專利名稱：半導(dǎo)體器件及其制造方法和制造設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有高介電常數(shù)薄膜的半導(dǎo)體器件及其制造方法和制造設(shè)備，更具體來(lái)講，本發(fā)明涉及一種提供柵絕緣膜的較高性能和較低功耗的半導(dǎo)體器件及其制造方法和制造設(shè)備，該柵絕緣膜構(gòu)成MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)。
背景技術(shù)：
氧化硅膜具有工藝穩(wěn)定性和良好的電絕緣，并被用于MOSFET的柵絕緣材料。近年來(lái)隨著器件的小型化，減薄柵絕緣膜已日益增長(zhǎng)，并且根據(jù)比例縮小規(guī)則的要求，100nm或更短?hào)艠O長(zhǎng)度的器件需要作為柵絕緣膜的氧化硅膜的厚度為1.5nm或更薄。然而，如果使用了這種超薄的絕緣膜，一旦將柵偏壓加到柵極上，則夾在柵絕緣層和柵極之間的隧穿電流的大小相對(duì)于源/漏極電流變成不可忽視的值，并超過(guò)了器件設(shè)計(jì)可允許的范圍。這將成為提升MOSFET的更高性能和更低功耗的一大障礙。因此，正進(jìn)行研究和開發(fā)，目的在于使有效的柵絕緣膜的膜厚度變薄和將隧穿電流控制在可允許值之內(nèi)。
其中一種是將氮添加到氧化硅膜中的方法，由此將介電常數(shù)增加為超過(guò)純氧化硅膜的介電常數(shù)，并在不減薄物理膜的厚度的情況下減小了有效的、也就是電性的柵絕緣層的膜厚度，。這種氮氧化硅膜的制備技術(shù)包括在含有氮的氣體諸如氨(NH3)中對(duì)氧化硅膜進(jìn)行高溫?zé)崽幚淼姆椒ǎ纱嗽诠枰r底的表面上形成氧化硅膜后將氮引入氧化硅膜中。然而，該方法引起了以下問(wèn)題在氣體氣氛的熱處理致使氮隔離進(jìn)入氧化硅膜和硅襯底之間的界面中，而引起界面電特性變差。在氧化硅膜的情況下，通常能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)質(zhì)的接合，具有較少的界面粗糙度和缺陷密度。然而，如果通過(guò)上述的技術(shù)制備氮氧化硅膜，則界面中的隔離氮將會(huì)增加界面粗糙度和界面缺陷密度。
因此，近年來(lái)已研究了其中將氧化硅膜暴露到氮等離子體以選擇性地氮化表面?zhèn)鹊募夹g(shù)(等離子體氮化技術(shù))。在應(yīng)用該等離子體的技術(shù)中，能夠?qū)⒔缑娴牡獫舛瓤刂茷檩^低的程度并使由上述的氮引起的電特性變差最小化。然而，純氮氧化硅膜的相對(duì)介電常數(shù)僅為氧化硅膜的兩倍，且通過(guò)添加氮到氧化硅膜得到較高介電常數(shù)的絕緣膜是有限度的。因此，使相對(duì)介電常數(shù)增加到不小于10理論上是不可能的。
因此，作為在其中器件小型化被進(jìn)一步發(fā)展的下一代技術(shù)，還進(jìn)行了一種嘗試，試圖采用相對(duì)介電常數(shù)不小于10的薄膜材料或是作為這些材料與用作柵絕緣膜的硅的合成材料的硅酸鹽薄膜，來(lái)代替氧化硅膜或氮氧化物膜。至于這些高介電常數(shù)材料，正研究Al2O3、ZrO2或HfO2和稀土元素氧化物諸如Y2O3及鑭系元素稀土元素氧化物諸如La2O3作為備選材料。其依據(jù)在于存在這樣的厚度，即使柵極長(zhǎng)度被最小化，使用這些高介電常數(shù)膜仍能防止隧穿電流，同時(shí)依照比例規(guī)律保持柵絕緣膜的電容量。
注意到，假設(shè)柵絕緣材料是氧化硅膜而不管柵絕緣膜材料的類型如何，根據(jù)柵電容量的反算得到的膜厚度稱為硅有效氧化物厚度。更具體來(lái)講，使絕緣膜的相對(duì)介電常數(shù)和氧化硅膜的相對(duì)介電常數(shù)分別為eh和eo，絕緣膜的厚度為dh，則硅有效的氧化物厚度為de＝(eo/eh)。該公式表明如果使用介電常數(shù)eh比eo大的材料，則即使具有厚的物理膜厚度的絕緣膜也能夠有效地和電性地等效于薄氧化硅膜。氧化硅膜的相對(duì)介電常數(shù)eo約為3.9，結(jié)果，例如，如果使用具有比它高10倍的相對(duì)介電常數(shù)eh＝39的高介電膜，則即使是15nm厚的絕緣膜的物理膜厚度也將有效地和電性地使1.5nm的硅有效氧化物厚度為能夠急劇的減少隧穿電流。
另外，金屬氧化物和硅酸鹽薄膜均具有如下特征。如果使用金屬氧化物諸如ZrO2和HfO2作為高介電常數(shù)柵絕緣膜，則可獲得較高的相對(duì)介電常數(shù)。另一方面，認(rèn)為雖然在其中含硅的硅酸鹽材料中相對(duì)介電常數(shù)降低，但與將金屬氧化物直接連接到硅襯底上的情況相比，增強(qiáng)了熱穩(wěn)定性，而且改善了界面電特性。
如上所述，下一代MOSFET的開發(fā)考慮采用高介電常數(shù)薄膜作為柵絕緣膜材料，且采用使用不同種類的源氣體的CVD(化學(xué)氣相淀積)或以原子層為基礎(chǔ)控制CVD淀積的ALD(原子層化學(xué)氣相淀積)，作為在硅襯底的表面上淀積高介電常數(shù)薄膜的技術(shù)。
在高介電常數(shù)柵絕緣膜開發(fā)的初期階段，為了研究材料曾使用諸如濺射、反應(yīng)性濺射或分子束淀積的物理蒸發(fā)方法。在這些淀積技術(shù)中，曾報(bào)告了如下例子其中將高介電常數(shù)膜直接淀積在硅襯底的表面上，以及其中將超薄的氧化硅膜更準(zhǔn)確的說(shuō)是通常小于1nm厚度的薄膜插入到高介電常數(shù)薄膜和硅襯底之間的界面中，用于控制CVD或ALD淀積的早期反應(yīng)和改善高介電常數(shù)薄膜和硅襯底之間界面的熱穩(wěn)定性。在后者的情況下，在硅襯底的表面上形成超薄氧化硅膜，然后通過(guò)不同種類的淀積方法進(jìn)行高介電常數(shù)薄膜的淀積。在這些淀積技術(shù)中的共同性是需要在硅襯底表面上的化學(xué)計(jì)量組份，或者淀積與氧濃度不太多或不太少的硅酸鹽組份一致的高介電常數(shù)薄膜，特別是諸如膜中氧缺乏的結(jié)構(gòu)缺陷將致使電特性變差和漏電流增加。
迄今，已研究了關(guān)于通過(guò)上述的薄膜淀積方法制備的各種高介電常數(shù)材料的特性。在這些當(dāng)中，下一代MOSFET的開發(fā)所面臨的最大的技術(shù)問(wèn)題是提高高介電常數(shù)薄膜和硅襯底之間的界面電特性。更具體來(lái)講，高介電常數(shù)薄膜界面和硅襯底之間的界面缺陷密度比氧化硅膜和硅襯底之間的界面缺陷密度高一到兩個(gè)數(shù)位，遷移率變差由于界面缺陷捕獲的電荷而變得更顯著，且MOSFET的電流驅(qū)動(dòng)能力下降。這抵消了柵絕緣膜變薄的效果。
至于提高界面電特性的手段，正在研究一種結(jié)構(gòu)，在其中將氧化硅膜插入高介電常數(shù)膜和硅襯底之間的界面中作為界面氧化層。決定電特性的界面結(jié)構(gòu)與一種高介電常數(shù)薄膜的制備方法有很深的關(guān)系。例如，即使通過(guò)CVD或?yàn)R射方法將高介電常數(shù)薄膜直接淀積在硅襯底的表面上，當(dāng)在淀積期間引入氧化劑時(shí)或當(dāng)大量的剩余氧存在于淀積設(shè)備中時(shí)，硅襯底的氧化也與薄膜淀積同時(shí)進(jìn)行以形成主要包括氧化硅膜的界面層。很難獨(dú)立地控制這些界面層的淀積，因此無(wú)法獨(dú)立地設(shè)計(jì)優(yōu)化界面電特性的結(jié)構(gòu)。
此時(shí)，有意插入氧化硅膜作為界面氧化層的技術(shù)包括在淀積高介電常數(shù)薄膜之前預(yù)先在硅襯底的表面上形成超薄氧化硅膜的方法和在進(jìn)行熱處理以允許生長(zhǎng)氧化硅膜前淀積高介電常數(shù)薄膜的方法。前一方法具有氧化硅膜的插入增強(qiáng)了界面熱穩(wěn)定性的效果。然而，被認(rèn)為很重要的是，由于氧化硅膜的低相對(duì)介電常數(shù)，所以在硅襯底表面上形成的超薄氧化硅膜的膜厚度應(yīng)為0.6nm或更薄。另外，在超薄氧化硅膜上淀積高介電常數(shù)薄膜的工藝中，超薄基礎(chǔ)氧化硅膜有時(shí)發(fā)生改變，因此使超薄氧化硅膜和硅襯底之間的界面特性變差。后一方法是利用氧容易在高介電常數(shù)薄膜中擴(kuò)散以形成界面層的現(xiàn)象的方法。然而，在高介電常數(shù)膜中的金屬元素在熱處理工藝時(shí)擴(kuò)散到界面層中的情況下，無(wú)法以優(yōu)良的電特性形成氧化硅膜和硅襯底之間的理想界面。
以這種方式，現(xiàn)有技術(shù)有如下問(wèn)題雖然為了改善具有高介電常數(shù)的柵絕緣膜的界面電特性，以良好的膜質(zhì)量形成高介電常數(shù)薄膜很有必要，同時(shí)保持氧化硅膜和硅襯底之間優(yōu)質(zhì)的界面，但很難分離和控制包括氧化硅膜的界面層的形成工藝和高介電常數(shù)膜的淀積工藝。

發(fā)明內(nèi)容
所述覆蓋層的膜厚度可為1nm或更薄。
所述覆蓋層的膜厚度可為0.5nm或更薄。
所述的絕緣膜結(jié)構(gòu)可具有組份調(diào)制(composition modulation)，其中在所述的硅區(qū)附近，在膜厚度方向上的硅的組份在最低部分和最高部分上高且在中央部分低。
所述的絕緣膜結(jié)構(gòu)可具有組份調(diào)制，其中在所述的硅區(qū)附近，在膜厚度方向上的所述至少一種金屬元素的組份在最低部分和最高部分上低且在中央部分高。
優(yōu)選的是所述絕緣膜結(jié)構(gòu)的等效氧化物厚度比所述至少一種金屬元素?cái)U(kuò)散到其中的氧化硅的等效氧化物厚度小。
構(gòu)成所述至少一個(gè)硅酸鹽區(qū)的所述氧化硅可以是其中已被引入氮的氮氧化硅。
在所述至少一個(gè)硅酸鹽區(qū)中的所述至少一種金屬元素的濃度分布可以是通過(guò)在大氣氣壓以下減壓氧氣條件下熱處理得到的分布。
所述的絕緣膜結(jié)構(gòu)還可包括由氮化硅和氮氧化硅中任意一種構(gòu)成的覆蓋區(qū)。
所述覆蓋區(qū)的厚度可以是0.5nm或更薄。
所述的導(dǎo)電區(qū)可包括柵極，并且所述的絕緣膜結(jié)構(gòu)可包括柵絕緣膜，且通過(guò)施加器件工作電壓之內(nèi)的柵偏壓，柵極電容量-偏壓特性的滯后寬度可以是5mV或更小。
所述的絕緣膜結(jié)構(gòu)可包括由含至少一種金屬元素的氧化硅構(gòu)成的硅酸鹽區(qū)和由不含所述至少一種金屬元素的氧化硅構(gòu)成的氧化硅區(qū)，且所述絕緣膜結(jié)構(gòu)的物理厚度可以為3.5nm或更薄，所述硅酸鹽區(qū)的物理厚度比所述氧化硅區(qū)的物理厚度薄。
