使用Vt移位效應(yīng)的可編程FET及其制造方法
【專利摘要】使用高k電介質(zhì)金屬柵極Vt移位效應(yīng)來提供可編程場效應(yīng)晶體管(FET)及其制造方法?？刂聘遦電介質(zhì)金屬柵極結(jié)構(gòu)中的Vt移位的方法包括向高k電介質(zhì)金屬柵極結(jié)構(gòu)的柵極接觸施加電流以提高形成柵極堆疊的金屬的溫度。提高溫度超出用于提供接通狀態(tài)的Vt移位溫度閾值。
【專利說明】使用Vt移位效應(yīng)的可編程FET及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和制造方法，并且更具體地涉及使用高k電介質(zhì)金屬柵極Vt移位效應(yīng)的可編程場效應(yīng)晶體管(FET)及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]負(fù)偏置溫度不穩(wěn)定性(NBTI)是在使用負(fù)柵極電壓操作的P溝道MOS器件中當(dāng)前關(guān)注的關(guān)鍵可靠性問題。這一相同機制也在積累狀態(tài)中偏置時(即在向柵極施加負(fù)偏置時)影響nMOS晶體管。NBTI表現(xiàn)為閾值電壓的增加以及漏極電流和跨導(dǎo)的隨之減少。該下降呈現(xiàn)隨時間的對數(shù)率依賴性。
[0003]在亞微米器件中，已經(jīng)向硅柵極氧化物中并入氮以減少柵極電流密度并且防止硼滲透。然而，并入氮增強NBTI。出于這一原因，在新技術(shù)(例如32nm和更短標(biāo)稱溝道長度)中，使用高k金屬柵極堆疊作為一種針對給定的等效氧化物厚度(EOT)提高柵極電流密度的替代方式。即使引入新材料(比如氧化鉿)，NBTI仍然是關(guān)注問題。此外，基于氧化鉿的金屬柵極呈現(xiàn)Vt移位。
[0004]氧導(dǎo)入所致的Vt移位是在高k電介質(zhì)金屬柵極技術(shù)中引起Vt變化的問題。認(rèn)為Vt移位歸因于兩個成分:穩(wěn)定成分和亞穩(wěn)成分。穩(wěn)定成分是指去除HfO2中的氧空缺，而亞穩(wěn)是指形成HfO2中的氧間隙。
[0005]因而在本領(lǐng)域中存在對克服上文描述的缺陷和限制的需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]在本發(fā)明的一個方面中，一種控制高k電介質(zhì)金屬柵極結(jié)構(gòu)中的Vt移位的方法包括向高k電介質(zhì)金屬柵極結(jié)構(gòu)的柵極接觸施加電流以提高形成柵極堆疊的金屬的溫度。提高溫度超出氧在高k材料上引起的Vt移位所需要的溫度。
[0007]在本發(fā)明的又一方面中，一種控制具有基于鉿的電介質(zhì)的TiN金屬柵極結(jié)構(gòu)中的Vt移位的方法包括通過經(jīng)過TiN金屬柵極結(jié)構(gòu)的接觸施加電流將TiN金屬的溫度提高至Vt移位閾值以上。
[0008]在本發(fā)明的又一方面中，一種結(jié)構(gòu)包括金屬柵極結(jié)構(gòu)，金屬柵極結(jié)構(gòu)包括在基于鉿的電介質(zhì)材料上形成的基于Ti的金屬和在基于Ti的金屬上形成的多晶材料?；赥i的金屬呈現(xiàn)由于電流引起的溫度增加所致的Vt移位控制效果。
[0009]在本發(fā)明的又一方面中，一種在計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)中用于生成可編程效應(yīng)晶體管(FET)的功能設(shè)計模型的方法。該方法包括生成金屬柵極結(jié)構(gòu)的功能表示，金屬柵極結(jié)構(gòu)包括在基于鉿的電介質(zhì)材料上形成的基于Ti的金屬和在基于Ti的金屬上形成的多晶材料?；赥i的金屬呈現(xiàn)由于電流引起的溫度增加所致的Vt移位控制效果。
