專利名稱：半導(dǎo)體器件及形成其柵極的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體及其形成方法，更具體地，涉及一種半 導(dǎo)體以及一種形成半導(dǎo)體器件的棚4及的方法，包4舌由高介電常凄t (高K， (high-k))材料制成的柵極絕緣膜。
背景技術(shù)：
由于半導(dǎo)體器件的高度集成化以及MOS場效應(yīng)晶體管 (MOSFET)的形體尺寸減小，棚4及長度和在4冊才及之下形成的溝道 的長度也減小。因此，為了增加?xùn)拧昂蜏系乐g的電容并才是高晶體 管的操作特性，有必要形成薄的柵極絕緣膜。然而，目前代表性地 使用的柵極絕緣膜由硅氧化物膜或硅氮氧化物膜制成，由于減小的 厚度很難保證柵極絕緣膜的可靠性，在其電特性方面受到了物理限 制。因此，當柵極絕緣膜由硅氧化物膜或硅氧氮化物膜形成時，厚 度減小受到限制。為了克服以上的問題,已經(jīng)對由硅氧化物膜和硅氮氧化物膜的 替代材料制成的高k膜的進行了積極研究，該高k膜可在維持薄等效氧化層厚度(EOT)的同時減少4冊電4及與溝道區(qū)域間的漏電流。 然而，在將高k材料用作MOSFET半導(dǎo)體器件的柵極絕緣膜的情 況下，由于存在大量的體陷阱(bulk trap)和半導(dǎo)體襯底與柵4及絕 緣膜之間的界面處的界面陷阱(interface trap )，柵極絕緣膜下的柵 極襯底中的溝道區(qū)的電子遷移率下降，這會出現(xiàn)一些問題。此外， 與由硅氧化物膜或硅氧氮化物膜制成的4冊極絕緣膜相比，閾電壓(Vt) 不夫見則:l也上升。為了克月良以上的問題并且降^f氐多晶棚j毛盡效應(yīng)(poly depletion effect )，即，在器件中使用由多晶硅制成的柵極引起的問 題，開發(fā)了一種釆用全硅化(FUSI) 4冊極和金屬柵極的MOSFET 器件結(jié)構(gòu)。如圖1A所示，形成半導(dǎo)體器件柵極的工藝可以包括形成半導(dǎo) 體襯底102，其中隔離膜100由有源區(qū)所限定。半導(dǎo)體襯底102可 以是硅襯底或絕緣體上外延硅(silicon-on-insulate, SOI)并摻雜了 P型或N型雜質(zhì)。如圖1B所示，將具有高介電常數(shù)的材料，例如Hf02沉積在半 導(dǎo)體襯底102上和/或上方，從而形成柵極絕緣膜104。柵極絕緣膜 104^又形成于有源區(qū)上和/或上方。如上所述，如果由具有高介電常 數(shù)的材料(諸如Hf02 )形成的柵極絕緣膜104被沉積在半導(dǎo)體襯底 102的上和/或上方，具有低介電常凄t的絕纟彖膜則是通過半導(dǎo)體村底 102的硅(Si)與Hf02的反應(yīng)生成的。因此，存在很多的問題，如 柵極絕緣膜104的EOT增加，載體的遷移速度降低等，從而造成 器件性能降低。為了解決這些問題，可以在柵極形成之前進4亍退火 過禾呈，/人而可以防止由于半導(dǎo)體4于底102中的石圭與Hf02反應(yīng)而形 成具有低介電常數(shù)的絕緣膜。如圖1C所示，在^吏用導(dǎo)電材料(例如金屬或硅)的整合表面 (entire resultant surface )上和/或上方形成金屬4冊才及或全石圭4匕4冊才及 106。然而，如果在使用金屬柵極或全硅化柵極106的MOSFET中由高k的基于Hf02的材料形成柵極絕緣膜104,那么Vt的增加歸因于在 高介電常數(shù)和多晶硅的Hf02材料的表面的鉿-硅鍵合(bonding)引 起的費米能級4丁4L5見象(fermi-level pinning phenomenon )，因而降 低了器件的性能。換而言之，因為諸如Hf02的高k材料中的陷阱位 置(trapsite)會引起金屬柵極或全硅化柵極106的功函數(shù)變化，所 以半導(dǎo)體器件的性能下降。發(fā)明內(nèi)容具體實施方式
涉及一種半導(dǎo)體及形成它的方法，該半導(dǎo)體包4舌 由高介電常數(shù)(high-k)材料制成的柵極絕緣膜。
具體實施方式