所述硅酸鹽區(qū)的物理厚度可以是1.5nm或更薄。
所述的導(dǎo)電區(qū)可包括柵極，所述的絕緣膜結(jié)構(gòu)包括柵絕緣膜，該柵極具有氮化膜側(cè)壁。
本發(fā)明的第二方面提供了一種包括絕緣膜結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件的制造方法，該絕緣膜結(jié)構(gòu)將導(dǎo)電區(qū)與硅區(qū)電絕緣，該制造方法至少包括如下步驟在所述的硅區(qū)上形成基礎(chǔ)氧化硅膜；在所述的基礎(chǔ)氧化硅膜上形成金屬層；以及進(jìn)行熱處理，由此在所述基礎(chǔ)氧化硅膜和所述金屬層之間的界面中引起硅酸鹽反應(yīng)，以使得在所述金屬層中包含的至少一種金屬元素?zé)釘U(kuò)散到所述基礎(chǔ)氧化硅膜中，以由此形成包含硅酸鹽區(qū)的該絕緣膜結(jié)構(gòu)，該硅酸鹽區(qū)由包含熱擴(kuò)散到至少部分所述基礎(chǔ)氧化硅膜區(qū)域中的所述至少一種金屬元素的氧化硅構(gòu)成。
可在還原性氣氛下進(jìn)行引起所述界面硅酸鹽反應(yīng)的所述熱處理。
可在包含氫和氨中任意一種的氣氛下進(jìn)行引起所述界面硅酸鹽反應(yīng)的所述熱處理。
所述的熱擴(kuò)散能夠形成包括至少一個(gè)氧化硅區(qū)、至少一個(gè)富金屬區(qū)(metal rich region)和所述至少一個(gè)硅酸鹽區(qū)的所述絕緣膜結(jié)構(gòu)，該氧化硅區(qū)由所述至少一種金屬元素沒(méi)有通過(guò)所述熱擴(kuò)散擴(kuò)散到其中的氧化硅構(gòu)成，所述至少一種金屬元素以高的濃度擴(kuò)散到該富金屬區(qū)中，該硅酸鹽區(qū)位于所述氧化硅區(qū)和所述富金屬區(qū)之間且所述至少一種金屬元素以比所述富金屬區(qū)低的濃度擴(kuò)散到該硅酸鹽區(qū)中。
所述的硅酸鹽區(qū)可具有組份調(diào)制，其中所述至少一種金屬元素的組份隨著靠近所述的富金屬區(qū)而增加且隨著靠近所述的氧化硅區(qū)而降低，相反，其中硅的組份隨著靠近所述的富金屬區(qū)而降低且隨著靠近所述的氧化硅區(qū)而增加。
所述的富金屬區(qū)可包括不含硅的金屬氧化物。
所述的富金屬區(qū)可包括具有比所述硅酸鹽區(qū)更高的所述至少一種金屬元素的濃度分布的富金屬硅酸鹽。
形成所述金屬層的工藝可包括通過(guò)將殘留氧氣分壓設(shè)定為1×10-6乇或更低進(jìn)行的淀積工藝。
可通過(guò)使所述硅區(qū)的溫度從室溫升高來(lái)進(jìn)行所述金屬層的淀積工藝。
可在所述的熱處理工藝之后進(jìn)一步進(jìn)行氮化處理工藝。
所述的氮化處理工藝可包括在氨中的熱處理。
所述的氮化處理工藝可包括氮等離子體處理。
所述的至少一種金屬元素可以是Zr、Hf、Ta、Al、Ti、Nb、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu中的至少僅僅任意一種。
當(dāng)所述的至少一種金屬元素只是Al時(shí)，該金屬元素的源可包括與膜厚度不小于0.6nm的基礎(chǔ)氧化硅膜表面相鄰接的金屬層，該金屬層在所述的硅區(qū)上延伸。
所述的至少一種金屬元素可包括Zr、Hf、Ta、Al、Ti、Nb、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu中的至少僅僅任意一種，且該金屬元素的源可包括與膜厚度不小于1nm的基礎(chǔ)氧化硅膜的表面相鄰接的金屬層，該金屬層在所述的硅區(qū)上延伸。
所述金屬層的形成工藝可以是在金屬淀積的膜厚度為1nm或更薄的條件下進(jìn)行的工藝。
所述金屬層的形成工藝可以是在金屬淀積的膜厚度為0.6nm或更薄的條件下進(jìn)行的工藝。
可進(jìn)行所述的熱處理工藝，用于使在所述金屬層和所述基礎(chǔ)氧化硅膜之間的界面中的硅酸鹽反應(yīng)進(jìn)展到所述金屬層的上部，由此形成由硅酸鹽制成的向上直到且包括最高部分的所述絕緣膜結(jié)構(gòu)。
當(dāng)通過(guò)所述的熱處理工藝使未反應(yīng)金屬區(qū)留在所述金屬層中時(shí)，還可包括在所述熱處理工藝之后移除該未反應(yīng)金屬區(qū)的工藝。
可通過(guò)利用氫氟酸溶液或過(guò)氧化氨溶液進(jìn)行移除所述未反應(yīng)金屬區(qū)的工藝。
還可在移除所述的未反應(yīng)金屬區(qū)的工藝之后包括用于改善膜質(zhì)量的熱處理工藝。
在所述的金屬層形成工藝之后和在所述熱處理工藝之前，還包括在所述金屬層上淀積由含硅的絕緣膜構(gòu)成的覆蓋層的工藝，以由此進(jìn)行所述的硅酸鹽反應(yīng)以使所述至少一種金屬元素?zé)釘U(kuò)散到所述基礎(chǔ)氧化硅膜和所述的覆蓋層中，以由此形成由含有被熱擴(kuò)散到至少部分所述基礎(chǔ)氧化硅膜的區(qū)域中的所述至少一種金屬元素的氧化硅構(gòu)成的第一硅酸鹽層，而且形成由含有被熱擴(kuò)散到至少部分所述覆蓋層的區(qū)域中的所述至少一種金屬元素的硅絕緣體構(gòu)成的第二硅酸鹽層。
所述的覆蓋層可包括以下中的任意一種氧化硅膜、氮氧化硅膜、氮化硅膜和這些之中的至少兩種的層疊結(jié)構(gòu)。
所述的覆蓋層的膜厚度可以是1nm或更薄。
所述的覆蓋層的膜厚度可以是0.5nm或更薄。
所述的絕緣膜結(jié)構(gòu)可具有組份調(diào)制，其中在所述硅區(qū)附近，在膜厚度方向上的硅的組份在最低部分和最高部分上高且在中央部分低。
所述的絕緣膜結(jié)構(gòu)可具有組份調(diào)制，其中在所述硅區(qū)附近，在膜厚度方向上的所述至少一種金屬元素的組份在最低部分和最高部分上低且在中央部分高。
包括所述硅酸鹽區(qū)的所述絕緣膜結(jié)構(gòu)的等效氧化物厚度可以比所述基礎(chǔ)氧化硅膜的等效氧化物厚度小。
所述的基礎(chǔ)氧化硅膜可包括在其中已被引入氮的氮氧化硅膜。
可低于大氣壓的減壓氧氣條件下進(jìn)行所述的熱處理工藝。
所述的硅區(qū)可包括硅襯底，所述的導(dǎo)電區(qū)包括柵極，且所述的絕緣膜結(jié)構(gòu)包括柵絕緣膜。
本發(fā)明的第三方面提供了一種具有柵絕緣膜的半導(dǎo)體器件的制造設(shè)備，該柵絕緣膜將柵極與硅襯底電絕緣，該制造設(shè)備包括淀積室，引入其上形成了基礎(chǔ)氧化硅膜的所述硅襯底；金屬蒸發(fā)機(jī)構(gòu)，通過(guò)該金屬蒸發(fā)機(jī)構(gòu)將金屬層淀積在被引入該淀積室中的所述硅襯底的所述基礎(chǔ)氧化硅膜上；和真空泵，控制所述淀積室中的殘留氧氣分壓，其中所述的金屬蒸發(fā)機(jī)構(gòu)允許所述真空泵使殘留氧氣分壓為1×10-6乇或更低，以在所述的基礎(chǔ)氧化硅膜上淀積金屬層。
所述的制造設(shè)備還可包括襯底加熱機(jī)構(gòu)，通過(guò)該襯底加熱機(jī)構(gòu)對(duì)引入到所述淀積室中的所述硅襯底加熱。
所述的金屬蒸發(fā)機(jī)構(gòu)能夠使蒸發(fā)源和襯底之間的距離被設(shè)定為不小于100mm，以在所述的基礎(chǔ)氧化硅膜上淀積所述的金屬層。


圖1A至圖1D是在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中的半導(dǎo)體器件中的絕緣膜結(jié)構(gòu)的制造工藝的縱剖面圖，該絕緣膜結(jié)構(gòu)包括包含于半導(dǎo)體器件中的硅酸鹽高介電常數(shù)的薄膜。
圖2是表示在根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的柵絕緣膜結(jié)構(gòu)中包括的硅酸鹽高介電常數(shù)薄膜的膜厚方向上的金屬元素濃度分布的圖。
圖3A是表示絕緣膜結(jié)構(gòu)的縱剖面圖，其中通過(guò)圖1C中的金屬層和基礎(chǔ)氧化硅膜之間的界面反應(yīng)使未反應(yīng)區(qū)留在金屬層的上部上。
圖3B是表示在移除上部的未反應(yīng)區(qū)并進(jìn)一步改善圖3A所示的熱處理后的絕緣膜結(jié)構(gòu)的縱剖面圖。
圖4是用于說(shuō)明柵絕緣膜的物理膜厚度A和B，即在柵絕緣膜中含金屬元素的金屬硅酸鹽區(qū)的物理膜厚度A和不含金屬元素的氧化硅區(qū)的物理膜厚度B的關(guān)系的圖。
圖5是表示被應(yīng)用了根據(jù)圖2所示的本發(fā)明的絕緣膜結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件的一個(gè)實(shí)例的部分縱剖面圖。
圖6A至圖6D是在根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的半導(dǎo)體器件中包括的硅酸鹽高介電常數(shù)薄膜的絕緣膜結(jié)構(gòu)的制造工藝的部分縱剖面圖。
圖7是表示在圖6D中所示的絕緣膜結(jié)構(gòu)中包括的硅酸鹽高介電常數(shù)薄膜的膜厚度方向上的金屬元素濃度分布的圖。
圖8A至圖8D是表示根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)例的半導(dǎo)體器件中包括的硅酸鑭高介電常數(shù)薄膜的制造工藝的縱剖面圖。
圖9是表示用于制造圖8A至圖8D中所示的硅酸鑭高介電常數(shù)薄膜使用的真空蒸發(fā)設(shè)備的結(jié)構(gòu)的圖。
圖10是表示根據(jù)圖8D中所示的硅酸鑭高介電常數(shù)薄膜的電容量-電壓特性和電流-電壓特性得到的等效氧化物厚度和漏電流之間的關(guān)系圖。
圖11A至圖11D是表示根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)例的半導(dǎo)體器件中包括的硅酸鉿高介電常數(shù)薄膜的制造工藝的縱剖面圖。
圖12是表示圖11A至圖11D中所示的硅酸鉿高介電常數(shù)薄膜的制造工藝所使用的濺射淀積設(shè)備2的結(jié)構(gòu)的概觀圖。
具體實(shí)施例方式
以下，將結(jié)合附圖詳細(xì)地描述本發(fā)明的實(shí)施例。
