專利名稱：在半導(dǎo)體器件中形成高k柵極疊層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及形成半導(dǎo)體器件中的高K柵極疊層。更具體地，提供了用于形成 MOSFET器件的高K柵極層疊的方法，以便控制MOSFET閾值電壓。優(yōu)選實(shí)施例提供閾值電壓 控制以及改善的溝道載流子遷移率。 金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)器件成為在最現(xiàn)代的集成電路中所采用的CMOS(互補(bǔ) 金屬氧化物半導(dǎo)體)邏輯的基礎(chǔ)。CMOS技術(shù)采用以互補(bǔ)方式共同布線的nMOS(n溝道)和 pMOS(p溝道)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)。這種MOSFET的柵極結(jié)構(gòu)形成為層結(jié)構(gòu)，或者說"疊層"， 其中在半導(dǎo)體(典型地為硅)襯底上形成電介質(zhì)材料的一個(gè)或多個(gè)層，然后在電介質(zhì)上形 成柵極電極。早期的器件使用Si(^作為柵極電介質(zhì)，并使用多晶硅作為柵極電極。然而， 隨著特征尺寸減小以滿足按比例縮小的要求，氧化物厚度的減小導(dǎo)致由直接隧穿引起的顯 著的柵極氧化物漏電流。為了糾正新一代VLSI(超大規(guī)模集成)的該問題，已利用介電常 數(shù)比Si02更高的材料來替代柵極電介質(zhì)。這樣的"高K"電介質(zhì)由此具有高于3. 9的介電 常數(shù)，且通常顯著高于該值。例如，認(rèn)為K二5為中度的高，認(rèn)為K二20為極高。用于柵極 電介質(zhì)的高K材料為金屬氧化物，典型地為Hf02或HfOSi 。在有關(guān)研發(fā)中，為了與高K電介 質(zhì)更相適應(yīng)，已用金屬柵極電極來替代多晶硅柵極電極。 如在Callegari等人的"Low Tinv(《1. 8nm)Metal—Gated MOSFETs onSi02 Based Gate Dielectrics for High Performance Logic Applications'', Int. Conf. SSDM， S印t 16-18， Tokyo, J即an 2003中所討論的，與多晶硅/Si02柵極疊層相比，在Si 襯底上形成的金屬/高K柵極疊層的電子遷移率顯著降低。該遷移率降低導(dǎo)致遠(yuǎn)程光子 散身寸(參見M. V. Fischetti等人的"Effective electron mobili入in Si inversion layers in MOS systems with ahigh—k insulator :The role of remote phonon scattering", J. A卯l. Phys. 90， 4587 (2001))或者導(dǎo)致遠(yuǎn)程電荷散射(參見M. Hiratani等 人的"EffectiveElectron Mobility Reduced by Remote Charge Scattering in High-K GateStacks， JJAP Vol. 41， p. 4521， (2002))。為了解決該問題，在A. Callegari等人的 "Charge trapping related threshold voltage instabilities in highpermittivity gate dielectric stacks", J. Appl. Phys. 99， 023079 (2006)中提出了嘗試方式。該文獻(xiàn) 提出使用濃度朝向硅溝道漸變的肚02疊層。該技術(shù)使得器件具有良好的電特性，尤其是 良好的溝道遷移率，但導(dǎo)致器件閾值電壓的過大漂移。在V. Narayanan等人的"Band-Edge
High_PerformanceHigh_k/Metal Gate n_M0SFETs using Cap Layers Containing Group IIAand 11 IB Elements with Gate—First Processing for 45 nm and Beyond，，， VLSI