涉及一種形成半導(dǎo)體器件的棚4及的方法，該半導(dǎo) 體器件可以防止在具有高介電常數(shù)的柵極絕緣膜形成之后的產(chǎn)生 具有低介電常數(shù)的絕緣材料，并防止發(fā)生費米能級4丁扎現(xiàn)象。
具體實施方式
涉及一種形成半導(dǎo)體器件的柵極的方法，包括以 下至少一個步驟提供由具有隔離膜限定的有源區(qū)的半導(dǎo)體襯底； 然后在有源區(qū)上和/或上方形成棚4及絕*彖力莫；然后在該柵4及絕纟彖力莫上 和/或上方形成帽化層膜(capping film );然后在形成的表面上進4亍 退火過程；然后在有源區(qū)的一部分上形成4冊才及。根據(jù)具體實施方式
， 柵極絕纟彖膜可以利用原子層沉積(ALD)法由具有高介電常H的金 屬氧化物材料形成。帽化層膜可以利用化學(xué)氣相沉積(CVD)法、 物理氣相沉積(PVD )法和濺射工藝中的至少一種來由非晶石圭形成。 帽化層膜可以具有2 nm到5 nm之間的厚度。退火過程可以使用氟 (F)氣，或包含氟(F)氣的混合氣體來進行。在進行退火過程時， 可以使用350攝氏度到750攝氏度之間的溫度。柵極可以包括使用 TaN 、 TiN 、 HfN和La中的至少 一種的石圭沖冊才及或金屬棚-才及才及。
具體實施方式
涉及一種形成半導(dǎo)體器件上的柵極的方法，包括以下步驟中的至少 一個提供具有由形成在其中的隔離膜限定的有 源區(qū)的半導(dǎo)體；然后在有源區(qū)上和/或上方形成柵-才及絕纟彖膜；然后在 該棚-極絕纟彖膜上和/或上方形成帽化層膜；然后在該帽化層膜上進4亍 退火過程；然后在有源區(qū)中的帽化層膜上形成棚-才及。
具體實施方式
涉及一種半導(dǎo)體器件，包括以下的至少一種具 有由隔離膜限定的有源區(qū)的半導(dǎo)體襯底；形成在該有源區(qū)上的經(jīng)退 火的柵極絕緣膜；形成在該經(jīng)過退火的柵極絕緣膜上的經(jīng)退火的帽 化層膜；以及形成在有源區(qū)的經(jīng)過退火的帽化層膜上的4冊極。
具體實施方式
涉及一種形成半導(dǎo)體器件的方法，包括以下步驟 中的至少一個在半導(dǎo)體襯底上順序形成柵才及絕緣膜和非晶硅膜， 其中柵極絕緣膜形成在該半導(dǎo)體村底的有源區(qū)中并由高介電常數(shù) 材料組成；然后在包括非晶硅膜和柵極絕緣膜的半導(dǎo)體襯底上實施 退火過程；然后在有源區(qū)的非晶硅膜上形成柵極。


圖1A至1C示出了形成半導(dǎo)體器件的柵極的過程。圖2A至2E示出了根據(jù)具體實施方式
形成半導(dǎo)體器件的柵極的 過程。
具體實施方式
如圖2A所示，提供了半導(dǎo)體村底200,其中有源區(qū)由隔離膜 202所限定。半導(dǎo)體襯底200可以是硅襯底或SOI襯底中的至少一 種，并可以摻雜有P型或N型雜質(zhì)或形成于其中的P型或N型阱 (well )。如圖2B所示，柵極絕緣膜204可以使用諸如金屬氧化物的具有 高介電常數(shù)的材料形成在半導(dǎo)體襯底200的有源區(qū)上和/或上方。包 含金屬氧化物材津牛的棚4及絕纟彖膜204可以利用ALD法來形成。具有 高介電常數(shù)的金屬氧化物材料的實例可以包括鉭氧化物(Ta205 )、 鈦氧化物(Ti02)、鉿氧化物(Hf02)、鋯氧化物(Zr03)、氧化鋁 (A1203)、 AlxOyNz (鋁氮氧4b物，nitride aluminum )、氧化鋁鉿 (HfAlxOy)、 Y203 (銥氧化物)、Nb2Os (鈮氧化物)、銫氧化物 (Ce02)、銦氧化物(In03)、鑭氧化物(La02)等。然而，可以使用 上述4匕合物中的4壬一種或者兩種或多種的組合物作為金屬fU匕物 材料。如圖2C所示，然后可以在斥冊才及氧化物膜上和/或上方形成薄的 帽化層膜206。帽化層膜206可由具有2nm到5nm厚度的非晶硅形成， 并可4吏利用4匕學(xué)氣相沉積(CVD)法、物理氣相沉積(PVD)法、 濺射工藝等中的至少一種來形成。