圖1A至圖1D是在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中絕緣膜結(jié)構(gòu)的制造工藝中的部分縱剖面圖，該絕緣膜結(jié)構(gòu)包括包含于半導(dǎo)體器件中的硅酸鹽高介電常數(shù)的薄膜。圖2是表示在根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的柵絕緣膜結(jié)構(gòu)中包括的硅酸鹽高介電常數(shù)薄膜的膜厚方向上的金屬元素濃度分布圖。
在本實(shí)施例中的高介電常數(shù)薄膜的制造工藝中，在對(duì)圖1A中所示的硅襯底101的表面氫終端處理后，形成了包括氮氧膜的基礎(chǔ)氧化硅膜103，如圖1B所示。如圖1C所示，將金屬元素提供到基礎(chǔ)氧化硅膜的表面，以形成金屬層104。如圖1C所示，通過(guò)熱處理在硅襯底101上形成包括硅酸鹽區(qū)的絕緣膜結(jié)構(gòu)105。沒(méi)有在硅襯底101上直接淀積包括硅酸鹽的高介電常數(shù)的膜層，而是通過(guò)以熱處理引起基礎(chǔ)氧化硅膜103和金屬層104之的界面反應(yīng)，在硅襯底101上形成包括硅酸鹽區(qū)的絕緣膜結(jié)構(gòu)105作為高介電常數(shù)薄膜。
首先，在硅襯底101的表面上形成高質(zhì)量的基礎(chǔ)氧化硅膜103，如圖1B所示。注意到，對(duì)硅襯底101進(jìn)行氫終端(hydrogen termination)處理，其通過(guò)將表面終端氫102與余下的硅原子的價(jià)臂相結(jié)合而消除了不穩(wěn)定的末結(jié)合鍵(dangling bonds)?；A(chǔ)氧化硅膜103的膜厚度優(yōu)選的是被設(shè)定為與常規(guī)表面插入層的膜厚常用的0.6nm或更小的厚度相比一樣厚，以及最終所需要的絕緣膜結(jié)構(gòu)105的電性膜厚，即形成了與等效氧化物厚度一樣厚的基礎(chǔ)氧化硅膜103。雖然以后將結(jié)合圖2給出詳細(xì)的說(shuō)明，但絕緣膜結(jié)構(gòu)105包括用作通過(guò)界面反應(yīng)將金屬元素引入其中的高介電常數(shù)膜的硅酸鹽區(qū)105-2和沒(méi)有金屬元素引入其中的氧化硅區(qū)105-1。
圖1B中所示的基礎(chǔ)氧化硅膜103的形成方法不需具體的限制，但可以采用公知的熱氧化膜形成工藝作為一個(gè)示范例。在該情況下，需要基礎(chǔ)氧化硅膜103是超薄的，與最終形成的高介電常數(shù)柵絕緣膜結(jié)構(gòu)105的等效氧化物厚度一樣薄，以便RTO(快速熱氧化)有用。注意到，通過(guò)濕法工藝形成的化學(xué)氧化物能夠容易地形成超薄的基礎(chǔ)氧化硅膜103，但由于界面電特性變差而在本發(fā)明中不太能夠發(fā)揮出作用。而且，從減小等效氧化物厚度的角度來(lái)看，要求在硅襯底101表面上形成的基礎(chǔ)氧化硅膜103的膜厚、也就是在引起界面反應(yīng)之前的基礎(chǔ)氧化硅膜103的膜厚減小，如圖1B所示的工藝。然而，在以下描述的工藝中，為了使金屬元素?cái)U(kuò)散到基礎(chǔ)氧化硅膜103中，且為了保持基礎(chǔ)氧化硅膜103和硅襯底101之間高質(zhì)量的界面，優(yōu)選的是基礎(chǔ)氧化硅膜103的膜厚通常不小于1nm。然而，當(dāng)選擇像AL這樣的、金屬元素向基礎(chǔ)氧化硅膜103中的擴(kuò)散不是很顯著的元素時(shí)，可以將基礎(chǔ)氧化硅膜的膜厚減小到最小約0.6nm的程度。
另外，有用的是這樣的氮氧化膜被用作基礎(chǔ)層，在該氮氧化膜中，例如幾個(gè)百分比的微量的氮被引入到基礎(chǔ)氧化硅膜103中。在該情況下，一種這樣的結(jié)構(gòu)是有用的，在該結(jié)構(gòu)中，基礎(chǔ)氧化硅膜103的表面通過(guò)徹底氮化(radical nitriding)工藝被選擇性氮化使得氮不會(huì)被分離進(jìn)界面中。
接下來(lái)，如圖1C和圖1D所示，將構(gòu)成硅酸鹽的金屬元素提供到基礎(chǔ)氧化硅膜103的表面上，然后通過(guò)在提供金屬元素期間或之后執(zhí)行的熱處理工藝，在除了與作為基礎(chǔ)氧化硅膜103的一部分的硅襯底101的界面相附近的區(qū)域外的區(qū)域中，特別是在基礎(chǔ)氧化硅膜103的上層部分上，使金屬元素?cái)U(kuò)散到基礎(chǔ)氧化硅膜103中來(lái)形成硅酸鹽層105-2，在該硅酸鹽層105-2中硅氧化物轉(zhuǎn)換成了硅酸鹽。
可以將諸如CVD化學(xué)方法和濺射淀積之類的物理蒸發(fā)方法視作用于將金屬元素提供到基礎(chǔ)氧化硅膜103的表面的方式。特別地，考慮到構(gòu)成高介電常數(shù)膜的金屬元素的氧化速度非常快，優(yōu)選的是采用這樣一種超高真空的濺射方法，該方法能夠在如圖1B所示的金屬層104的形成工藝期間，將處理氣氛中的殘留氧氣分壓減少到1×10-6乇或更低。另外，通過(guò)濺射方法進(jìn)行的金屬淀積要求減少在淀積時(shí)對(duì)基礎(chǔ)氧化硅膜103的損傷，并且隔開濺射蒸發(fā)源和硅襯底101之間的距離、以及在快速的離子或大量的光子沒(méi)有進(jìn)入硅襯底101的情況下提供金屬變得重要。通常，蒸發(fā)源和襯底晶片之間的距離必須不小于100mm，且優(yōu)選的是確保距離不小于200mm的遠(yuǎn)程型淀積設(shè)備。而且，提供金屬的理想方法包括通過(guò)電子束加熱金屬材料的真空蒸發(fā)方法，或類似方法。
在提供金屬元素形成金屬層104的工藝中，上述的氣氛氣體和真空度很重要。更具體地，難以保持與硅襯底101的理想界面，是因?yàn)樵谕ㄟ^(guò)氧氣氛下的金屬蒸發(fā)諸如反應(yīng)性濺射和反應(yīng)性蒸發(fā)進(jìn)行的常規(guī)淀積方法中，氧化反應(yīng)與提供金屬元素一起進(jìn)行以形成化學(xué)計(jì)量的金屬氧化物，導(dǎo)致從淀積早期階段開始的界面反應(yīng)的進(jìn)行。然而，在如本發(fā)明這樣地提供金屬元素時(shí)殘留氧氣分壓為1×10-6乇或更低的條件下，如果將金屬元素提供到與從前相比更厚的不小于1nm的基礎(chǔ)氧化硅膜103上，盡管部分金屬元素由于受到微量殘留氧氣的影響而可能進(jìn)入氧化狀態(tài)，但很好地保存了基礎(chǔ)氧化硅膜103和硅襯底101之間的界面結(jié)構(gòu)。
在熱處理工藝時(shí)，在含有大量氧缺乏的金屬反應(yīng)區(qū)中進(jìn)行的氧化工藝中，界面反應(yīng)被加速。這使得在熱處理工藝時(shí)能夠有效地進(jìn)行基礎(chǔ)氧化硅膜103和金屬層104之間的界面硅酸鹽反應(yīng)。例如，如果在殘留氧氣分壓為1×10-6乇或更低的條件下利用真空蒸發(fā)方法將Zr元素提供到基礎(chǔ)氧化硅膜103，則在基礎(chǔ)氧化硅膜103的膜中的Si-O鍵的狀態(tài)不會(huì)出現(xiàn)變化，且由于Zr元素的快速氧化速度，大多數(shù)的Zr元素即使是在上述殘留氧氣分壓下也將被氧化。然而，在金屬反應(yīng)區(qū)中存在大量氧缺乏的事實(shí)以及雜亂的原子排列的結(jié)構(gòu)，可以通過(guò)X射線光電子光譜法的評(píng)價(jià)方法等來(lái)確定，因此使得在熱處理工藝時(shí)能夠有效地進(jìn)行界面硅酸鹽反應(yīng)。與此相反，如果在殘留氧氣分壓在高于1×10-6乇的條件下提供金屬元素，則金屬反應(yīng)區(qū)中氧缺乏的量將急劇下降，并且在熱處理工藝時(shí)界面硅酸鹽反應(yīng)將受到抑制。
注意，盡管僅僅將金屬元素引入基礎(chǔ)氧化硅膜103中會(huì)引起包含大量的氧缺乏的硅酸鹽結(jié)構(gòu)，但在金屬擴(kuò)散到基礎(chǔ)氧化硅膜103中后提供附加的減壓氧化處理能夠消除硅酸鹽層105-2的氧缺乏，同時(shí)保持具有硅襯底101的界面態(tài)，因?yàn)榕c基礎(chǔ)氧化硅膜103中的氧擴(kuò)散相比，在諸如硅酸鹽的高介電常數(shù)薄膜中的氧擴(kuò)散快速地進(jìn)行，且金屬元素進(jìn)一步氧化的速度極快。
另一方面，在諸如HfO2和ZrO2的高介電常數(shù)薄膜與硅襯底101之間的界面是熱穩(wěn)定的。然而，如果將構(gòu)成其為高介電常數(shù)膜的硅酸鹽層105-2的金屬元素提供到基礎(chǔ)氧化硅膜103的表面上，則金屬原子與氧原子的鍵金屬-O鍵比Si-O鍵強(qiáng)，因此將形成硅酸鹽鍵(金屬-O-Si)，且通過(guò)在提供金屬元素期間或在提供金屬元素后熱處理工藝期間升高襯底的溫度，可以促進(jìn)界面硅酸鹽形成的反應(yīng)。因此，借助具有化學(xué)計(jì)量膜組份的金屬氧化物，界面反應(yīng)將被加速到比界面氧化速度更快。
同時(shí)，在提供金屬元素形成金屬層104的工藝中，升高硅襯底101的溫度同樣是有效的。即使是在由于金屬元素的極其快速的氧化速度而引起降低的殘留氧氣分壓的設(shè)備中，仍有可能出現(xiàn)金屬層104的氧化。因此，在提供金屬元素來(lái)加速與基礎(chǔ)氧化硅膜103的反應(yīng)、即在提供金屬元素的同時(shí)發(fā)生的金屬元素?cái)U(kuò)散期間，使硅襯底101的溫度升高是有用的。然而，即使將硅襯底101的溫度設(shè)置在室溫，在如上所述的金屬反應(yīng)區(qū)中將存在大量的氧缺乏。因此，即使在提供金屬元素后進(jìn)行熱處理，界面反應(yīng)即金屬元素?cái)U(kuò)散也會(huì)被加速。
可以將用于熱處理工藝的條件視為包括以金屬元素?cái)U(kuò)散為主要目降低氧氣分壓下的條件，和在以減少氧缺乏為主要目的時(shí)氣氛中包含氧氣的條件。然而，硅酸鹽層105-2中的氧缺乏降低即使是在微小氧氣分壓下也會(huì)發(fā)生，，從而可以減少在熱處理期間的氧氣分壓，以獲得基礎(chǔ)氧化硅膜103和硅襯底101之間的界面氧化受到抑制的條件。
這提供了一種結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中，對(duì)金屬元素?cái)U(kuò)散到基礎(chǔ)氧化硅膜103中的工藝條件進(jìn)行優(yōu)化防止了金屬元素到達(dá)基礎(chǔ)氧化硅膜103和硅襯底101之間的界面，而且這還提供了絕緣膜結(jié)構(gòu)105，如圖1D所示，該絕緣膜結(jié)構(gòu)105由氧化硅區(qū)105-1、硅酸鹽區(qū)105-2和富金屬區(qū)105-3組成。
