自由基与硅上层结合。有水的存-在时(润洗过程中),溶氧及/或OH 自由基可能攻击内层的Si-Si键,而不破坏Si-H键,留下SiOx次氧化物于(无氧化物)表面之下。当进行热处理期间,包含氧化硅与次氧化物(SiOx,0
[0153] 因此,依照本发明的方法,产生一均匀超薄界面层,其位于高介电常数材料(high-k)底下。
[0154] 依照本发明的方法,能产生均匀且薄的、具有适当的末端(例如OH键)的界面层,使其能够相容于后续高介电常数(high-k)材料的沉积。
[0155] 再者,实行本发明的方法,能改善界面层的粗糙度与品质。
[0156] 同时,在本发明的结构下,能增进在半导体元件中的电荷载流子迁移率。 [0157] 虽然本发明已以数个优选实施例揭示如上,然而其并非用以限定本发明,任何本领域普通技术人员,在不脱离本发明的精神和范围内,当可作任意的更动与润饰,因此本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界定的范围为准。