如上所述，如果由非晶硅制成的 帽化層膜206在形成由高介電常數(shù)材料組成的柵極絕緣膜204之后 形成，則柵極絕緣膜204和后來的柵極材料之間的化學(xué)反應(yīng)被阻止， 以致阻止了柵極功函數(shù)改變的現(xiàn)象。如圖2D所示，然后可以在圖2C所示的形成的表面上進行退火 過程。在本文中，退火過程可以在包括氟氣或包含氟氣的混合氣體 的環(huán)境條件下進行，并可以在350攝氏度到750攝氏度之間的溫度范 圍內(nèi)進4亍。如果退火過程如上所述進4亍，則可以防止陷阱部位(或 捕獲位置，trap site)出現(xiàn)在高介電常數(shù)材料(即，柵極絕緣膜204 ) 中。如圖2E所示，然后金屬柵極或全娃化柵極208可以形成在有源 區(qū)上和/或上方。才冊才及208可以由i者如TaN、 TiN、 HfN和La中的至 少一種金屬來形成。通過形成上述金屬柵極或全硅化柵極208，可 以降低EOT。根據(jù)具體實施方式
，在形成高介電常數(shù)材料的柵極絕緣膜204 之后，由非晶石圭組成的帽化層膜206可以隨后^皮形成在柵4及絕纟彖膜 204上和/或上方。然后可以在帽化層月莫206上進4亍退火過程。因此， 可以防止產(chǎn)生低介電常數(shù)絕緣材料的現(xiàn)象，也可以阻止費米能級釘 扎現(xiàn)象發(fā)生的原因。如上所述，才艮據(jù)具體實施方式
，在由包含高介電常數(shù)材料組成 的柵極絕緣膜形成之后，由非晶硅形成帽化層膜以防止柵極絕緣膜 和隨后柵極材料之間的反應(yīng)。因此，不僅柵極功函數(shù)改變的現(xiàn)象可 以被阻止，而且也可以防止產(chǎn)生具有低介電常數(shù)的絕緣體。結(jié)果，可提高半導(dǎo)體器件的性能。此外，根據(jù)具體實施方式
，在順序地形成由高介電常數(shù)的材料 和帽化層膜組成的棚4及絕纟彖膜之后，可以在氟氣環(huán)境中進行退火過 程。因此，這樣帶來的好處是可以防止在柵極絕緣膜內(nèi)出現(xiàn)陷阱位 置。此夕卜，具體實施方式
可以通過形成金屬沖冊極或全硅化柵極有效 地降低EOT。盡管本文已經(jīng)描述了多個具體實施方式
，^旦應(yīng)該明了，本領(lǐng)域 的技術(shù)人員可以想到許多其他的修改和具體實施方式
，這些修改和具體實施方式
均落在本發(fā)明原則的精神和范圍內(nèi)。更具體地，在本 說明書、附圖和所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)，可以在主題結(jié)合安排的多 種安排和/或組成部分中進行各種修改和改變。除了組成部分和/或安排方面的修改和改變以外，替代的使用對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說也 是顯而易見的。
權(quán)利要求
1.一種形成半導(dǎo)體器件的柵極的方法，包括提供半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底具有由形成在其中隔離膜限定的有源區(qū)；然后在所述有源區(qū)上形成柵極絕緣膜；然后在所述柵極絕緣膜上形成帽化層膜；然后在所述具有帽化層膜和所述柵極絕緣膜的所述半導(dǎo)體襯底上進行退火過程；然后在所述有源區(qū)的帽化層膜上形成所述柵極。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述柵極絕緣膜由具有高 介電常lt的金屬氧4b物初^牛組成。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述柵極絕緣膜是利用原 子層沉積(ALD)法形成的。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述帽化層膜由非晶硅組 成。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述帽化層膜是利用化學(xué) 氣相沉積法、物理氣相沉積法和濺射工藝中的至少 一種形成的。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述帽化層膜具有2 nm 至5 ■的厚度。