專利名稱：在平滑襯底上形成高－k介電層的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件的制造方法，具體地，涉及包括高-K柵介電層的半導(dǎo)體器件的制造方法。
背景技術(shù)：
具有非常薄的基于二氧化硅的柵電介質(zhì)的MOS場效應(yīng)晶體管會出現(xiàn)不可接受的柵漏電流。用某些高介電常數(shù)(k)的介電材料代替二氧化硅形成柵電介質(zhì)，能夠減小柵漏電流。高介電常數(shù)為大于10。然而，這樣的電介質(zhì)可能與多晶硅不兼容——多晶硅是制造器件柵電極的優(yōu)選材料。
當(dāng)柵電介質(zhì)包括高-k膜時，可以在溝道和高-k膜之間形成二氧化硅或氮氧化硅薄層，從而在高-k膜上保持可接受的電子遷移率。當(dāng)在電學(xué)上非常薄的柵電介質(zhì)由這樣一個緩沖層組成時，該緩沖層必須非常薄，例如小于大約10埃厚。當(dāng)這種超薄的高-k膜包括氧化物時，會出現(xiàn)氧空位和過大的雜質(zhì)量。氧空位使得高-k膜和柵電極之間產(chǎn)生不期望的相互作用。當(dāng)柵電極包括多晶硅時，這種相互作用會改變電極的功函數(shù)或?qū)е缕骷┻^電介質(zhì)短路。
因此，需要一種用于制造包括高-k電介質(zhì)的半導(dǎo)體器件的改善工藝。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的處理晶片的示意性描述；以及圖2A-2D表示在執(zhí)行本發(fā)明的實施例時所形成的結(jié)構(gòu)的橫截面。
具體實施例方式
參見圖1，襯底100可以包括體硅或絕緣體上硅晶片?；蛘?，襯底100可以包括其他材料——所述其他材料可以與也可以不與硅結(jié)合——例如鍺、銻化銦、碲化鉛、砷化銦、磷化銦、砷化鎵、或銻化鎵。雖然這里描述了幾種形成襯底的材料的例子，但是任何可以作為制造半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)的材料都落入本發(fā)明的精神和范圍。
在襯底的表面上形成緩沖層和高-k柵介電層之前，清洗襯底100。晶片可以暴露于水/H2O2/NH4OH溶液，然后暴露于水/H2O2/HCl溶液。水/H2O2/NH4OH溶液可以除去顆粒和有機污染物，水/H2O2/HCl溶液可以除去金屬污染物。
參見圖1，槽140可以含有浸沒晶片100的液體。管道150可以連接到臭氧源，可將臭氧泵入槽140內(nèi)的液體中。兆聲波攪拌器(megasonic agitator)160可以向槽140中的液體、最終向晶片100提供兆聲波能量。液體可以是H2O2。
通過利用兆聲波能量和臭氧進行處理，可以得到晶片100非常均勻或平滑的表面。以下未限制本發(fā)明的范圍，聲波能量通過提供能量克服任意表面勢能，可以驅(qū)動羥基表面飽和反應(yīng)，否則該表面勢能將抑制末端替代(termini substitution)。
兆聲波攪拌器160可以在650到1050kHz下、最優(yōu)選在750kHz下工作，能耗在1到5W/cm2之間，優(yōu)選范圍為2W/cm2左右。來自管道150的臭氧溶解在槽140中的液體中。
在清洗襯底100之后，晶片100的硅表面上的羥基末端飽和。例如，在本發(fā)明的一個實施例中，硅表面上的任何羥基基團會與金屬氯化物反應(yīng)。在本發(fā)明的一個實施例中，該反應(yīng)可以在真空中發(fā)生。在另一實施例中，該反應(yīng)可以在槽140中發(fā)生。用于使羥基飽和的金屬可以是鉿、鋯、鑭、鋁、或任何其他用于形成高-k金屬氧化物電介質(zhì)的金屬。
在本發(fā)明的一個實施例中，例如通過噴射或浸漬在晶片表面施加金屬氯化物。金屬氯化物取代連接到晶片100的羥基末端的氫原子，連接到羥基末端的氧原子。然后，羥基取代氯原子，使具有羥基的硅表面飽和。
在本發(fā)明的某些實施例中，在隨后緩沖層和/或高-k金屬氧化物介電層的原子層沉積期間，比自然產(chǎn)生的氫和橋氧基團混合物更高濃度的羥基基團減少了柱狀生長。對于改善的高介電常數(shù)膜生長，晶片100的表面可以小于或等于原子力顯微鏡(atomic force microscopy)測得的約3埃的均方根(RMS)表面偏差。
一旦表面足夠平滑，就可以在襯底100上形成緩沖層110和高-k柵介電層105，如圖2A和2B所示。在本發(fā)明的一個實施例中，在緩沖層上形成高-k柵介電層105之前，在襯底100上形成緩沖層110。在另一個實施例中，直接在襯底100上形成高-k柵介電層105，接著在襯底100和高-k柵介電層105之間形成緩沖層110，從而分隔開襯底100和高-k柵介電層105。