如圖2所示，在膜厚度方向即絕緣膜結(jié)構(gòu)105的深度方向上的金屬元素濃度分布中，金屬元素濃度在絕緣膜結(jié)構(gòu)105的表面上是最高的，且隨著絕緣膜結(jié)構(gòu)105的深度增加而降低，結(jié)果金屬元素濃度在在絕緣膜結(jié)構(gòu)105表面起的某一深度處接近零。更具體來(lái)講，沒(méi)有金屬元素?cái)U(kuò)散到與硅襯底101的界面的附近區(qū)域中，使得金屬元素濃度基本上為零。換句話說(shuō)，在絕緣膜結(jié)構(gòu)105中，接近與硅襯底101相接的界面的區(qū)域成為不包含金屬元素的氧化硅區(qū)105-1。在絕緣膜結(jié)構(gòu)105和硅襯底101之間的界面中，可以保持與在圖1B所示的工藝中在硅襯底101的表面上形成基礎(chǔ)氧化硅膜103之后立即提供的一樣優(yōu)質(zhì)的界面結(jié)構(gòu)。另一方面，在絕緣膜結(jié)構(gòu)105的上部中金屬組份較高，然而在絕緣膜結(jié)構(gòu)105的表面上，依靠金屬擴(kuò)散工藝或熱處理?xiàng)l件，來(lái)確定不含硅的金屬氧化物或富金屬硅酸鹽。包括該金屬氧化物或富金屬硅酸鹽的上部區(qū)稱為富金屬區(qū)105-3。在絕緣膜結(jié)構(gòu)105中，氧化硅區(qū)105-1和富金屬區(qū)105-3之間的區(qū)域稱為硅酸鹽區(qū)105-2。硅酸鹽區(qū)105-2具有組份調(diào)制，且隨著接近富金屬區(qū)105-3，金屬元素濃度也就是金屬組份增加并且硅組份降低，而隨著接近氧化硅區(qū)105-1，金屬元素濃度即金屬組份降低并且硅組份增加。更具體來(lái)講，絕緣膜結(jié)構(gòu)105鄰接硅襯底101，且包括以下區(qū)域一個(gè)是氧化硅區(qū)105-1，沒(méi)有金屬元素被上述界面反應(yīng)引入其中；一個(gè)是組份調(diào)制的硅酸鹽區(qū)105-2，在氧化硅區(qū)105-1上延伸并具有通過(guò)伴隨上述界面反應(yīng)引入金屬元素而得到的組份調(diào)制；以及一個(gè)是富金屬硅酸鹽區(qū)105-3，在硅酸鹽區(qū)105-2上延伸并具有高的金屬元素濃度即金屬組份。注意，圖2中示出了在包含硅酸鹽區(qū)的絕緣膜結(jié)構(gòu)105上形成的柵極106。
提供到基礎(chǔ)氧化硅膜103的表面上形成硅酸鹽的金屬元素包括Zr、Hf、Ta、Al、Ti和Nb，或稀土元素Sc和Y，或鑭系元素系列La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu。由本發(fā)明提議的高介電常數(shù)膜的制備方法可以應(yīng)用到所有的這些金屬元素，但金屬擴(kuò)散到基礎(chǔ)氧化硅膜103中的速度隨著材料特性的不同而變化。例如，由La代表的鑭系元素氧化物具有易于與氧化硅混合的特性，且相對(duì)地容易發(fā)生到基礎(chǔ)氧化硅膜103中的金屬擴(kuò)散。另一方面，Al等不容易擴(kuò)散到基礎(chǔ)氧化硅膜103中，但從原子級(jí)角度來(lái)看，其形成了界面層。另外，Zr、Hf等的特性位于這些特性中間。因此，有必要針對(duì)上述每種材料進(jìn)行金屬提供和擴(kuò)散條件的最優(yōu)化。
在這些當(dāng)中，依賴于金屬提供的金屬淀積層的膜厚是重要的工藝參數(shù)，其由于以下原因決定了半導(dǎo)體器件的特性。當(dāng)金屬淀積的膜厚度比必要的厚時(shí)，基礎(chǔ)盡管執(zhí)行了在與氧化硅膜相接的界面中形成硅酸鹽的工藝，但在金屬層的上部中金屬組份很高，且在一些情況下，形成了不含硅的厚金屬氧化層。該不含硅的金屬氧化層具有高的相對(duì)介電常數(shù)，且在減小穿過(guò)柵絕緣膜的漏電流時(shí)是有效的，但熱穩(wěn)定性變差。而且，當(dāng)金屬氧化物中的固定電荷密度很高時(shí)，將出現(xiàn)諸如器件出現(xiàn)工作電壓偏移之類的可靠性方面的問(wèn)題。因此，在形成良好電特性的硅酸鹽高介電柵絕緣膜時(shí)，在最優(yōu)化上述的基礎(chǔ)氧化膜厚度之外還將金屬淀積層的膜厚最優(yōu)化是很重要的。
另外，至于基礎(chǔ)氧化硅膜和上金屬層之間的擴(kuò)散反應(yīng)，優(yōu)選的是金屬層104的所有區(qū)域都起反應(yīng)。在未反應(yīng)區(qū)留在金屬層104中的情況下，將引起柵絕緣膜的特性變差。在這種情況下，可以移除或隔開金屬層104中的未反應(yīng)區(qū)，以便只將通過(guò)與基礎(chǔ)氧化膜進(jìn)行的界面反應(yīng)所形成的區(qū)域用作柵絕緣膜。
圖3A是表示絕緣膜結(jié)構(gòu)105的縱剖面圖，其中通過(guò)圖1C中的金屬層104和基礎(chǔ)氧化硅膜103之間的界面反應(yīng)，使未反應(yīng)區(qū)105-5留在金屬層104的上部上。圖3A中所示的絕緣膜結(jié)構(gòu)105包括以下區(qū)域一個(gè)是氧化硅區(qū)105-1，其與硅襯底101鄰接并沒(méi)有金屬元素被上述界面反應(yīng)引入其中；一個(gè)是組份調(diào)制的硅酸鹽區(qū)105-2，其在氧化硅區(qū)105-1上延伸并具有通過(guò)伴隨上述界面反應(yīng)引入金屬元素而進(jìn)行的組份調(diào)制；一個(gè)是富金屬硅酸鹽區(qū)105-3，其在硅酸鹽區(qū)105-2上延伸并具有高的金屬元素濃度即金屬組份；以及一個(gè)是上部的未反應(yīng)金屬區(qū)105-5，其在富金屬硅酸鹽區(qū)105-3上延伸。如上所述，上部的未反應(yīng)金屬區(qū)105-5使柵絕緣膜的特性變差，所以上部的未反應(yīng)金屬區(qū)105-5被移除，并緊接著進(jìn)一步進(jìn)行改善熱處理。圖3B是表示在移除圖3A所示的上部的未反應(yīng)金屬區(qū)105-5、并緊接著進(jìn)一步進(jìn)行改善熱處理之后的柵絕緣膜結(jié)構(gòu)105的縱剖面圖，。例如能夠通過(guò)蝕刻移除未反應(yīng)金屬區(qū)105-5。作為濕法蝕刻溶液，可以使用基于(basedon)稀釋的氫氟酸溶液或過(guò)氧化氨溶液的溶液。而且，通過(guò)在移除未反應(yīng)金屬區(qū)105-5的工藝之后進(jìn)行附加的熱處理，可以改善柵絕緣膜的特性。
另外，用于實(shí)現(xiàn)從圖1C中所示的金屬層104到基礎(chǔ)氧化硅膜103中的金屬擴(kuò)散的熱處理工藝在還原性(reducing)氣氛下被執(zhí)行，由此使得能夠更有效地實(shí)現(xiàn)金屬的到基礎(chǔ)氧化硅膜103中的擴(kuò)散反應(yīng)。其目的是通過(guò)在從金屬擴(kuò)散中移除氧原子的條件下執(zhí)行熱處理，使上述的上部反應(yīng)區(qū)氧缺乏，以便到基礎(chǔ)氧化硅膜103中的金屬擴(kuò)散。氫氣氛和氨氣氛與上述的還原性氣氛同樣地有效。而且，優(yōu)選的是進(jìn)行在氧氣氛下的熱處理，即在上述在還原性氣氛中的處理之后進(jìn)行的氧化處理，由此彌補(bǔ)了由界面反應(yīng)形成的金屬硅酸鹽膜中的氧缺乏。
另外，在形成上述的各種高介電常數(shù)柵絕緣膜后，將氮引入膜中在提高高介電常數(shù)膜的熱電阻時(shí)是有效的。上述的氮化工藝包括氨中的熱處理或氮等離子體處理。
另外，在形成上述的各種高介電常數(shù)柵絕緣膜105后和在形成柵極106前，形成包括膜厚為1.0nm或更薄的且優(yōu)選為0.5nm或更薄的氮化硅膜的覆蓋層或包括氮氧化硅膜的覆蓋層是有效的，其目的在于抑制高介電常數(shù)絕緣膜105和柵極106之間的界面反應(yīng)。
有效的是這樣的柵絕緣膜結(jié)構(gòu)，其特征在于高質(zhì)量的高介電常數(shù)柵絕緣膜結(jié)構(gòu)105具有物理膜厚度為3.5nm或更薄的柵絕緣膜層105，其被提供在硅襯底101和柵極106之間，且存在于其上層部分上的含金屬的硅酸鹽層的物理膜厚度比最初形成的基礎(chǔ)氧化硅膜的膜厚度薄，且示于圖1C中。圖4是用于說(shuō)明厚度A和B即在柵絕緣膜105中含金屬元素的金屬硅酸鹽區(qū)的厚度A和不含金屬元素的氧化硅區(qū)的厚度B的關(guān)系的圖。此處，含金屬元素的金屬硅酸鹽區(qū)與圖3B中的組份調(diào)制的硅酸鹽區(qū)105-2和富金屬硅酸鹽區(qū)105-3等效，而不含金屬元素的氧化硅區(qū)與圖3B中的氧化硅區(qū)105-1等效。而且，從改善柵絕緣膜105的電特性和可靠性的角度來(lái)看，金屬硅酸鹽區(qū)的厚度A優(yōu)選為1.5nm或更薄。
圖5是表示被應(yīng)用了根據(jù)本發(fā)明圖2所示的絕緣膜結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件的一個(gè)實(shí)例的部分縱剖面圖。場(chǎng)效應(yīng)晶體管包括硅襯底101、選擇性地形成在硅襯底101中的源區(qū)109-1和漏區(qū)109-2、具有形成在硅襯底101表面上的上述柵絕緣膜結(jié)構(gòu)的柵絕緣膜105、形成在柵絕緣膜105上的柵極106、形成在柵極106側(cè)壁上的氮化膜側(cè)壁107和形成在氮化膜側(cè)壁107上的氧化膜側(cè)壁108。優(yōu)選的是提供氮化膜側(cè)壁107，目的在于保護(hù)柵極蝕刻后暴露出的柵側(cè)壁部分。
而且，上述的高介電常數(shù)柵極膜特征在于通過(guò)在器件工作電壓之內(nèi)施加偏壓，柵極電容量-柵壓曲線的滯后為5mV或更低。
另外，上述的描述已經(jīng)指示出一種在基礎(chǔ)氧化硅膜上形成作為金屬擴(kuò)散源的金屬層以便對(duì)該層疊結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱處理的工藝，來(lái)作為利用氧化硅膜和金屬層之間的界面反應(yīng)進(jìn)行的硅酸鹽形成。然而，還可以在基礎(chǔ)氧化硅膜上形成金屬層后，進(jìn)一步在金屬層上形成上覆蓋層，并接著進(jìn)行熱處理以使金屬?gòu)慕饘賹訑U(kuò)散到分別在金屬層之上和之下的上覆蓋層和基礎(chǔ)氧化硅膜中，以形成具有組份調(diào)制的金屬硅酸鹽柵絕緣膜。