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述退火過程使用氟氣和 包含氟氣的混合氣體中的至少 一種來進行。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述退火過程在350攝氏 度到750攝氏度之間的溫度范圍內(nèi)進行。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述柵極包含全硅化柵極。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述柵極包含選自由TaN、 TiN 、 HfN和La組成的組中的金屬棚-才及。
11. 一種半導(dǎo)體器件，包含具有由隔離膜限定的有源區(qū)的半導(dǎo)體襯底； 形成在所述有源區(qū)上的經(jīng)退火的棚4及絕緣膜； 形成在所述經(jīng)退火的柵4及絕纟彖膜上的經(jīng)退火的帽化層膜； 形成在所述有源區(qū)中的所述經(jīng)退火的帽化層膜上的棚-極。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述柵極絕緣膜 由具有高介電常數(shù)的金屬氧化物材料組成。
13. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述帽化層膜由 非晶石圭組成。
14. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述帽化層膜具 有2 nm至5 nm的厚度。
15. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述柵極包含全 硅化柵極。
16. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述柵極包含選 自由TaN、 TiN、 HfN和La組成的組中的金屬4冊才及。
17. —種形成半導(dǎo)體器件的方法，包括在半導(dǎo)體襯底上順序形成柵極絕緣膜和非晶硅膜，其中 所述棚-極絕緣膜形成在所述半導(dǎo)體襯底的有源區(qū)中并由高介電常數(shù)材料組成；然后在包括所述非晶硅膜和所述棚-才及絕纟彖膜的所述半導(dǎo)體襯 底上進4于退火過程；然后在所述有源區(qū)中的所述非晶硅膜上形成柵極。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述柵極包含全硅化柵極。
19. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述柵極包括選自由TaN、 TiN、 HfN和La組成的組中的金屬棚-極。
20. 沖艮據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述高介電常數(shù)材料包 含金屬氧化物。
全文摘要
一種形成半導(dǎo)體器件的柵極的方法，包括提供一種半導(dǎo)體襯底，其中有源區(qū)由隔離膜所限定；在所述有源區(qū)上形成柵極絕緣膜；在該柵極絕緣膜上形成帽化層膜；以及在所述形成的表面上進行退火過程，然后在所述有源區(qū)的一部分上形成柵極。帽化層膜在柵極絕緣膜上形成，以防止柵極絕緣膜與后繼柵極材料之間的反應(yīng)，從而防止柵極功函數(shù)變化的現(xiàn)象并防止具有低介電常數(shù)的柵極絕緣體的產(chǎn)生。所述退火過程在氟氣環(huán)境下進行以防止出現(xiàn)柵極絕緣膜中的陷阱位置，而該柵極可以是由金屬組成的或完全由硅化物組成的柵極，從而降低EOT。
文檔編號H01L29/40GK101325158SQ20081011069
公開日2008年12月17日 申請日期2008年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月15日
發(fā)明者吳瀧虎 申請人:東部高科股份有限公司