Symposium, June 2006中給出了對(duì)解決該附加問題的嘗試方式。該文獻(xiàn)提出了附圖的圖1 中所示例的柵極疊層結(jié)構(gòu)。具體地，在肚02電介質(zhì)的頂上且在金屬柵極下面添加氧化鑭層。 這僅僅對(duì)nFET器件，而未對(duì)pFET器件，改善了閾值電壓漂移。另外，新層的引入導(dǎo)致溝道 中的遷移率的顯著降低。解決金屬/高K柵極疊層中的遷移率問題的其他嘗試提出了使用
背景技術(shù)：
鉿硅酸鹽材料來減少光子散射并從而改善遷移率。然而，這些硅酸鹽材料具有比Hf02(K 20)低的介電常數(shù)(K 12)，由此限制器件的按比例縮小能力。具體地，小于23l的硅酸 鹽材料層似乎難于實(shí)現(xiàn)，而在Callegari等人的上述2003年的文獻(xiàn)中實(shí)現(xiàn)了約12l的Hf02層。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種形成MOSFET器件的高K柵極疊層以控制所述M0SFET器件的閾值 電壓的方法。所述方法包括 在半導(dǎo)體襯底上形成第一高K金屬氧化物層； 直接在所述第一層上形成至少一個(gè)復(fù)合層，所述復(fù)合層包括直接形成在偶極誘導(dǎo) 層上的第二高K金屬氧化物層，所述偶極誘導(dǎo)層包括具有與所述第一和第二層相比更高的 氧空位親和力和更低的氧空位擴(kuò)散率的高K金屬氧化物；以及
在所述至少一個(gè)復(fù)合層上形成金屬柵極電極； 其中將所述各層形成為使所述至少一個(gè)復(fù)合層的所述偶極誘導(dǎo)層定位在所述柵 極電極與所述襯底之間，以使所述閾值電壓漂移到所希望的水平。 本發(fā)明基于對(duì)在柵極疊層結(jié)構(gòu)中所誘導(dǎo)的氧空位的特性和作用的理解的發(fā)展。具 體地，本發(fā)明是基于這樣的技術(shù)效果，利用該技術(shù)效果，可以通過適當(dāng)?shù)匦纬烧T導(dǎo)偶極效應(yīng) 的層結(jié)構(gòu)來控制在柵極疊層結(jié)構(gòu)中誘導(dǎo)的氧空位，其中偶極效應(yīng)可以使閾值電壓根據(jù)需要 進(jìn)行漂移。下面將詳細(xì)解釋該技術(shù)效果。然而，簡(jiǎn)言之，應(yīng)理解，對(duì)疊層引入附加層(例如， 圖1中的1^203層)的主要效果是增加高K電介質(zhì)中的氧空位的數(shù)量。這些缺陷帶正電荷。 通過引入具有與基礎(chǔ)高K電介質(zhì)相比更高的氧空位親和力和更低的氧空位擴(kuò)散率的高K金 屬氧化物層，氧空位將趨于聚集在與新層的界面處。帶正電荷的氧空位的聚集將產(chǎn)生偶極 場(chǎng)，該偶極場(chǎng)橫跨每個(gè)與新的"偶極誘導(dǎo)層"的界面。通過將偶極誘導(dǎo)層適當(dāng)定位在柵極電 極與襯底之間，這些場(chǎng)將誘導(dǎo)柵極和/或襯底的能帶的漂移，由此使器件閾值電壓漂移，使 得閾值電壓能夠?qū)崿F(xiàn)所希望的水平。因此，提供了控制MOSFET器件的閾值電壓的簡(jiǎn)單而有 效的機(jī)理，并且該機(jī)理可等同地適用于n型和p型器件兩者。并且，在優(yōu)選實(shí)施例中，由于 對(duì)氧空位的作用，偶極誘導(dǎo)層和/或一個(gè)或多個(gè)類似層可提供改善的溝道遷移率。這將在 下面進(jìn)行進(jìn)一步的描述。 通過在高K材料的第一層上形成如上限定的至少一個(gè)復(fù)合層，偶極誘導(dǎo)層有效地 被夾在上述第一和第二高K層之間。盡管在原理上可以構(gòu)建不止一個(gè)復(fù)合層，在優(yōu)選實(shí)施 例中，在第一層上形成單個(gè)復(fù)合層。在任何情況下，使閾值電壓漂移到希望水平所需要的對(duì) 偶極誘導(dǎo)層的精確定位將取決于給定層結(jié)構(gòu)的具體細(xì)節(jié)，例如，層的具體的材料、濃度和厚 度，這些都是對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的。然而，下面將描述實(shí)施這些方面的基本原則 和具體實(shí)例。通常，可以具體地或更大體地將閾值電壓所漂移到的希望水平限定為例如一 具體電壓或作為在希望范圍內(nèi)的一電壓，或者，可以相對(duì)于沒有偶極誘導(dǎo)層的情況下的閾 值電壓來簡(jiǎn)單地將閾值電壓所漂移到的希望水平限定為例如比那個(gè)閾值電壓更高或更低。