圖6A至6D是在根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的半導(dǎo)體器件中包括的硅酸鹽高介電常數(shù)薄膜的絕緣膜結(jié)構(gòu)的制造工藝的部分縱剖面圖。
如圖6A所示，在硅襯底101上形成基礎(chǔ)氧化硅膜103。如圖6B所示，將金屬元素提供到基礎(chǔ)氧化硅膜103的表面上，以形成金屬層104。如圖6C所示，在金屬層104上形成覆蓋層110。如圖6D所示，通過(guò)熱處理在硅襯底101上形成包括硅酸鹽區(qū)的絕緣膜結(jié)構(gòu)105。沒(méi)有將包括硅酸鹽的高介電常數(shù)膜層直接淀積在硅襯底101上，而是通過(guò)進(jìn)行熱處理以便在基礎(chǔ)氧化硅膜103與金屬層104之間的界面以及覆蓋層110和金屬層104之間的界面中引起硅酸鹽反應(yīng)，將金屬?gòu)慕饘賹?04熱擴(kuò)散到基礎(chǔ)氧化硅膜103和覆蓋層110中，從而形成圖6D所示的包括硅酸鹽區(qū)的絕緣膜結(jié)構(gòu)105。絕緣膜結(jié)構(gòu)105′可選自以下區(qū)域一個(gè)是氧化硅區(qū)105-1，其在硅襯底101上延伸且沒(méi)有金屬元素引入其中；一個(gè)是第一硅酸鹽區(qū)105-2，其在氧化硅區(qū)105-1上延伸并通過(guò)上述硅酸鹽反應(yīng)使金屬熱擴(kuò)散到其中；一個(gè)是富金屬區(qū)105-3，其在第一硅酸鹽區(qū)105-2上延伸；以及一個(gè)是第二硅酸鹽區(qū)105-4，其在富金屬區(qū)105-3上延伸并通過(guò)上述硅酸鹽反應(yīng)使金屬熱擴(kuò)散到其中。上述的基礎(chǔ)氧化硅膜103可選自氧化硅膜和氮氧化硅膜的組合。覆蓋層110可選自硅層、氧化硅膜層、氮化硅層和氮氧化硅膜層的組合。而且，有效的是使用1nm或更小、優(yōu)選0.5nm或更小作為覆蓋層110的膜厚度的超薄膜。注意到，為了避免冗長(zhǎng)，將省略與上文結(jié)合圖1A至圖1D描述的制造工藝重復(fù)的說(shuō)明。
圖7是表示在圖6D所示的絕緣膜結(jié)構(gòu)105′中包括的硅酸鹽高介電常數(shù)薄膜的膜厚度方向上的金屬元素濃度分布圖。如圖7所示，對(duì)于在膜厚度方向即絕緣膜結(jié)構(gòu)105′的深度方向上的金屬元素濃度分布，金屬元素濃度分布在富金屬區(qū)105-3中最高，且隨著離開第一和第二硅酸鹽區(qū)105-2和105-4中的富金屬區(qū)105-3的距離的增加而降低。更具體來(lái)講，在第一硅酸鹽區(qū)105-2中，金屬元素濃度隨著深度的增加而降低，而在第二硅酸鹽區(qū)105-4中，金屬元素濃度隨著深度的增加而增加。即，在靠近與硅襯底101相接的界面的區(qū)域中，沒(méi)有金屬元素?cái)U(kuò)散，結(jié)果金屬元素濃度基本上為零。即，在絕緣膜結(jié)構(gòu)105′中，靠近與硅襯底101相接的界面的區(qū)域是不含有金屬元素的氧化硅區(qū)105-1。
(實(shí)例)(第一實(shí)例)圖8A至圖8D是表示在根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)例的半導(dǎo)體器件中包括的硅酸鑭高介電常數(shù)薄膜的制造工藝的縱剖面圖。圖9是表示用于制造圖8A至圖8D中所示的硅酸鑭高介電常數(shù)薄膜使用的真空蒸發(fā)設(shè)備的結(jié)構(gòu)的概觀圖。圖10是表示從圖8D中所示的硅酸鑭高介電常數(shù)薄膜的電容量-電壓特性和電流-電壓特性得到的等效氧化物厚度和漏電流之間的關(guān)系圖。
在第一實(shí)例中，形成基礎(chǔ)氧化硅膜103作為基層，使用La作為金屬元素形成硅酸鑭高介電常數(shù)薄膜205，利用硅酸鑭高介電常數(shù)薄膜205驗(yàn)證半導(dǎo)體器件的特性。
如圖8A所示，在清洗硅襯底101后，用氫氟酸處理移除表面氧化膜，并通過(guò)RTO表面氧化硅襯底101以形成具有膜厚為1.1nm的基礎(chǔ)氧化硅膜103。通過(guò)在減壓氧氣條件下(500Pa)使襯底溫度達(dá)到700℃，進(jìn)行RTO。
接下來(lái)，其中形成基礎(chǔ)氧化硅膜103的硅襯底101被裝配在晶片運(yùn)送系統(tǒng)403上，并通過(guò)晶片引入室402將硅襯底101引入淀積室401中，以通過(guò)利用電子束蒸發(fā)裝置406的LA蒸發(fā)源的電子束加熱(電子束蒸發(fā))，在基礎(chǔ)氧化硅膜103上淀積金屬鑭層204。在淀積金屬元素期間，通過(guò)用粗選真空泵408和主空氣泵407進(jìn)行真空處理將淀積室401的真空度設(shè)定為2×10-9乇或更低的條件，并通過(guò)室溫和襯底加熱裝置405的加熱將硅襯底101的襯底溫度設(shè)定為500℃。
接下來(lái)，將其上淀積金屬鑭層204的硅襯底101從淀積室401取出，且為了補(bǔ)償膜中的氧缺乏，在氮?dú)夥障略?00℃進(jìn)行熱處理10分鐘，以形成由氧化硅膜區(qū)205-1、La硅酸鹽區(qū)205-2和富La區(qū)205-3構(gòu)成的硅酸鑭高介電常數(shù)薄膜205。利用水平型石英反應(yīng)器進(jìn)行熱處理工藝，以便借助處理氣氛中的殘留氧或晶片輸送時(shí)吸收的氧，使氧引入膜中并使金屬擴(kuò)散到基礎(chǔ)氧化硅膜103中。
對(duì)于以這種方式形成的硅酸鑭高介電常數(shù)薄膜205，對(duì)其電容量-電壓和電流-電壓特性進(jìn)行了評(píng)估，對(duì)其等效氧化物厚度(EOT)和漏電流(Jg)進(jìn)行了測(cè)量，并且與基礎(chǔ)氧化硅膜103的特性進(jìn)行了比較。將比較結(jié)果示于圖10中。
圖10分別示出了在鑭淀積時(shí)硅襯底101溫度為室溫和500℃的不同條件下受到比較的樣品的各自的特性結(jié)果，其揭示了在與基礎(chǔ)氧化硅膜103相比時(shí)，漏電流在所有的樣品都被減少了。
另外，通過(guò)使在鑭淀積時(shí)的硅襯底101的溫度為500℃而被執(zhí)行了比較的樣品，顯示出了等效氧化物厚度比基礎(chǔ)氧化硅膜103的膜厚度薄，由此可以確定的是鑭被擴(kuò)散進(jìn)了基礎(chǔ)氧化硅膜103中，且通過(guò)本發(fā)明的上述制造方法提高了高介電性。而且，在通過(guò)使在鑭淀積時(shí)的硅襯底101的溫度為室溫而被執(zhí)行了比較的樣品中的等效氧化物厚度最薄的樣品，顯示出等效氧化物厚度比基礎(chǔ)氧化硅膜103的膜厚度薄，由此可以確定的是即使是在硅襯底101的溫度為室溫的條件下仍通過(guò)金屬擴(kuò)散提高了高介電性。以這種方式，在鑭淀積時(shí)襯底溫度高的樣品中，等效氧化物厚度傾向于很薄，由此確定了在鑭淀積時(shí)使硅襯底101的溫度升高的效果。
另外，作為測(cè)定界面態(tài)密度的結(jié)果，可以確定的是與將硅酸鑭直接淀積在硅襯底101上的情況相比，通過(guò)應(yīng)用本發(fā)明的制造方法，缺陷密度被減少到1/5至1/10。而且，作為使硅酸鑭高介電常數(shù)薄膜205成為柵絕緣膜以便使用多晶硅柵極試制作MOSFET的結(jié)果，與將硅酸鑭直接淀積在硅襯底101上的情況相比，遷移率增加了不小于50％。
(第二實(shí)例)
圖11A至圖11D是表示根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)例的半導(dǎo)體器件中包括的硅酸鉿高介電常數(shù)薄膜的制造工藝的縱剖面圖。圖12是表示圖11A至圖11D中所示的硅酸鉿高介電常數(shù)薄膜的制造工藝所使用的濺射淀積設(shè)備的結(jié)構(gòu)的概觀圖。
在第二實(shí)例中，形成氮氧化硅膜203作為基層，且利用Hf作金屬元素形成硅酸鉿高介電常數(shù)薄膜305，使用硅酸鉿高介電常數(shù)薄膜305來(lái)驗(yàn)證半導(dǎo)體器件的特性。在第二實(shí)例中使用氮氧化硅膜203作為基礎(chǔ)氧化膜的原因是為了通過(guò)將氮添加到高介電常數(shù)材料來(lái)改善耐熱性。
在清洗硅襯底101后，用氫氟酸處理來(lái)移除表面氧化膜，并通過(guò)RTO表面氧化硅襯底101，從而形成了1.5nm膜厚的基礎(chǔ)氧化硅膜103。通過(guò)在減壓氧氣條件下(500Pa)并以700℃的襯底溫度來(lái)進(jìn)行RTO。
接下來(lái)，利用真空設(shè)備對(duì)基礎(chǔ)氧化硅膜103的表面進(jìn)行氮化處理，在該真空設(shè)備上裝配了ECR(電子回旋加速器諧振)輻射源作為等離子體源，以形成氮氧化硅膜203。在襯底溫度為500℃、氮?dú)鈮簽?.3Pa和輸入功率為100W的徹底氮化(nitrogen radical)的輻射條件下進(jìn)行氮化處理。
接下來(lái)，將其中形成氮氧化硅膜203的硅襯底101裝配在晶片運(yùn)送系統(tǒng)703上，并將硅襯底101經(jīng)由晶片引入室702引入到淀積室701中，該淀積室701是可超高真空遠(yuǎn)程型的濺射裝置。然后，使用濺射蒸發(fā)機(jī)構(gòu)706進(jìn)行以Hf靶為蒸發(fā)源、并以氬為濺射氣體的金屬層淀積，以在氮氧化硅膜203上淀積鉿淀積層304。在金屬元素淀積時(shí)，通過(guò)用粗選真空泵708和主空氣泵707進(jìn)行真空處理，將淀積室701的真空度設(shè)定為5×10-9乇或更低，將硅襯底101的襯底溫度設(shè)定為室溫，將濺射源和晶片之間的距離設(shè)定為300mm用于減小損傷，將氬氣體部分氣壓設(shè)定在0.05Pa，且將輸入功率設(shè)定為500W。
接下來(lái)，在淀積鉿淀積層304后，在1×10-6乇或更低的真空度下、在600℃進(jìn)行連續(xù)的熱處理達(dá)10分鐘，然后從淀積室701將硅襯底101取出。為了補(bǔ)償膜中的氧缺乏，在氮?dú)夥障?、?00℃進(jìn)一步進(jìn)行熱處理達(dá)10分鐘，以形成由氮氧化硅膜區(qū)305-1、Hf硅酸鹽區(qū)305-2和富Hf區(qū)305-3構(gòu)成的硅酸鉿高介電常數(shù)薄膜305?？衫盟叫褪⒎磻?yīng)器進(jìn)行熱處理工藝，使得能夠通過(guò)處理氣氛下剩余的氧或晶片輸送中吸收的氧將氧引入膜中且將金屬擴(kuò)散到基礎(chǔ)氧化硅膜103中。