[0010]在本發(fā)明的另一方面中，提供一種在機器可讀存儲介質(zhì)中有形地實現(xiàn)的用于設(shè)計、制造或者測試集成電路的設(shè)計結(jié)構(gòu)。該設(shè)計結(jié)構(gòu)包括本發(fā)明的結(jié)構(gòu)。在更多實施例中，一種在機器可讀數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)上編碼的硬件描述語言(HDL)設(shè)計結(jié)構(gòu)包括如下元素，這些元素在計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)中被處理時生成可編程FET的機器可執(zhí)行表示，機器可執(zhí)行表示包括本發(fā)明的結(jié)構(gòu)。在更多實施例中，提供一種在計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)中用于生成可編程FET的功能設(shè)計模型的方法。該方法包括生成可編程FET的結(jié)構(gòu)元素的功能表示。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]通過本發(fā)明示例實施例的非限制例子參照指出的多幅附圖在以下【具體實施方式】中描述本發(fā)明。
[0012]圖1-圖6示出了根據(jù)本發(fā)明一些方面的結(jié)構(gòu)和相應(yīng)處理步驟；
[0013]圖7示出了閾值電壓移位(Vt移位)比對溫度的圖形；
[0014]圖8示出了平帶電壓比對退火溫度；以及
[0015]圖9是在半導(dǎo)體設(shè)計、制造和/或測試中使用的設(shè)計過程的流程圖。
【具體實施方式】
[0016]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和制造方法，并且更具體地涉及具有高k電介質(zhì)金屬柵極Vt移位效應(yīng)的可編程場效應(yīng)晶體管(FET)及其制造方法。有利地，本發(fā)明提供一種使用控制效應(yīng)以制作可編程邏輯FET單元的結(jié)構(gòu)和制作技術(shù)。在實施例中，該結(jié)構(gòu)和制作方法防止在高k電介質(zhì)金屬柵極技術(shù)中引起Vt變化的氧導(dǎo)入所致的Vt移位。
[0017]在一些實施例中，本發(fā)明通過柵極電流加熱來控制Vt移位。這一方法針對不同Vt移位改進掩模產(chǎn)量和成本、對于所有電路設(shè)計而言靈活并且具有存儲器應(yīng)用(例如多值存儲器(比如鏡位)或一次寫入存儲器)。該方法和所得結(jié)果兼容，并且(與已知方法相比)更易于在現(xiàn)有技術(shù)的CMOS SOI高k電介質(zhì)金屬柵極技術(shù)上應(yīng)用(例如高性能、高密度)。本發(fā)明可以實施于許多不同應(yīng)用，諸如例如現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)中。
[0018]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明一些方面的開始結(jié)構(gòu)和相應(yīng)處理步驟。具體而言，開始結(jié)構(gòu)10包括襯底12。襯底12可以例如是SO1、BULK、Si或者在半導(dǎo)體器件的制作中使用的其它已知襯底。電介質(zhì)14形成于襯底12上。在一些實施例中，電介質(zhì)14是高k電介質(zhì)并且可以例如是基于鉿的材料，諸如二氧化鉿(HfO2);但是本發(fā)明也設(shè)想其它基于鉿的電介質(zhì)材料。例如高k電介質(zhì)可以是HFSIO或者這樣的材料與或者未與其它氧化物材料的組合的堆疊。電介質(zhì)14可以被沉積至約10Λ或者約20人的厚度；但是本發(fā)明根據(jù)設(shè)計參數(shù)和技術(shù)節(jié)點設(shè)想其它尺度?？梢允褂萌魏喂练e工藝，諸如比如化學(xué)氣相沉積(CVD) ,ALCVD或者PECVD來沉積電介質(zhì)14。
[0019]金屬16形成于電介質(zhì)14上。金屬16根據(jù)特定設(shè)計參數(shù)可以是一個或者多個金屬層。在一些實施例中，金屬16是優(yōu)選地對本發(fā)明的控制效應(yīng)良好地做出響應(yīng)的一個或者多個金屬層。在一些實施例中，除了濺射技術(shù)之外，還可以使用如上文指出的常規(guī)沉積方法來沉積金屬16。金屬16可以被沉積至約20Α或者約40人的厚度；但是本發(fā)明使用這里描述的方法根據(jù)設(shè)計參數(shù)、技術(shù)節(jié)點和與控制Vt移位有關(guān)的偏好設(shè)想其它尺度。
[0020]使用如上文指出的常規(guī)沉積方法在金屬16上沉積多晶層18。在一些實施例中，多晶層18可以被沉積至約400人或者約500人的厚度;但是本發(fā)明根據(jù)設(shè)計參數(shù)和技術(shù)節(jié)點設(shè)想其它尺度。