在此所使用的術(shù)語"金屬氧化物"通常是指任何包含金屬的氧化物材料。由此，根 據(jù)所關(guān)注的層，例如，金屬氧化物本身可以為金屬氧化物(諸如Hf02或LayHfz0x)，或者可 以為金屬氧化物硅酸鹽(諸如HfOSi)，或者可以為金屬-半導(dǎo)體氧化物(諸如金屬硅酸鹽LayHfzSiOx、LayYzHfwSiOx)等。下面將給出用于柵極疊層的不同層中的各種可能的材料的實(shí) 例。然而，在優(yōu)選實(shí)施例中，偶極誘導(dǎo)層包含鑭和釔中的至少一種，最優(yōu)選包含鑭。
通常，在另一層上形成柵極疊層的給定層時(shí)，除非另有規(guī)定，該給定層可以直接或 間接(即，有或者沒有中間層)形成在其他層上。類似地，除非另有規(guī)定，給定層通常為不 同成分層的復(fù)合層。 柵極電極典型地為純金屬或金屬合金。在優(yōu)選實(shí)施例中，柵極電極直接形成在如 上限定的復(fù)合層上，并且第一和第二層包括Hf02和Hfx0Si中的至少一種，最優(yōu)選為Hf02。
本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，在所關(guān)注的結(jié)構(gòu)中一個(gè)層在另一個(gè)層上的形成通常在某 種程度上使兩個(gè)層合并，在這些層中產(chǎn)生材料濃度的某種變化。然而，在一些實(shí)施例中，可 以在一個(gè)或多個(gè)層中有意地引入材料濃度的變化。例如，第一和第二層可以具有在垂直于 襯底的方向上漸變的金屬濃度。 在圖1的結(jié)構(gòu)中，如上所述產(chǎn)生的氧空位具有相對(duì)高的濃度，且可以在Hf(^層中 相當(dāng)自由地移動(dòng)。當(dāng)靠近溝道時(shí)，它們充當(dāng)強(qiáng)庫侖散射中心，其于是會(huì)造成所觀測(cè)到的遷移 率的降低。在本發(fā)明的實(shí)施例中，偶極誘導(dǎo)層的特性和定位可以提供該效果的某些改善。具 體地，偶極誘導(dǎo)層可以在某種程度上抑制氧空位朝向溝道移動(dòng)。例如，在其中與柵極相比偶 極誘導(dǎo)層更靠近襯底以致包殼電介質(zhì)的大部分在柵極側(cè)的實(shí)施例中，偶極誘導(dǎo)層可以抑制 氧空位從柵極側(cè)遷移到襯底側(cè)，由此有助于將氧空位限制在遠(yuǎn)離溝道的區(qū)域中，從而改善 遷移率。然而，在優(yōu)選實(shí)施例中，在層結(jié)構(gòu)中形成分隔的"阻擋層"，從而以這種方式限制氧 空位。該阻擋層形成在第一層中，且包括具有與第一層相比更高的氧空位親和力和更低的 氧空位擴(kuò)散率的高K金屬氧化物，從而該阻擋層抑制氧空位跨過阻擋層向襯底遷移。與偶 極誘導(dǎo)層類似地，阻擋層優(yōu)選包含鑭和釔中的至少一種，最優(yōu)選包含鑭。下面給出阻擋層的 優(yōu)選形成的進(jìn)一步的細(xì)節(jié)。


下面將參考附圖而通過實(shí)例來描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，其中 圖1示出現(xiàn)有的柵極疊層的層結(jié)構(gòu)； 圖2和圖3是示出示范了各種材料中的氧空位的特性的模擬結(jié)果的圖； 圖4示例出通過實(shí)施本發(fā)明的方法而形成的第一柵極疊層； 圖5示例出通過實(shí)施本發(fā)明的方法而形成的第二柵極疊層； 圖6示例出根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例而形成的具有阻擋層的柵極疊層； 圖7示例出根據(jù)又一實(shí)施例而形成的另一柵極疊層；以及 圖8示例出柵極疊層中的阻擋層在不同條件下的效果。