圖2A-2D示出了在緩沖層110上形成高-k柵介電層105之前，在襯底100上形成緩沖層110的實施例。緩沖層110可以由任何能夠確保后續(xù)沉積的高-k膜上的可接受電子遷移率的材料形成。該材料包括，例如氧化硅(例如，二氧化硅)和氮氧化硅。
在優(yōu)選實施例中，緩沖層110包括使用傳統(tǒng)的熱氧化和/或氮化步驟生成的非常薄的二氧化硅或氮氧化硅層。或者，可以使用原子層沉積工藝沉積緩沖層110。緩沖層110的厚度優(yōu)選小于大約15埃，更優(yōu)選地介于大約2埃和大約10埃之間。
在本發(fā)明的一個實施例中，緩沖層110的厚度可以為大約2到大約4埃。這對應(yīng)于大約1個單層的厚度?？梢栽?0到30℃下、利用去離子水中4到9％的未加穩(wěn)定的H2O2溶液生長單層緩沖層110。
可以在35到45℃下、利用去離子水中4到9％的未加穩(wěn)定的H2O2溶液生長大約5到7埃厚的雙層。驚喜地發(fā)現(xiàn)在某些實施例中，與使用單層生長相比使用雙層生長所得到的晶體管的飽和電流較高。
另一實施例中，可以在35到65℃下、利用去離子水中25到45％的未加穩(wěn)定的H2O2溶液生長大約8到10埃厚的三層。
在形成緩沖層110之后，在其表面上沉積高-k柵介電層105，形成圖2B的結(jié)構(gòu)?？捎糜谥圃旄?k柵電介質(zhì)的材料包括氧化鉿、氧化鑭、鋁鑭氧化物、氧化鋯、鋯硅氧化物、氧化鈦、氧化鉭、氧化釔和氧化鋁。特別優(yōu)選的是氧化鉿、氧化鋯、氧化鈦、和氧化鋁。雖然這里描述了幾種可用于形成介電層105的材料的例子，但是該層可以由其它能夠減小柵漏電流的材料形成。
可以使用傳統(tǒng)原子層化學(xué)氣相沉積(CVD)工藝在緩沖層110上形成高-k柵介電層105。在該工藝中，以選定流速向CVD反應(yīng)器中供應(yīng)金屬氧化物前體(例如金屬氯化物)和蒸氣，然后該CVD反應(yīng)器在選定溫度和壓力下工作，從而在緩沖層110和介電層105之間產(chǎn)生原子平滑的界面。CVD反應(yīng)器應(yīng)該工作足夠長的時間，以形成具有期望厚度的層。在優(yōu)選實施例中，介電層105是超薄的層，即該層厚度小于大約20埃，更優(yōu)選厚度介于大約5埃到大約20埃之間。
然后再氧化高-k柵介電層105。在優(yōu)選實施例中，可以使用等離子體輔助氧化工藝來再氧化高-k柵介電層105。在該工藝中，通過將高-k柵介電層105的表面暴露于由等離子體源產(chǎn)生的離子化氧物質(zhì)(ionized oxygen species)，來氧化該表面。例如，通過向反應(yīng)器中供應(yīng)氧、一氧化二氮、或氧和一氧化二氮的混合物，然后轟擊反應(yīng)器內(nèi)的等離子體，可以產(chǎn)生該離子化氧物質(zhì)?；蛘?，可以遠(yuǎn)程轟擊等離子體，然后將得到的離子化氧物質(zhì)供應(yīng)至反應(yīng)器中。也可以通過使用載氣，例如氬或氦，遠(yuǎn)程轟擊等離子體，把得到的離子化成分提供至反應(yīng)器中，然后向反應(yīng)器中提供氧、一氧化二氮、或氧和一氧化二氮的混合物——等離子體源的下游，來形成離子化氧物質(zhì)。
當(dāng)使用等離子體輔助氧化工藝再氧化介電層105時，反應(yīng)器應(yīng)當(dāng)在適當(dāng)?shù)臈l件(例如壓力、射頻和功率)下工作足夠長的時間，以顯著增大介電層表面處的氧和金屬的比率，從而減小存在于該層中的氧空位。在該實施例中，優(yōu)選在較低溫度下，例如在低于大約500℃的溫度下進行該再氧化步驟。
作為使用等離子體輔助氧化工藝再氧化高-k柵介電層105的一種選擇，可以使用熱氧化工藝(在適當(dāng)?shù)难趸h(huán)境中進行)。例如，在低于大約600℃下發(fā)生并持續(xù)不到大約60秒的快速熱氧化步驟，足以使氧和金屬的比率增大到可接受的程度。400℃、30秒的快速熱氧化處理表現(xiàn)出令人滿意的結(jié)果。通過在較低溫度下再氧化高-k柵介電層105較短的時間，高-k柵介電層可以保持它的無定形狀態(tài)，并且可以減小擴散進入硅界面的氧量。繼而可以限制在該界面處生長的額外氧化物的量——保證緩沖層110的厚度基本保持不變。
作為使用等離子體輔助氧化工藝或熱氧化工藝的一種選擇，可以使用化學(xué)氧化、蒸氣氧化、臭氧清洗、或過氧化清洗工藝來再氧化高-k柵介電層105。也可使用這些工藝的各種組合，例如特定的濕/干氧化步驟。用于氧化高-k柵介電層105的工藝不限于以上列出的工藝。本發(fā)明的方法考慮使用在任何適當(dāng)氧化環(huán)境中發(fā)生的任何適當(dāng)氧化步驟，或任意可接受的使高-k柵介電層105中的氧與金屬的比率增大的化學(xué)處理。