作為評(píng)估電容量-電壓和電流-電壓特性的結(jié)果，可以確定的是，有效氧化物厚度為1.45nm，且漏電流與氧化硅膜的相比，能夠被多減少三至四個(gè)數(shù)位。
另外，可以確定的是與依照現(xiàn)有技術(shù)通過(guò)反應(yīng)性濺射方法將HfO2直接淀積在厚度為0.5nm的基礎(chǔ)氧化硅膜103上的情況相比，應(yīng)用本發(fā)明的制造方法由此將界面缺陷密度減少了約1/5。而且，作為評(píng)估關(guān)于熱處理的熱處理結(jié)晶溫度的結(jié)果，與沒(méi)有在其中引入氮的硅酸鉿高介電常數(shù)薄膜305相比，耐熱性提高了50℃至100℃。另一方面，作為使硅酸鉿高介電常數(shù)薄膜305成為柵絕緣膜、以便使用多晶硅柵極試制作MOSFET的結(jié)果，與將硅酸鉿直接淀積在硅襯底上的情況相比，遷移率增加了不小于40％。
在本第二實(shí)例中，可以確定的是當(dāng)通過(guò)使金屬鉿的淀積膜為0.4至0.6nm和1.0nm來(lái)制備MOSFET時(shí)，與氧化硅膜相比漏電流值分別能夠減少約三個(gè)數(shù)位和約四個(gè)數(shù)位。
另外，為具有不同的金屬鉿膜厚度的這些器件，評(píng)估根據(jù)絕緣膜和硅襯底之間的界面中存在的電性缺陷(界面缺陷密度點(diǎn)(Dit))估計(jì)得到的器件壽命(絕緣膜的可靠性)和與器件工作有關(guān)的閾值電壓漂移。結(jié)果，可以確定的是在通過(guò)使金屬Hf的膜厚度為0.4到0.6nm制備出的器件中，界面缺陷密度與通過(guò)使淀積膜厚度為1.0nm制備出的器件相比能減少到小于1/2，并且器件壽命(可靠性)能提高十倍或更多。而且，可確定的是在晶體管的工作電壓內(nèi)的電容量-柵極電壓特性(C-V特性)的滯后為5mV或更小。因此，可確定的是，從減少的漏電流和諸如器件壽命的器件可靠性的角度來(lái)看，金屬層的膜厚優(yōu)選為1nm或更薄，且更優(yōu)選為0.6nm或更薄。膜厚度的較低限制并不特別地限制，只要形成具有顯著厚度的硅酸鹽層即可，但當(dāng)膜的厚度例如不小于0.4nm時(shí)效果顯著。在進(jìn)行器件設(shè)計(jì)時(shí)，可從上述膜厚的范圍內(nèi)選擇任意的膜厚度。然而，例如，如果對(duì)減小漏電流給予優(yōu)先權(quán)，則使金屬淀積層的厚度為接近1nm的值的硅酸鹽淀積很有效。另一方面，如果對(duì)設(shè)定器件可靠性給予優(yōu)先權(quán)，則使金屬淀積層的厚度為0.4至0.6nm的硅酸鹽淀積很有效。
另外，可確定的是獲得減少柵絕緣膜漏電流的效果以及晶體管遷移率的改善、以及確保實(shí)現(xiàn)可靠性的一種典型的結(jié)構(gòu)，具有3.5nm或更薄的總物理膜厚，還可確定的是如果不含金屬元素的基礎(chǔ)氧化硅膜區(qū)的物理膜厚度(B)比含金屬元素的硅酸鹽區(qū)的物理膜厚度(A)薄，即如果滿足關(guān)系A(chǔ)＜B，則能夠獲得優(yōu)良的特性。該典型例子包括1.4nm的未反應(yīng)基礎(chǔ)氧化硅膜的物理膜厚、1.2nm的含金屬的上硅酸鹽層的物理膜厚和1.75nm的電性膜厚。
而且，為了制造上述的晶體管結(jié)構(gòu)，當(dāng)在柵極側(cè)壁上形成包括氮化硅膜的側(cè)壁時(shí)，具有短?hào)艠O長(zhǎng)的小晶體管提供了良好的晶體管特性。
另外，在上述的實(shí)例中Hf金屬用作金屬擴(kuò)散源，但有用的是在金屬Hf淀積期間引入氮作為濺射氣體來(lái)淀積HfN(氮化鉿)。在以與上述相似的方式淀積HfN后，通過(guò)在1.5nm厚的基礎(chǔ)氧化硅膜上進(jìn)行熱處理能夠制備Hf硅酸鹽膜(HfSiON)。在Hf硅酸鹽膜中氮?dú)埩羯僦良s4％，因?yàn)槟ぶ械牟糠值跓崽幚頃r(shí)被熱吸收了。然而，可確定的是通過(guò)本淀積方法將氮引入金屬硅酸鹽中，由此能夠使絕緣膜的結(jié)晶溫度增加50℃，并通過(guò)氮的引入提高了耐熱性。另外，在金屬氮化物的情況下，從確保柵絕緣膜的可靠性的角度來(lái)看，當(dāng)金屬氮化膜的膜厚度為1nm或更薄、且優(yōu)選為0.6nm或更薄時(shí)，柵絕緣膜的電容量-柵極電壓特性的滯后能夠?yàn)?mV。
如上所述，根據(jù)本實(shí)施例，在硅襯底101的表面上形成基礎(chǔ)氧化硅膜103后，金屬層淀積工藝和提供用于構(gòu)成基礎(chǔ)氧化硅膜103表面上的高介電常數(shù)膜的金屬元素的熱處理工藝能夠使金屬元素?cái)U(kuò)散到基礎(chǔ)氧化硅膜103中，由此形成包括硅酸鹽區(qū)的柵絕緣膜結(jié)構(gòu)105作為柵絕緣膜，由此可獲得能夠在高介電常數(shù)薄膜和硅襯底之間的界面中形成具有基礎(chǔ)氧化硅膜和硅襯底之間的優(yōu)質(zhì)界面的柵絕緣膜結(jié)構(gòu)，并獲得了提高界面電特性的效果，而這正是在實(shí)際使用高介電常數(shù)薄膜時(shí)長(zhǎng)期存在的課題。
而且，根據(jù)本發(fā)明，獨(dú)立地控制金屬擴(kuò)散到基礎(chǔ)氧化硅膜103中能使金屬元素只擴(kuò)散到基礎(chǔ)氧化硅膜103的表面?zhèn)壬?，使得更容易?yōu)化了沒(méi)有金屬元素到達(dá)氧化硅膜和硅襯底之間的界面的條件，并能夠獲得制備具有良好界面電特性的高介電柵絕緣膜的效果。
在這些和其它的實(shí)施例中，金屬的膜厚度變薄，且金屬膜完全擴(kuò)散并進(jìn)入到硅酸鹽中以獲得硅酸鹽淀積。然而，如果使用了具有較厚的膜厚度的金屬膜，則存在這樣的可能性具有基礎(chǔ)氧化硅膜的未反應(yīng)金屬區(qū)可能被保留到熱處理之后。在該情況下，可移除未反應(yīng)的金屬區(qū)，以便只使用制成硅酸鹽的區(qū)域作為柵絕緣膜。
另外，雖然上述的第一和第二實(shí)例示出了已使用基礎(chǔ)氧化膜和上部含金屬層的雙層結(jié)構(gòu)的情況，但在進(jìn)行熱處理之前在上述的雙層結(jié)構(gòu)之上還形成了基于硅或氧化硅膜的覆蓋層，由此能夠形成在最上層上具有富硅區(qū)的結(jié)構(gòu)。
在該情況下，在通過(guò)與第二實(shí)例相似的RTO和濺射淀積形成包括氧化硅膜和金屬Hf的雙層結(jié)構(gòu)后，通過(guò)利用Si靶的濺射淀積形成了0.5nm膜厚的硅覆蓋層。然后，在氧氣氛下、在500℃進(jìn)行2分鐘的處理后，緊接著在氮中、在900℃進(jìn)行熱處理。通過(guò)使表面硅覆蓋層氧化形成表面氧化硅膜層、同時(shí)將金屬?gòu)慕饘貶f層擴(kuò)散到上、下氧化硅層中，由該熱處理形成了硅酸鹽層。
該硅酸鹽層厚度方向上的組份分布在與膜和硅襯底的上部相鄰接的最低部分中高，在中央部分(其中最初形成金屬層的部分)中低。與此相反，金屬(Hf)組份指示出在膜中央部分的附近中為最大值，且Hf組份隨著靠近硅界面和最上部而降低。即，已提供了具有組份分布的結(jié)構(gòu)。另外，作為上述淀積方法的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)使用氧化硅膜、氮氧化硅膜和氮化硅膜作為表面覆蓋層以及使用金屬硅酸鹽層、金屬鋁酸鹽、金屬氧化層和金屬氮化層作為金屬擴(kuò)散源很有效。
在本發(fā)明的半導(dǎo)體器件及其制造方法和制造設(shè)備中，在硅襯底的表面上形成基礎(chǔ)氧化硅膜后，金屬層淀積工藝和提供構(gòu)成了氧化硅膜表面上的高介電常數(shù)膜的金屬元素的熱處理工藝能夠使金屬元素?cái)U(kuò)散到氧化硅膜中，由此形成硅酸鹽層作為柵絕緣膜，由此能夠在高介電常數(shù)薄膜和硅襯底之間的界面中形成具有氧化硅膜和硅襯底之間的優(yōu)質(zhì)界面的柵絕緣膜，并可以獲得改善界面電特性的效果，而這正是在實(shí)際使用高介電常數(shù)薄膜時(shí)一直長(zhǎng)期存在的課題。
而且，在本發(fā)明的半導(dǎo)體器件及其制造方法和制造設(shè)備中，獨(dú)立地控制金屬擴(kuò)散到氧化硅膜中能使金屬元素只擴(kuò)散到氧化硅膜的表面?zhèn)壬?，使得更容易?yōu)化沒(méi)有金屬元素到達(dá)氧化硅膜和硅襯底之間的界面的條件，并能夠獲得制備具有良好界面電特性的高介電柵絕緣膜的效果。
注意到，上述構(gòu)成組件的數(shù)量、位置、形狀等并不限于上述的實(shí)施例，且在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明時(shí)可以使用優(yōu)選的數(shù)量、位置、形狀等。注意到，在各個(gè)附圖中，相同的數(shù)字表示相同的組成部分。
工業(yè)實(shí)用性而且，本發(fā)明的應(yīng)用并不限于上述實(shí)例中描述的具體器件，只要是涉及包括將導(dǎo)電區(qū)與硅區(qū)電絕緣的絕緣膜結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件即可。另外，絕緣膜結(jié)構(gòu)并不限于柵絕緣膜，且半導(dǎo)體器件包括將導(dǎo)電區(qū)與硅區(qū)電絕緣的器件。
雖然通過(guò)結(jié)合一些優(yōu)選實(shí)施例和實(shí)例描述了本發(fā)明，但要理解的是這些實(shí)施例和實(shí)例只是用實(shí)際的實(shí)例說(shuō)明本發(fā)明，而不是限制性的。雖然本領(lǐng)域技術(shù)人員明白，在讀取說(shuō)明書后，使用等效組件和技術(shù)進(jìn)行各種改變和替換是容易的，但，但這些改變和替換都包含于所附權(quán)利要求書的真實(shí)的范圍和精神內(nèi)是很明白的。
權(quán)利要求
1.一種包括絕緣膜結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件，該絕緣膜結(jié)構(gòu)將導(dǎo)電區(qū)與硅區(qū)電絕緣，其中所述的絕緣膜結(jié)構(gòu)在所述的硅區(qū)之上和所述的導(dǎo)電區(qū)之下延伸，所述的絕緣膜結(jié)構(gòu)還包括由含有至少一種受到熱擴(kuò)散的金屬元素的氧化硅構(gòu)成的至少一個(gè)硅酸鹽區(qū)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中在所述的硅酸鹽區(qū)中所述至少一種金屬元素的濃度分布是由熱擴(kuò)散獲得的分布。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中所述的絕緣膜結(jié)構(gòu)包括由不含所述至少一種金屬元素的氧化硅構(gòu)成的至少一個(gè)氧化硅區(qū)、具有高濃度的所述至少一種金屬元素的至少一個(gè)富金屬區(qū)、和所述的至少一個(gè)硅酸鹽區(qū)，所述的硅酸鹽區(qū)位于所述氧化硅區(qū)和所述富金屬區(qū)之間并具有比所述富金屬區(qū)低的所述至少一種金屬元素的濃度。