具體實(shí)施例方式
在描述根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例形成柵極疊層之前，首先示例實(shí)施例所基于的技術(shù)效 果的一些原理。圖2和圖3示出與在各種材料中的氧空位的特性有關(guān)的一些基于第一原理 的模擬的結(jié)果。圖2是隨離摻La的Hf氧化物中的鑭原子的距離而變的氧空位的能量的繪 圖，其中插入的圖表示原子結(jié)構(gòu)，淺色球表示La和Hf原子，深色球表示氧。該圖清楚地示 例出La原子對(duì)氧空位的親和力，結(jié)合能隨著與La原子的距離d的減小而顯著增大。因此，氧空位趨于在La原子附近聚集。 圖3繪制出隨與不同原子橋(具體地，La-La橋、La_Hf橋和Hf-Hf橋)的距離而 變的氧空位的結(jié)合能。該圖示例出沿著每一種類型的橋的氧空位擴(kuò)散的不同能量勢(shì)壘。具 體地，d = 0處的能量指示出通過橋所需的激活能?？梢钥闯?，能量勢(shì)壘在存在La時(shí)增大， 且目前為止La-La橋的能量勢(shì)壘最大。由此，La具有增大對(duì)氧空位擴(kuò)散的能量勢(shì)壘的效果。 例如，模擬結(jié)果表明，當(dāng)在Hf02基質(zhì)中并入時(shí)，La具有使能量勢(shì)壘增大一個(gè)數(shù)量級(jí)的效果。
以上結(jié)果表明，通過控制La的含量及其分布，可以控制氧空位的特性，特別是氧 空位的分布和擴(kuò)散。下面給出的進(jìn)一步的結(jié)果表明，氧空位的局域化強(qiáng)烈依賴于La濃度， 從而，通過控制La的含量和分布可以將結(jié)果調(diào)整為給出希望的效果。此外，雖然所示例的 效果具體涉及La，但可由如下所述的其他材料示例出類似的效果。這些效果在實(shí)施本發(fā)明 的方法中得以發(fā)揮，以為MOSFET柵極疊層中的閾值電壓控制提供有效且靈活的機(jī)理。下面 將參考圖4-7描述實(shí)例。 圖4是由實(shí)施本發(fā)明的方法而形成的第一柵極疊層1的示意性示例。根據(jù)該方法， 在硅襯底3上形成第一 Hf02層2，通常在存在空氣時(shí)，該硅襯底3具有由硅的氧化引起的表 面氧化物"界面"層。例如，通過諸如CVD(化學(xué)氣相沉積)、PECVD(等離子體增強(qiáng)的化學(xué)氣 相沉積)、濺射、化學(xué)溶液沉積、鍍敷等的常規(guī)沉積工藝，形成第一 Hf02層，隨后適當(dāng)退火以 給出漸變的Hf濃度，該濃度在最靠近襯底3處最大。接著，在第一 Hf02層上形成包括氧化 鑭La0x層5和第二 Hf02層6的復(fù)合層4。與之前一樣地通過諸如CVD、 PECVD、濺射、化學(xué) 溶液沉積、鍍敷等的沉積工藝，在第一 Hf02層2上直接形成LaOx層5，隨后適當(dāng)退火。再次 通過諸如上面給出的示例性工藝的沉積工藝，在LaOx層5上直接形成第二 Hf02層6，隨后 適當(dāng)退火。最后，通過諸如上面給出的示例性工藝的直接沉積，在復(fù)合層上直接形成金屬柵 極電極7，隨后適當(dāng)退火。在該實(shí)施例中，柵極電極7由W形成，但這里可以使用各種材料， 例如，包括W、 Pt、 Pd、 Ru、 Re、 Ir、 Ta禾口 Mo。 如上所述，高K的LaOx層5的引入具有增加在相鄰的高K的Hf02層2和6中的 氧空位的數(shù)量的效果。如由上面給出的結(jié)果所指示的，LaOx層5具有與Hf(^層2和6相 比更高的氧空位親和力和更低的氧空位擴(kuò)散率。由于LaOx層5被直接夾在Hf02層2與6 之間，所產(chǎn)生的氧空位將趨于集中在La原子附近，因此聚集在與LaOx層5的上下界面處。 由于氧空位帶正電荷，在每個(gè)界面處產(chǎn)生偶極場(chǎng)(在Hf(^中為正的，而在LaOx中為負(fù)的)。 LaOx層5由此用作偶極誘導(dǎo)層，且該層所產(chǎn)生的偶極場(chǎng)可被用于誘導(dǎo)與沒有該層的等效柵 極結(jié)構(gòu)相比的柵極閾值電壓的漂移。具體地，在圖4的實(shí)例中，該柵極疊層用于pFET，且這 些層形成為使得偶極誘導(dǎo)層5定位為與襯底3相比更靠近柵極電極7。更詳細(xì)地，將偶極