在氧化高-k柵介電層105之后，可以在其上形成柵電極。在優(yōu)選實施例中，可以通過初始在高-k柵介電層105上沉積多晶硅層120形成柵電極—產(chǎn)生圖2C的結(jié)構(gòu)。可以使用傳統(tǒng)方法沉積多晶硅層120，優(yōu)選厚度介于大約500埃到大約4000埃之間。在使用傳統(tǒng)技術(shù)蝕刻層120、105和110以形成圖2D的結(jié)構(gòu)之后，可以應(yīng)用通常用來完成柵電極的其它步驟(例如，在蝕刻過的多晶硅結(jié)構(gòu)130的上部形成硅化物(未示出))。這些步驟對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是公知的，這里不再具體描述。雖然柵電極優(yōu)選包括多晶硅，但是可以選擇由各種可與上述高-k柵介電層一起使用的金屬制成。
雖然上面的描述詳細(xì)說明了在本發(fā)明的方法中可以使用的特定步驟和材料，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該意識到可以做出許多變形和替換。因此，所有變形、修改、替換和附加都應(yīng)視為落入由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種方法，包括在襯底上形成高-k柵介電層，該襯底具有使用原子力顯微鏡測得的小于約3的均方根表面偏差。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述高-k柵介電層使用原子層化學(xué)氣相沉積工藝形成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，包括在形成所述高-k柵介電層之前，增加所述襯底上的表面羥基末端。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，包括使現(xiàn)有末端與金屬氯化物反應(yīng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，包括通過用羥基末端代替氯原子，來增加表面羥基末端。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，包括在所述襯底上方和所述介電層下方形成大約一個單層厚的緩沖層。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，包括在所述襯底上方和所述介電層下方形成大約兩個單層厚的緩沖層。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，包括在所述襯底上方和所述介電層下方形成大約三個單層厚的緩沖層。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，包括將所述襯底暴露在具有溶解的臭氧和聲波能量的槽中。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，包括將所述襯底暴露在過氧化氫的槽中。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，包括將所述襯底暴露在兆聲波能量中。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，包括在大約35到大約45℃之間的溫度下、利用過氧化氫在所述襯底上生長雙層緩沖材料層。
13.一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括具有使用原子力顯微鏡測得的小于大約3的均方根表面偏差的襯底；以及所述襯底上的高-k柵介電層。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的結(jié)構(gòu)，包括所述高-k柵介電層和所述襯底之間的緩沖層。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的結(jié)構(gòu)，其中所述緩沖層大約為一個單層厚。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的結(jié)構(gòu)，其中所述緩沖層大約為兩個單層厚。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的結(jié)構(gòu)，其中所述緩沖層大約為三個單層厚。
18.根據(jù)權(quán)利要求13所述的結(jié)構(gòu)，其中所述高-k柵介電層為金屬氧化物。
