氧氮化物闸极电介质及其形成方法

摘要

本发明系揭示一种在半导体元件中形成氧氮化物闸极电介质之方法，及藉此方法形成之闸极电介质结构。在此方法中，系首先在矽表面上形成氧氮化物层，然后以含有氧及至少一种卤化物种之气体混合物再氧化，以致获得具有经控制氮分布形态之氧氮化物层，及在该氧氮化物薄膜下方形成之实质二氧化矽层。此氧氮化物薄膜层，可经由矽表面与至少一种含有氮及/或氧之气体，在不低于500℃之温度下接触，或藉由化学蒸气沉积技术形成。此再氧化制程可藉由热制程，在含有氧与卤化物种之氧化性卤化气层中进行，该卤化物种譬如HCl,CH2Cl2,C2H3Cl3,C2H2Cl2,CH3Cl及 CHC13。

主权项

1.一种在半导体元件中形成氧氮化物闸极电介质之方法,其包括以下步骤:提供具有顶部表面之矽基材,在不低于500℃之温度下,使该矽基材之顶部表面与至少一种含有氮及/或氧之气体接触,形成氧氮化物层,覆盖在该矽基材上,及使该矽基材和该氧氮化物层,与包含氧及至少一种卤化物种之气体混合物接触,以致使实质二氧化矽层于该氧氮化物层与该矽基材之间形成。2.根据申请专利范围第1项在半导体元件中形成氧氮化物闸极电介质之方法,其中该至少一种含有氮及/或氧之气体,系选自包括NO,N2O,NH3及O2。3.根据申请专利范围第1项在半导体元件中形成氧氮化物闸极电介质之方法,其中该至少一种含有氮及/或氧之气体,系在足够高流率与反应室温度下,流入反应室中,以致形成富含氮之氧氮化物,其具有氮浓度在约0.1与约50原子百分比间之范围内。4.根据申请专利范围第1项在半导体元件中形成氧氮化物闸极电介质之方法,其中该至少一种含有氮及/或氧之气体,系流入反应室中,在约1毫托与约20大气压间之压力下,与矽表面反应。5.根据申请专利范围第1项在半导体元件中形成氧氮化物闸极电介质之方法,其中该至少一种含有氮及/或氧之气体,系流入反应室中,与被保持在约500℃与约1200℃间之温度下之矽表面反应。6.根据申请专利范围第1项在半导体元件中形成氧氮化物闸极电介质之方法,其进一步包括使该矽基材之顶部表面,与至少一种含氮气体及至少一种含氧气体接触之步骤。7.根据申请专利范围第1项在半导体元件中形成氧氮化物闸极电介质之方法,其进一步包括使该矽基材之顶部表面,与至少一种选自NO、N2O及NH3之气体,及至少一种选自O2与N2O之气体接触之步骤。8.根据申请专利范围第1项在半导体元件中形成氧氮化物闸极电介质之方法,其中该形成之氧氮化物层具有厚度在约1与约40之间。9.根据申请专利范围第1项在半导体元件中形成氧氮化物闸极电介质之方法,其中该至少一种卤化物种系选自包括HCl,CH2Cl2,C2H3Cl3,C2H2Cl2,CH3Cl及CHCl3。10.根据申请专利范围第1项在半导体元件中形成氧氮化物闸极电介质之方法,其中该实质二氧化矽层系由至少90%SiO2形成。11.一种在半导体元件中形成氧氮化物闸极电介质之方法,其包括以下步骤:提供具有顶部表面之矽基材,藉化学蒸气沉积(CVD)技术,沉积氧氮化物层于该矽基材之顶部表面上,及经由使该氧氮化物层与包含氧及至少一种卤化物种之气体混合物接触,以在该氧氮化物层与该矽基材之间,形成实质二氧化矽层。12.根据申请专利范围第11项在半导体元件中形成氧氮化物闸极电介质之方法,其中该CVD技术系选自包括电浆CVD、远距电浆CVD、快速热CVD及低压CVD。13.根据申请专利范围第11项在半导体元件中形成氧氮化物闸极电介质之方法,其中该经沉积之氧氮化物层具有厚度在约1与约4之间。14.根据申请专利范围第11项在半导体元件中形成氧氮化物闸极电介质之方法,其中该至少一种卤化物种系选自包括HCl,CH2Cl2,C2H3Cl3,C2H2Cl2,CH3Cl及CHCl3。15.根据申请专利范围第11项在半导体元件中形成氧氮化物闸极电介质之方法,其中该实质二氧化矽层系由至少90%SiO2形成。16.一种位在半导体元件中之闸极电介质,其包含:一个矽基材,一个隔体层,覆盖在该矽基材上,该隔体层系由实质SiO2形成,及一个氧氮化物层,覆盖在该隔体层上。17.根据申请专利范围第16项位在半导体元件中之闸极电介质,其中该氧氮化物层系为富含氮之氧氮化物,其具有氮浓度在约0.1与约50原子百分比间之范围内。18.根据申请专利范围第16项位在半导体元件中之闸极电介质,其中各该隔体层与该氧氮化物层具有厚度在约1与约40之间。19.根据申请专利范围第16项位在半导体元件中之闸极电介质,其中该隔体层系由含有至少90%SiO2之材料形成。20.根据申请专利范围第16项位在半导体元件中之闸极电介质,其进一步包含SiO2层,覆盖在该氧氮化物层上。21.一种位在半导体元件中之闸极堆叠,其包含:一个矽基材,一个隔体层,覆盖在该矽基材上,该隔体层系由实质SiO2形成,一个氧氮化物层,覆盖在该隔体层上,一个二氧化矽层,覆盖在该氧氮化物层上,及一个导电性闸极,覆盖在该二氧化矽层上。22.根据申请专利范围第21项位在半导体元件中之闸极堆叠,其中该导电性闸极为多晶矽闸极。23.根据申请专利范围第21项位在半导体元件中之闸极堆叠,其中该氧氮化物层为富含氮之氧氮化物,具有氮浓度在约0.1与约50原子百分比间之范围内。24.根据申请专利范围第21项位在半导体元件中之闸极堆叠,其中各该隔体层、该氧氮化物层及该SiO2具有厚度在约1与约40之间。25.根据申请专利范围第21项位在半导体元件中之闸极堆叠,其中该隔体层系由含有至少90%SiO2之材料形成。图式简单说明:第一图为并入本发明氧氮化物闸极电介质之半导体闸极堆叠之放大横截面图。第二图A为首先在矽基材上形成氧氮化物层后,本发明闸极电介质之放大横截面图。第二图B为第二图A之本发明闸极电介质,于进行再氧化制程,以在氧氮化物层与矽基材之间形成二氧化矽层后之放大横截面图。第三图为一图表,说明在本发明氧氮化物层上获得之中等能量离子散射(MEIS)之光谱。第四图为一图表,说明本发明氧氮化物层之薄膜均匀性之直方图。