[0021]如圖2中所示，電介質(zhì)14、金屬16和多晶層18經(jīng)歷圖案化工藝以形成金屬柵極堆疊20。例如使用常規(guī)光刻工藝，可以在多晶層18上沉積、掩蔽和曝光抗蝕劑以形成圖案。一旦洗掉曝光的抗蝕劑，常規(guī)反應(yīng)離子蝕刻(RIE)可以用來形成金屬柵極堆疊20。在可選清潔之后，可以使用如上文指出的常規(guī)沉積工藝來形成側(cè)壁間隔物22。在一些實施例中，側(cè)壁間隔物22是SiO2 ;但是諸如氮化物之類的其它材料也可以用作側(cè)壁間隔物22。[0022]在圖3中，可選層24沉積于金屬柵極堆疊20和側(cè)壁間隔物22的頂部上。在一些實施例中，可選層24是SiN?？梢允褂萌缟衔闹赋龅某Ｒ?guī)沉積方法來沉積可選層24。
[0023]在圖4中，金屬沉積于可選層24的在襯底12上的側(cè)部上。金屬優(yōu)選地是之后被退火以形成硅化鎳接觸區(qū)域26的鎳層。在約400°C執(zhí)行退火，該溫度是不會熔化金屬16的溫度。硅化鎳接觸區(qū)域26將充當(dāng)用于源極和漏極區(qū)域的接觸區(qū)域。如本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的那樣，金屬也可以沉積于金屬柵極堆疊20的頂部上以形成用于金屬柵極堆疊的接觸區(qū)域。(例如見圖7)。在退火之后，絕緣體層28沉積于結(jié)構(gòu)上。絕緣體層28可以例如是SiO2 ;但是本發(fā)明也設(shè)想其它絕緣體材料。
[0024]如圖5和圖6中所示，布線層或者接觸30形成于絕緣體層28中至硅化物接觸區(qū)域26。具體而言，使用常規(guī)光刻制作工藝在絕緣體層30中打開溝槽或者通路(開口)至源極和漏極區(qū)域以及金屬柵極堆疊上的硅化物接觸區(qū)域26。然后在開口中沉積金屬以形成與硅化物接觸區(qū)域26直接和電接觸的接觸或者布線30。
[0025]圖6是沿著圖5的線A-A的橫截面圖，該橫截面圖示出了接觸或者布線30直接和電接觸金屬柵極堆疊20的硅化物接觸區(qū)域26。更具體而言，如圖6中所示，通過接觸或者布線30直接和電接觸金屬柵極堆疊20的硅化物接觸區(qū)域26施加電流。電流經(jīng)過多晶層18并且進入金屬層16中，而且往回進入多晶層18中并且去往金屬柵極堆疊20的接觸或者布線30b中的另一接觸或者布線。高電流引入高溫，因此加熱金屬16，這又引起柵極金屬16中的Vt移位。在一些實施例中，根據(jù)金屬柵極材料的厚度和其它尺度，1.2電壓可以將TiN金屬16的溫度提高至約至少625°C并且優(yōu)選地約900°C或者更大。
[0026]關(guān)于上文描述的結(jié)構(gòu)舉例而言，金屬柵極材料(例如TiN)的導(dǎo)熱率約為40W/(M.K)。假設(shè)TiN層為0.4 μ m寬、0.04 μ m厚和0.04 μ m長，則TiN的熱阻約為6.25 X IO4K/W。也在這一例子中，功率耗散約為1X10_2W。通過利用以下等式(I)，變得清楚的是通過跨越TiN施加IV (而TiN的電阻約為100 Ω )，溫度增量約為625°C，這比氧在高k材料上引起的Vt移位所需要的溫度高得多。
【權(quán)利要求】
1.一種控制在高k電介質(zhì)金屬柵極結(jié)構(gòu)中的Vt移位的方法，包括向所述高k電介質(zhì)金屬柵極結(jié)構(gòu)的柵極接觸施加電流以提高形成柵極堆疊的金屬的溫度，其中所述溫度被提高為超出在高k材料上氧引起的Vt移位所需要的溫度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括跨越所述金屬提供IV。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述Vt移位溫度為約625°C。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述Vt移位溫度為約900°C。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述高k電介質(zhì)金屬柵極結(jié)構(gòu)的高k電介質(zhì)是基于鉿的材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述金屬是TiN。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述TiN為約#0蓋厚。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述TiN為約0.4 μ m寬、0.04 μ m厚和0.04 μ m長。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述TiN具有為約6.25X 104K/W的熱阻和為約I X IO-2W的功率耗散。