4.根據(jù)權(quán)利要求4的半導(dǎo)體器件，其中所述的硅酸鹽區(qū)具有組份調(diào)制，其中所述至少一種金屬元素的組份隨著靠近所述富金屬區(qū)而增加且隨著靠近所述氧化硅區(qū)而降低，而另一方面，其中硅的組份隨著靠近所述富金屬區(qū)而降低且隨著靠近所述氧化硅區(qū)而增加。
5.根據(jù)權(quán)利要求3的半導(dǎo)體器件，其中所述的富金屬區(qū)包括不含硅的金屬氧化物。
6.根據(jù)權(quán)利要求3的半導(dǎo)體器件，其中所述的富金屬區(qū)包括富金屬硅酸鹽，該富金屬硅酸鹽具有比所述硅酸鹽區(qū)的更高的所述至少一種金屬元素的濃度分布。
7.根據(jù)權(quán)利要求3的半導(dǎo)體器件，其中所述的氧化硅區(qū)位于所述的硅區(qū)之上，所述的硅酸鹽區(qū)位于所述的氧化硅區(qū)之上，所述的富金屬區(qū)位于所述的硅酸鹽區(qū)之上。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的半導(dǎo)體器件，其中所述的硅酸鹽區(qū)具有組份調(diào)制，其中所述至少一種金屬元素的組份朝著器件的表面而增加，且硅的組份朝著器件的表面而降低。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的半導(dǎo)體器件，其中在所述富金屬區(qū)上還延伸了第二硅酸鹽區(qū)，該第二硅酸鹽區(qū)具有組份調(diào)制，其中隨著向上，所述的至少一種金屬元素的組份減少，且隨著向上，硅的組份增加。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中所述的硅區(qū)包括硅襯底，所述的導(dǎo)電區(qū)包括柵極，且所述的絕緣膜結(jié)構(gòu)包括柵絕緣膜。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中所述的至少一種金屬元素是選自Zr、Hf、Ta、Al、Ti、Nb、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu的組中的至少任意一種。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中受到熱擴(kuò)散的所述至少一種金屬元素的源包括在殘留氧氣分壓為1×10-6乇或更低的氣氛下、在所述的硅區(qū)上延伸的基礎(chǔ)氧化硅膜的表面上淀積的金屬層。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中受到熱擴(kuò)散的所述至少一種金屬元素的源包括通過(guò)使所述硅區(qū)的溫度從室溫起升高、在所述硅區(qū)上延伸的基礎(chǔ)氧化硅膜的表面上淀積的金屬層。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中受到熱擴(kuò)散的所述至少一種金屬元素的源包括具有1nm膜厚或更薄的金屬層。
15.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中受到熱擴(kuò)散的所述至少一種金屬元素的源包括具有0.6nm膜厚或更薄的金屬層。
16.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中所述的至少一種金屬元素只是Al，且該金屬元素的源包括與在所述的硅區(qū)上延伸的、且膜厚度不小于0.6nm的基礎(chǔ)氧化硅膜表面相鄰接的金屬層。
17.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中所述的至少一種金屬元素包括選自Zr、Hf、Ta、Al、Ti、Nb、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu的組中的至少僅僅任意一種，且該金屬元素的源包括與在所述的硅區(qū)上延伸的、且膜厚度不小于1nm的基礎(chǔ)氧化硅膜表面相鄰接的金屬層。
18.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中向上直到且包括其最上部分的所述絕緣膜由含有所述至少一種受到熱擴(kuò)散的金屬元素的硅酸鹽構(gòu)成。
19.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中所述的絕緣膜結(jié)構(gòu)不包括不含硅的未反應(yīng)金屬區(qū)。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的半導(dǎo)體器件，其中所述的未反應(yīng)金屬區(qū)包括通過(guò)氫氟酸溶液和過(guò)氧化氨溶液中至少任意一種溶液移除的區(qū)域。
21.根據(jù)權(quán)利要求19的半導(dǎo)體器件，其中所述的絕緣膜結(jié)構(gòu)具有由于在不存在所述未反應(yīng)金屬區(qū)的狀態(tài)下進(jìn)行熱處理的而改善了的膜質(zhì)量。
22.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中所述的絕緣膜結(jié)構(gòu)至少包括第一硅酸鹽區(qū)和第二硅酸鹽區(qū)，該第一硅酸鹽區(qū)由含有受到熱擴(kuò)散的至少一種金屬元素的氧化硅構(gòu)成，該第二硅酸鹽區(qū)位于第一硅酸鹽區(qū)之上并由含有所述的受到熱擴(kuò)散的至少一種金屬元素的含硅絕緣體構(gòu)成。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的半導(dǎo)體器件，其中所述的含硅絕緣體包括氧化硅膜、氮氧化硅膜、氮化硅膜以及它們的至少兩個(gè)的層疊結(jié)構(gòu)中的任意一種。
24.根據(jù)權(quán)利要求22的半導(dǎo)體器件，其中所述的第一硅酸鹽區(qū)包括含有來(lái)自于與上表面相鄰接的金屬層的受到熱處理的所述至少一種金屬元素的基礎(chǔ)氧化硅膜，且所述的第二硅酸鹽區(qū)包括含有來(lái)自于與下表面相鄰接的所述金屬層的受到熱擴(kuò)散的所述至少一種金屬元素的含硅絕緣體的覆蓋層。
25.根據(jù)權(quán)利要求24的半導(dǎo)體器件，其中所述的覆蓋層的膜厚度為1nm或更薄。
26.根據(jù)權(quán)利要求23的半導(dǎo)體器件，其中所述的覆蓋層的膜厚度為0.5nm或更薄。
27.根據(jù)權(quán)利要求22的半導(dǎo)體器件，其中所述的絕緣膜結(jié)構(gòu)具有組份調(diào)制，其中在所述硅區(qū)的附近，膜厚度方向上的硅的組份在最低部分和最高部分上是高的，且在中央部分低。
28.根據(jù)權(quán)利要求22的半導(dǎo)體器件，其中所述的絕緣膜結(jié)構(gòu)具有組份調(diào)制，其中在膜厚度方向上的所述至少一種金屬元素的組份在最低部分和最高部分上是低的，且在中央部分高，該最低部分和最高部分位于所述硅區(qū)的附近。
29.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中所述絕緣膜結(jié)構(gòu)的等效氧化物厚度比將所述至少一種金屬元素?cái)U(kuò)散進(jìn)入其中的氧化硅膜的等效氧化物厚度小。
30.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中構(gòu)成所述至少一個(gè)硅酸鹽區(qū)的所述氧化硅是氮被引入其中的氮氧化硅。
31.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中在所述至少一個(gè)硅酸鹽區(qū)中的所述至少一種金屬元素的濃度分布是通過(guò)在低于大氣壓的減壓氧氣下進(jìn)行熱處理得到的分布。
32.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中所述的絕緣膜結(jié)構(gòu)還包括在所述的至少一個(gè)硅酸鹽區(qū)上由氮化硅和氮氧化硅中的任意一種構(gòu)成的覆蓋區(qū)。
33.根據(jù)權(quán)利要求32的半導(dǎo)體器件，其中所述的覆蓋區(qū)的厚度為0.5nm或更薄。
34.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中所述的導(dǎo)電區(qū)包括柵極，且所述的絕緣膜結(jié)構(gòu)包括柵絕緣膜，其中對(duì)于器件工作電壓之內(nèi)的柵偏壓，C-V的滯后寬度是5mV或更小。
35.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中所述的絕緣膜結(jié)構(gòu)包括由含有至少一種金屬元素的氧化硅構(gòu)成的所述硅酸鹽區(qū)和由不含金屬元素的氧化硅構(gòu)成的氧化硅區(qū)，其中所述絕緣膜結(jié)構(gòu)的物理膜厚度為3.5nm或更薄，且所述硅酸鹽區(qū)的物理厚度比所述的氧化硅區(qū)的物理厚度薄。
36.根據(jù)權(quán)利要求35的半導(dǎo)體器件，其中所述的硅酸鹽區(qū)的物理厚度為1.5nm或更薄。
37.根據(jù)權(quán)利要求35的半導(dǎo)體器件，其中所述的導(dǎo)電區(qū)包括柵極，所述的絕緣膜結(jié)構(gòu)包括柵絕緣膜，且該柵極具有氮化膜側(cè)壁。
38.一種包括絕緣膜結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件的制造方法，該絕緣膜結(jié)構(gòu)將導(dǎo)電區(qū)與硅區(qū)電絕緣，其中該制造方法還至少包括以下步驟在所述的硅區(qū)上形成基礎(chǔ)氧化硅膜；在所述的基礎(chǔ)氧化硅膜上形成金屬層；和形成該絕緣膜結(jié)構(gòu)，其中通過(guò)進(jìn)行熱處理形成該絕緣膜結(jié)構(gòu)，以在所述基礎(chǔ)氧化硅膜和所述金屬層之間的界面中引起硅酸鹽反應(yīng)，以使在所述金屬層中包含的至少一種金屬元素?zé)釘U(kuò)散到所述基礎(chǔ)氧化硅膜中，由此形成包括硅酸鹽區(qū)的該絕緣膜結(jié)構(gòu)，該硅酸鹽區(qū)由含有被熱擴(kuò)散到所述基礎(chǔ)氧化硅膜的至少部分區(qū)域中的所述至少一種金屬元素的氧化硅構(gòu)成。