誘導(dǎo)層5形成為具有5A至20A的厚度，在該優(yōu)選實(shí)施例中為約10人。在偶極誘導(dǎo)層5中鑭
的平均濃度為約30%至100%，在該優(yōu)選實(shí)施例中為約30%。另外，偶極誘導(dǎo)層5與柵極
電極7間隔約5A至20A,在該優(yōu)選實(shí)施例中為約5A。利用上述層形成，偶極誘導(dǎo)層5被定
位而產(chǎn)生柵極金屬的費(fèi)米能級(jí)的正向漂移。對(duì)于pFET，這使得閾值電壓在合適的方向上漂 移，從而糾正如上所述由漸變的Hf濃度引入的漂移。因此，通過如上所述形成柵極疊層，閾 值電壓受到控制，從而為基于Hf02的高K金屬柵極pFET提供解決方案。
雖然在以上實(shí)施例的LaOx偶極誘導(dǎo)層5中的La濃度可以具有30%至100%的優(yōu) 選范圍內(nèi)的任何值，在一些實(shí)施例中，偶極誘導(dǎo)層5中可具有在該范圍內(nèi)漸變的La濃度，該濃度在朝向柵極電極7的方向上增大。可通過簡(jiǎn)單的La沉積，然后進(jìn)行快速退火，產(chǎn)生這 樣的LaOx漸變層。 圖5是通過實(shí)施本發(fā)明的方法形成的第二柵極疊層10的示意性示例。利用該方 法，在襯底12上形成第一 Hf02漸變層ll，與前面的一樣地，Hf濃度在最靠近襯底12處最 大。在Hf(^層ll上直接形成La0x偶極誘導(dǎo)層13。在LaOx層13上直接形成也具有漸變的 Hf濃度的第二HfOj漸變層14。最后，在11 )2層14上直接形成金屬柵極電極15。通過與圖 4中的疊層1的等效層相同的工藝形成該柵極疊層10的各層11-15。然而，在該情況下，各 層被形成為使得偶極誘導(dǎo)層13定位為與柵極電極15相比更靠近襯底12。更詳細(xì)地，偶極 誘導(dǎo)層l3與襯底l2間隔2.5A至5A，在該優(yōu)選實(shí)施例中間隔約3A，該間隔為第一 Hf02層 11的厚度。與前面的一樣地，偶極誘導(dǎo)層13具有5A至20人的厚度，在該優(yōu)選實(shí)施例中為 約10^且所包含的鑭的平均濃度為約30%至100%，這里為約30%。 利用圖5的層形成，偶極誘導(dǎo)層13被定位為在硅襯底的導(dǎo)帶中產(chǎn)生負(fù)漂移。具 體地，與前面的一樣地，在LaOx層13的每個(gè)界面處氧空位的聚集誘導(dǎo)偶極場(chǎng)，該偶極場(chǎng)在 Hf02中為正的，而在LaOx中為負(fù)的。然而，這里，在LaOx層13與襯底12之間的薄11 )2層 11的變化非常小。因此，最重要的效果是由LaOx層中的負(fù)電荷引起的，該負(fù)電荷使得硅的 導(dǎo)帶相對(duì)于金屬柵極不穩(wěn)定。結(jié)果，在硅的導(dǎo)帶中產(chǎn)生負(fù)漂移。硅導(dǎo)帶中的該負(fù)漂移等效 于由圖4的方法實(shí)現(xiàn)的柵極的費(fèi)米能級(jí)的正漂移。由此，對(duì)于PFET，再次使得柵極閾值電壓 在合適的方向上漂移，為基于Hf02的高K金屬柵極pFET提供另一解決方案。
雖然上面描述了用于基于Hf02的pFET的兩種示例性解決方案，但對(duì)于柵極疊層 的各個(gè)層可采用其他的材料。例如，第一和第二高K層可由替換的諸如Hf,OSi、Zi^、Zr,OSi 的金屬氧化物材料形成，并且不需要由相同材料形成。類似地，通常，偶極誘導(dǎo)層可以由具 有與第一和第二層的高K材料相比更高的氧空位親和力和更低的氧空位擴(kuò)散率的任何材 料形成。然而，在優(yōu)選實(shí)施例中，偶極誘導(dǎo)層包含鑭和釔中的至少一種，因?yàn)檫@些金屬已被 發(fā)現(xiàn)是尤其有效的。