10.一種控制具有基于鉿的電介質(zhì)的TiN金屬柵極結(jié)構(gòu)中的Vt移位的方法，包括通過施加經(jīng)過所述TiN金屬柵極結(jié)構(gòu)的接觸的電流將所述TiN金屬的溫度提高至Vt移位閾值以上。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述`的方法，其中所述溫度提高至為約900°C或者更大。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述溫度提高至為約625°C。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述TiN金屬為約40人厚。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述TiN金屬具有為約6.25 X 104K/W的熱阻和為約1X10_2W的功率耗散。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，還包括跨越所述TiN金屬提供約1.2V。
16.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述TiN金屬約為0.4 μ m寬、0.04 μ m厚和0.04 μ m 長。
17.—種結(jié)構(gòu),包括: 金屬柵極結(jié)構(gòu)，包括在基于鉿的電介質(zhì)材料上形成的基于Ti的金屬和在所述基于Ti的金屬上形成的多晶材料，其中所述基于Ti的金屬呈現(xiàn)由于電流引起的溫度增加所致的Vt移位控制效應(yīng)。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的結(jié)構(gòu)，其中所述基于Ti的金屬是TiN。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的結(jié)構(gòu)，其中所述TiN具有約40Λ的厚度。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的結(jié)構(gòu)，其中所述TiN約為0.4 μ m寬、0.04 μ m厚和0.04 μ m長。
21.根據(jù)權(quán)利要求18所述的結(jié)構(gòu)，其中所述TiN溫度增加在625°C以上。
22.—種在計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)中用于生成可編程效應(yīng)晶體管(FET)的功能設(shè)計模型的方法，所述方法包括: 生成金屬柵極結(jié)構(gòu)的功能表示，所述金屬柵極結(jié)構(gòu)包括在基于鉿的電介質(zhì)材料上形成的基于Ti的金屬和在所述基于Ti的金屬上形成的多晶材料，其中所述基于Ti的金屬呈現(xiàn)由于電流引起的溫度增加所致的Vt移位控制效應(yīng)。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中所述功能設(shè)計模型包括網(wǎng)表。
24.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中所述功能設(shè)計模型在存儲介質(zhì)上駐留為用于交換集成電路布局?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)據(jù)格式。
25.根據(jù)權(quán)利要求22 所述的方法，其中所述功能設(shè)計模型駐留于可編程門陣列中。
【文檔編號】G06F9/45GK103503150SQ201180039693
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2011年7月13日 優(yōu)先權(quán)日:2010年8月17日
【發(fā)明者】E·A·卡蒂埃, 梁擎擎, 梁玥, 王延鋒 申請人:國際商業(yè)機器公司