39.根據(jù)權(quán)利要求38的半導(dǎo)體器件的制造方法，其中在還原性氣氛下進(jìn)行引起所述界面硅酸鹽反應(yīng)的所述熱處理。
40.根據(jù)權(quán)利要求38的半導(dǎo)體器件的制造方法，其中在包含氫和氨中任意一種的氣氛下進(jìn)行引起所述界面硅酸鹽反應(yīng)的所述熱處理。
41.根據(jù)權(quán)利要求38的半導(dǎo)體器件的制造方法，其中所述的熱擴(kuò)散形成包括至少一個(gè)氧化硅區(qū)、至少一個(gè)富金屬區(qū)和所述的至少一個(gè)硅酸鹽區(qū)的所述絕緣膜結(jié)構(gòu)，該氧化硅區(qū)由沒(méi)有所述至少一種金屬元素?cái)U(kuò)散到其中的氧化硅構(gòu)成，所述至少一種金屬元素以高的濃度擴(kuò)散到該富金屬區(qū)中，該硅酸鹽區(qū)位于所述氧化硅區(qū)和所述富金屬區(qū)之間且所述至少一種金屬元素以比所述富金屬區(qū)低的濃度擴(kuò)散到該硅酸鹽區(qū)中。
42.根據(jù)權(quán)利要求41的半導(dǎo)體器件的制造方法，其中所述的硅酸鹽區(qū)具有組份調(diào)制，其中所述至少一種金屬元素的組份隨著靠近所述的富金屬區(qū)而增加且隨著靠近所述的氧化硅區(qū)而降低，而相反，其中硅的組份隨著靠近所述的富金屬區(qū)而降低且隨著靠近所述的氧化硅區(qū)而增加。
43.根據(jù)權(quán)利要求41的半導(dǎo)體器件的制造方法，其中所述的富金屬區(qū)包括不含硅的金屬氧化物。
44.根據(jù)權(quán)利要求41的半導(dǎo)體器件的制造方法，其中所述的富金屬區(qū)包括富金屬硅酸鹽，該富金屬硅酸鹽具有比所述硅酸鹽區(qū)的更高的所述至少一種金屬元素的濃度分布。
45.根據(jù)權(quán)利要求38的半導(dǎo)體器件的制造方法，其中形成所述金屬層的工藝包括通過(guò)將在處理氣氛下殘留氧氣分壓設(shè)定為1×10-6乇或更低進(jìn)行的淀積工藝。
46.根據(jù)權(quán)利要求38的半導(dǎo)體器件的制造方法，其中通過(guò)使所述硅區(qū)的溫度從室溫升高來(lái)進(jìn)行所述金屬層的淀積工藝。
47.根據(jù)權(quán)利要求38的半導(dǎo)體器件的制造方法，其中在所述加熱處理工藝之后進(jìn)一步進(jìn)行氮化工藝。
48.根據(jù)權(quán)利要求47的半導(dǎo)體器件的制造方法，其中所述的氮化工藝包括氨中的熱處理。
49.根據(jù)權(quán)利要求47的半導(dǎo)體器件的制造方法，其中所述的氮化處理工藝包括氮等離子體處理。
50.根據(jù)權(quán)利要求38的半導(dǎo)體器件的制造方法，其中所述的至少一種金屬元素是選自Zr、Hf、Ta、Al、Ti、Nb、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu的組中的至少任意一種。
51.根據(jù)權(quán)利要求38的半導(dǎo)體器件的制造方法，其中所述的至少一種金屬元素只是Al，且所述的基礎(chǔ)氧化硅膜形成有不小于0.6nm的膜厚度。
52.根據(jù)權(quán)利要求38的半導(dǎo)體器件的制造方法，其中所述的至少一種金屬元素包括選自Zr、Hf、Ta、Al、Ti、Nb、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu的組中的至少任意一種，且所述的基礎(chǔ)氧化硅膜被形成具有不小于1nm的膜厚度。
53.根據(jù)權(quán)利要求38的半導(dǎo)體器件的制造方法，其中所述金屬層的形成工藝是在金屬淀積的膜厚度為1nm或更薄的條件下被執(zhí)行的。
54.根據(jù)權(quán)利要求38的半導(dǎo)體器件的制造方法，其中所述金屬層的形成工藝是在金屬淀積的膜厚度為0.6nm或更薄的條件下進(jìn)行的工藝。
55.根據(jù)權(quán)利要求38的半導(dǎo)體器件的制造方法，其中進(jìn)行所述的熱處理工藝，使得在所述金屬層和所述基礎(chǔ)氧化硅膜之間的界面中的硅酸鹽反應(yīng)進(jìn)行到所述金屬層的上部，由此形成由硅酸鹽制成的向上直到且包括其最高部分的所述絕緣膜結(jié)構(gòu)。
56.根據(jù)權(quán)利要求38的半導(dǎo)體器件的制造方法，該制造方法還包括如下步驟當(dāng)未反應(yīng)的金屬區(qū)被所述的熱處理工藝留在所述的金屬層中時(shí)，在所述的熱處理工藝之后移除該未反應(yīng)的金屬區(qū)。
57.根據(jù)權(quán)利要求56的半導(dǎo)體器件的制造方法，其中通過(guò)使用氫氟酸溶液或過(guò)氧化氨溶液進(jìn)行移除所述未反應(yīng)金屬區(qū)的工藝。
58.根據(jù)權(quán)利要求56的半導(dǎo)體器件的制造方法，還包括在移除所述的未反應(yīng)金屬區(qū)的工藝之后的用于改善膜質(zhì)量的熱處理工藝。
59.根據(jù)權(quán)利要求38的半導(dǎo)體器件的制造方法，該制造方法還包括如下步驟在所述的金屬層形成工藝之后和在所述熱處理工藝之前，在所述金屬層上淀積由含硅的絕緣膜構(gòu)成的覆蓋層，由此進(jìn)行所述的硅酸鹽反應(yīng)以使所述至少一種金屬元素?zé)釘U(kuò)散到所述基礎(chǔ)氧化硅膜和所述的覆蓋層中，由此形成由含有被熱擴(kuò)散到所述基礎(chǔ)氧化硅膜的至少部分區(qū)域中的所述至少一種金屬元素的氧化硅構(gòu)成的第一硅酸鹽層，而且形成由含有被熱擴(kuò)散到所述覆蓋層的至少部分區(qū)域中的所述至少一種金屬元素的硅絕緣體構(gòu)成的第二硅酸鹽層。
60.根據(jù)權(quán)利要求59的半導(dǎo)體器件的制造方法，其中所述的覆蓋層包括選自氧化硅膜、氮氧化硅膜、氮化硅膜及由氧化硅膜、氮氧化硅膜和氮化硅膜中的至少兩種得到的層疊結(jié)構(gòu)的組中的任意一種。
61.根據(jù)權(quán)利要求59的半導(dǎo)體器件的制造方法，其中所述的覆蓋層的膜厚度為1nm或更薄。
62.根據(jù)權(quán)利要求59的半導(dǎo)體器件的制造方法，其中所述的覆蓋層的膜厚度為0.5nm或更薄。
63.根據(jù)權(quán)利要求38的半導(dǎo)體器件的制造方法，其中所述的絕緣膜結(jié)構(gòu)具有組份調(diào)制，其中在膜厚度方向上的硅的組份在最低部分和最高部分上是高的，且在中央部分低，該最低部分和最高部分位于所述硅區(qū)的附近。
64.根據(jù)權(quán)利要求38的半導(dǎo)體器件的制造方法，其中所述的絕緣膜結(jié)構(gòu)具有組份調(diào)制，其中在膜厚度方向上的所述至少一種金屬元素的組份在最低部分和最高部分上是低的，且在中央部分高，該最低部分和最高部分位于所述硅區(qū)的附近。
65.根據(jù)權(quán)利要求38的半導(dǎo)體器件的制造方法，其中所述絕緣膜結(jié)構(gòu)的等效氧化物厚度比所述基礎(chǔ)氧化硅膜的等效氧化物厚度小。
66.根據(jù)權(quán)利要求38的半導(dǎo)體器件的制造方法，其中所述的基礎(chǔ)氧化硅膜包括氮被引入其中的氮氧化硅膜。
67.根據(jù)權(quán)利要求38的半導(dǎo)體器件的制造方法，其中低于大氣壓的減壓氧氣的條件下進(jìn)行所述的熱處理工藝。
68.根據(jù)權(quán)利要求38的半導(dǎo)體器件的制造方法，其中所述的硅區(qū)包括硅襯底，所述的導(dǎo)電區(qū)包括柵極，且所述的絕緣膜結(jié)構(gòu)包括柵絕緣膜。
69.一種用于具有柵絕緣膜的半導(dǎo)體器件的制造設(shè)備，該柵絕緣膜將柵極與硅襯底電絕緣，該制造設(shè)備包括淀積室，引入在其中形成了基礎(chǔ)氧化硅膜的所述硅襯底；金屬蒸發(fā)單元，通過(guò)該金屬蒸發(fā)單元將金屬層淀積在被引入該淀積室中的所述硅襯底的所述基礎(chǔ)氧化硅膜上；和真空泵，控制所述淀積室中的殘留氧氣分壓，其中所述的金屬蒸發(fā)單元使得所述真空泵將所述淀積室中的殘留氧氣分壓變?yōu)?×10-6乇或更低，以在所述的基礎(chǔ)氧化硅膜上淀積金屬層。
70.根據(jù)權(quán)利要求69的半導(dǎo)體器件的制造設(shè)備，還包括襯底加熱單元，通過(guò)該襯底加熱單元對(duì)引入到所述淀積室中的所述硅襯底加熱。
71.根據(jù)權(quán)利要求69的半導(dǎo)體器件的制造設(shè)備，其中所述的金屬蒸發(fā)單元使蒸發(fā)源和襯底之間的距離被設(shè)定為不小于100mm，以在所述的基礎(chǔ)氧化硅膜上淀積所述的金屬層。
全文摘要
本發(fā)明的目標(biāo)在于能夠在高介電常數(shù)薄膜和硅襯底之間的界面中形成具有氧化硅膜和硅之間的高質(zhì)量界面的柵絕緣膜結(jié)構(gòu)，以提供一種能夠改善界面電特性的半導(dǎo)體器件和半導(dǎo)體制造方法，而這正是在實(shí)際使用高介電常數(shù)絕緣膜時(shí)一直長(zhǎng)期存在的課題。在硅襯底101的表面上形成基礎(chǔ)氧化硅膜103后，金屬層淀積工藝和提供構(gòu)成基礎(chǔ)氧化硅膜103表面上的高介電常數(shù)薄膜的金屬元素的熱處理工藝，可使金屬元素?cái)U(kuò)散到基礎(chǔ)氧化硅膜103中，由此形成絕緣膜結(jié)構(gòu)105作為柵絕緣膜。包括硅酸鹽區(qū)的絕緣膜結(jié)構(gòu)105包括氧化硅膜區(qū)、硅酸鹽區(qū)和富金屬區(qū)，從而形成了具有組份調(diào)制的硅酸鹽結(jié)構(gòu)，其中金屬的組份隨著越靠近上部而增加，且硅的組份隨著越靠近下部而增加。
文檔編號(hào)H01L29/51GK1669153SQ0381706
公開日2005年9月14日 申請(qǐng)日期2003年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月16日
發(fā)明者渡部平司, 渡辺啟仁, 辰巳徹, 藤芝信次 申請(qǐng)人:日本電氣株式會(huì)社