表明具有良好穩(wěn)定性的優(yōu)選材料的實(shí)例為L(zhǎng)a203、 LayHfZ0X、 LayHfzSiOx、 Y203以及LayYzHfwSiOx、 YyZrzOx、 YyZrzSiOx。 使閾值電壓漂移到希望的水平所需的對(duì)偶極誘導(dǎo)層的精確定位取決于給定實(shí)施 例中的具體層結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)，例如，層的具體的材料、濃度和厚度，這些都是對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù) 人員顯而易見的。可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)具體地柵極疊層結(jié)構(gòu)確定用于給定的所希望的電壓漂 移的合適定位。并且，雖然以上解決方案使得PFET的柵極閾值電壓在特定的希望方向上漂 移，但可以應(yīng)用等效技術(shù)以獲得相反方向上的電壓漂移。具體地，使得圖4和圖5的層配置 顛倒會(huì)產(chǎn)生相反的電壓漂移。也就是說，在圖4的等效結(jié)構(gòu)中，偶極誘導(dǎo)層與襯底3而不是 與柵極電極7間隔5A至20人。類似地，在圖5的等效結(jié)構(gòu)中，偶極誘導(dǎo)層與柵極電極15而 不是與襯底12間隔2.5^至5A。實(shí)施本發(fā)明的方法可以由此而普遍適用于任何M0SFET器 件，無論是nFET、 pFET或者其一些組合，例如在CMOS器件中nFET和pFET的組合。
由以上描述可以看出，通過適當(dāng)?shù)匦纬蓪咏Y(jié)構(gòu)而控制在柵極疊層層結(jié)構(gòu)中誘導(dǎo)的 氧空位，實(shí)施本發(fā)明的方法產(chǎn)生偶極場(chǎng)，該偶極場(chǎng)可以使柵極的費(fèi)米能或者溝道中的半導(dǎo) 體的導(dǎo)帶朝向合適的能帶排列(bandalignment)漂移。因此為在任何類型的MOSFET器件 中的閾值電壓的控制提供簡(jiǎn)單而高效的機(jī)理。 由于其對(duì)氧空位的影響，在一些實(shí)施例中，偶極誘導(dǎo)層可另外提供改善的溝道遷移率。具體地，在襯底附近的高K電介質(zhì)中移動(dòng)的氧空位可用作強(qiáng)庫侖散射中心，其導(dǎo)致溝道中的載流子遷移率降低。由于偶極誘導(dǎo)層具有相對(duì)低的氧空位擴(kuò)散率，這可以抑制氧空位橫跨該層而朝向溝槽移動(dòng)。在圖5中，例如，如果La0x層13靠近襯底，以致11 )2的大部分在柵極側(cè)，則La0x層可以抑制氧空位從柵極側(cè)遷移到襯底側(cè)，由此有助于將氧空位限制在遠(yuǎn)離溝道的區(qū)域中，從而改善遷移率。然而，通常，早先給出的結(jié)果表明，La的存在可顯著增大對(duì)氧空位擴(kuò)散的能量勢(shì)壘，從而，通過控制La的含量及其分布，可以建立對(duì)氧空位的物理阻擋。圖6示例出其中利用該效果的示例性實(shí)施例。 —般地，如對(duì)圖4的結(jié)構(gòu)1的描述那樣地形成圖6的柵極疊層結(jié)構(gòu)20，但是這里將第一高K電介質(zhì)層形成為復(fù)合層。具體地，在該疊層的第一層22中形成阻擋層21。該阻擋層21為薄的La0x高濃度層，其給出對(duì)空位遷移的基本不透明的阻擋層。阻擋層21包含至少80%的平均鑭濃度，在該實(shí)例中為約80 % ，并具有2.5A至5A的厚度，在該實(shí)例中為約5A。通過諸如CVD、 PECVD、濺射、化學(xué)溶液沉積、鍍敷等的沉積工藝，隨后適當(dāng)?shù)赝嘶?，將該阻擋層形成在第?Hf02層22的組成層之間。在該實(shí)例中，接著將偶極誘導(dǎo)層23形成為具有如上所述的漸變的La0x濃度。然后如圖4那樣地形成第二 Hf02層24和柵極電極25。阻擋層21抑制氧空位橫跨該阻擋層而朝向襯底遷移。由此，由偶極誘導(dǎo)層的形成所誘導(dǎo)的氧空位將被限制在阻擋層21上方的區(qū)域中，S卩，遠(yuǎn)離溝道。以這種方式，可以改善由庫侖散射引起的載流子遷移率降低。