19.根據(jù)權(quán)利要求13所述的結(jié)構(gòu)，其中所述襯底具有飽和羥基。
20.一種方法，包括增大硅襯底上的羥基末端的數(shù)目；以及在所述襯底上形成高-k柵介電層。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，包括在所述襯底上方和所述高-k柵介電層下方形成緩沖層。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，包括生長所述緩沖層。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，包括在20到30℃的溫度下生長所述緩沖層。
24.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，包括在35到45℃的溫度下生長所述緩沖層。
25.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，包括在35到65℃的溫度下生長所述緩沖層。
26.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，包括利用金屬氯化物處理所述襯底。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，包括使用羥基代替所述金屬氯化物中的氯。
28.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，包括在氧原子結(jié)合在所述襯底的位置處連接一個以上的羥基末端。
29.一種硅襯底，包括具有飽和羥基末端的表面層。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的襯底，其中將金屬原子通過氧原子鏈接到所述襯底。
31.根據(jù)權(quán)利要求29所述的襯底，其中所述金屬原子耦合到至少兩個羥基。
32.根據(jù)權(quán)利要求29所述的襯底，其中耦合到所述襯底的氧原子耦合到至少兩個羥基。
33.一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括襯底，具有耦合到所述襯底的氧原子，所述氧原子耦合到至少兩個羥基；以及所述襯底上的高-k柵介電層。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中耦合到所述襯底的所述氧原子通過金屬原子耦合到所述羥基。
35.根據(jù)權(quán)利要求33所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述層包括金屬氧化物層。
36.根據(jù)權(quán)利要求33所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括所述金屬氧化物層和所述襯底之間的緩沖層。
37.根據(jù)權(quán)利要求36所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述緩沖層的厚度介于一個和三個單層之間。
38.根據(jù)權(quán)利要求33所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述介電層具有大于10的介電常數(shù)。
39.一種方法，包括處理浸漬在槽中的半導(dǎo)體襯底；將所述槽中的所述襯底暴露于聲波能量；以及將所述槽中的所述襯底暴露于溶解的臭氧。
40.根據(jù)權(quán)利要求39所述的方法，包括將所述襯底浸漬在過氧化氫的槽中。
41.根據(jù)權(quán)利要求39所述的方法，包括處理所述襯底，使其具有用原子力顯微鏡測得的小于3的均方根表面偏差。
42.根據(jù)權(quán)利要求41所述的方法，包括處理所述襯底，以使所述襯底表面上的羥基飽和。
43.根據(jù)權(quán)利要求39所述的方法，包括將所述襯底暴露于兆聲波能量。
全文摘要
在平滑的硅襯底上形成緩沖層和高－k金屬氧化物介電層。襯底平滑可以減小高－k金屬氧化物柵電介質(zhì)的柱狀生長。在沉積之前可以使用羥基末端使襯底表面飽和。
文檔編號H01L21/306GK1961096SQ200580017642
公開日2007年5月9日 申請日期2005年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月30日
發(fā)明者賈斯廷·布拉斯克, 杰克·卡瓦列羅斯, 馬克·多齊, 馬修·梅茨, 蘇曼·達(dá)塔, 烏代·沙阿, 吉爾伯特·杜威, 羅伯特·趙 申請人:英特爾公司