注意在該優(yōu)選實(shí)施例中，阻擋層21被基本定位在柵極電極與襯底之間的中途。由于阻擋層21對(duì)氧空位的作用，這防止了對(duì)能帶的任何潛在影響，否則將妨礙偶極誘導(dǎo)層23的作用。 雖然在圖6中阻擋層由La0x形成，但這里可以采用具有與相鄰電介質(zhì)層相比更高的氧空位親和力和更低的氧空位擴(kuò)散率的其他高K金屬氧化物。鑭和釔特別有效。然而，用于阻擋層的示例性材料為L(zhǎng)a203、 LaxHfy0x、 LaxHfySiOx、 Y203和LaxYyHfzSiOx。例如，圖7示例出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的另一柵極疊層結(jié)構(gòu)的形成。 一般地，如圖6的描述那樣地形成該結(jié)構(gòu)30，但在該情況下，阻擋層31由具有高的La濃度的LaHf0x形成。第二高K電介質(zhì)層33也由LaHf0x形成，在該情況下，具有與La0x偶極誘導(dǎo)層34相比低的La濃度。通常，已通過對(duì)在合適的層疊幾何形狀中的氧空位擴(kuò)散的基于第一原理的模擬結(jié)果示例出阻擋層的可行性。這些結(jié)果示例于圖8中。其示出部分層疊結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包含與圖6和圖7的結(jié)構(gòu)類似的Hf02電介質(zhì)層Nl與N2之間的LaHf0阻擋層，但為了模擬的原因而具有更大的尺寸。右上圖示出對(duì)于La與Hf的不同相對(duì)濃度，N2與N1中的氧空位的比率如何隨著時(shí)間而改變。右下圖示出溫度對(duì)氧空位擴(kuò)散的影響。該圖清楚地示例出阻擋層在限制氧空位方面的作用。并且，上圖示出La濃度的小差異導(dǎo)致阻擋效果的顯著差異。由此可以根據(jù)需要調(diào)整氧空位的限制作用，從而使得溝道遷移率恢復(fù)到可接受的水平。 應(yīng)理解，可以對(duì)所描述的示例性實(shí)施例進(jìn)行許多改變和修改。例如，雖然優(yōu)選上述簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，但可以設(shè)想其中在第一高K層上形成包括偶極誘導(dǎo)層和第二高K層的多于一個(gè)復(fù)合層。作為另一實(shí)例，在一些實(shí)施例中，可以在第一高K層與襯底之間，或者在第二高K層與柵極之間，形成中間層。只要不脫離本發(fā)明的范圍，可以進(jìn)行各種其他改變和修改。
權(quán)利要求
一種形成MOSFET器件的高K柵極疊層以控制所述MOSFET器件的閾值電壓的方法，所述方法包括在半導(dǎo)體襯底上形成第一高K金屬氧化物層；直接在所述第一層上形成至少一個(gè)復(fù)合層，所述復(fù)合層包括直接形成在偶極誘導(dǎo)層上的第二高K金屬氧化物層，所述偶極誘導(dǎo)層包括具有與所述第一和第二層相比更高的氧空位親和力和更低的氧空位擴(kuò)散率的高K金屬氧化物；以及在所述至少一個(gè)復(fù)合層上形成金屬柵極電極；其中將所述各層形成為使所述至少一個(gè)復(fù)合層的所述偶極誘導(dǎo)層定位在所述柵極電極與所述襯底之間，以使所述閾值電壓漂移到所希望的水平。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中所述偶極誘導(dǎo)層包含鑭和釔中的至少一種。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中所述偶極誘導(dǎo)層包括1^203、 LayHfzOx、 LayHfzSiOx、 Y203 和LayYzHfwSiOx中的至少一種。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中在所述第一層上形成單復(fù)合層。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中所述偶極誘導(dǎo)層具有5人至20A的厚度，包含平均濃度為30%至100%的鑭，并且與所述柵極電極和襯底中的一者間隔51至20人。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中所述各層被形成為使得所述偶極誘導(dǎo)層定位為較靠近 所述柵極電極和襯底中的一者，而不是較靠近所述柵極電極和襯底中的另一者。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中所述偶極誘導(dǎo)層具有5l至20A的厚度，包含平均濃度為30%至100%的鑭，并且與所述柵極電極和襯底中的一者間隔2.5^至5人。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中所述各層被形成為使得所述偶極誘導(dǎo)層定位為較靠近 所述柵極電極和襯底中的一者，而不是較靠近所述柵極電極和襯底中的另一者。
9. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中直接在所述復(fù)合層上形成所述柵極電極。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述第一和第二層包括Hf(^和HfxOSi中的至少一種。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中所述第一和第二層被形成為在遠(yuǎn)離所述襯底的方向 上Hf濃度增大。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，包括在所述第一層中形成阻擋層，所述阻擋層包括具有與 所述第一層相比更高的氧空位親和力和更低的氧空位擴(kuò)散率的高K金屬氧化物，從而所述 阻擋層抑制氧空位橫跨所述阻擋層而朝向所述襯底遷移。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中所述阻擋層包含鑭和釔中的至少一種。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中所述阻擋層包括La203、 LaxHfy0x、 LaxHfySiOx、 Y203和 LaxYyHfzSiOx中的至少一種。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中所述阻擋層包含平均濃度至少為80%的鑭，且具有2.5A至5A的厚度。
16. 根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中所述阻擋層被基本定位在所述柵極電極與襯底之間 的中途。
全文摘要
本發(fā)明涉及在半導(dǎo)體器件中形成高K柵極疊層的方法。本發(fā)明提供形成MOSFET器件的高K柵極疊層(1，10，20，30)以控制MOSFET器件的閾值電壓的方法。在半導(dǎo)體襯底(3，12)上形成第一高K金屬氧化物層(2，11，22，32)。然后直接在所述第一層(2，11，22，32)上形成至少一個(gè)復(fù)合層。所述復(fù)合層包括直接形成在偶極誘導(dǎo)層(5，13，23，34)上的第二高K金屬氧化物層(6，14，24，33)。所述偶極誘導(dǎo)層包括具有與所述第一和第二層相比更高的氧空位親和力和更低的氧空位擴(kuò)散率的高K金屬氧化物。然后，在所述至少一個(gè)復(fù)合層上形成金屬柵極電極(7，15，25)。將所述各層形成為使所述至少一個(gè)復(fù)合層的所述偶極誘導(dǎo)層(5，13，23，34)定位在所述柵極電極與所述襯底之間，以使所述閾值電壓漂移到希望的水平。
文檔編號(hào)H01L21/02GK101752237SQ200910220830
公開日2010年6月23日 申請(qǐng)日期2009年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月16日
發(fā)明者A·庫利奧尼, C·A·皮涅多利, W·安得烈奧尼 申請(qǐng)人:國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司