專利名稱：晶體管及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及關(guān)于一種晶體管，特別是一種具有非對(duì)稱結(jié)構(gòu)柵極的晶體管及其 制造方法。
背景技術(shù)：
限制金屬氧化物半導(dǎo)體(M0Q晶體管尺寸進(jìn)一步縮小的主要問(wèn)題是短溝道效應(yīng) (SCE)，且該現(xiàn)象主要發(fā)生在溝道長(zhǎng)度小于0. 1微米時(shí)。器件失效包括但不僅限于DIBL (漏 極感應(yīng)載流子勢(shì)壘降低，即低的源漏極擊穿電壓)、亞閾值泄露、和閾值不穩(wěn)定等。這些問(wèn)題 統(tǒng)稱為短溝道效應(yīng)，主要與界面層的等效氧化層厚度(EOT)有關(guān)，而薄的EOT有利于控制短 溝道效應(yīng)(特別是在漏端)，如引文High-performance High-K/Metal Gatesfor 45nm CMOS and Beyond with Gate-First Processing(M. Chudziket al. VLSI 2007, IBM et al.) PJf 述。如圖1所示，當(dāng)柵極氧化層厚度Tinv(等效氧化層厚度，EOT)的電學(xué)厚度減小時(shí)，DIBL 隨之減小。此夕卜艮據(jù)弓I文 Extremely Scaled Gate-First High-K Metal GateStack with EOT of 0. 55nm Using Novel Interfacial Layer ScavengingTechniques for 22nm Technology Node and Beyond(K. Choi et al. VLSI2009, IBM)所述，當(dāng)?shù)刃а趸瘜雍穸?(EOT)繼續(xù)減小時(shí)，電子遷移率(在Erff = lMV/cm處)會(huì)繼續(xù)降低，如圖2所示。同時(shí)，當(dāng) 等效氧化層厚度(EOT)繼續(xù)減小時(shí)，空穴遷移率(在Erff = lMV/cm處)也會(huì)繼續(xù)降低，如 圖3所示。這說(shuō)明界面層會(huì)引起的載流子遷移率的下降。綜上所述，需要一種晶體管及其制造技術(shù)，在降低等效氧化層厚度(EOT)來(lái)抑制 短溝道效應(yīng)的同時(shí)控制載流子遷移率的下降。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的具體實(shí)施方式
中，晶體管包括具有溝道區(qū)的基底；位于該基底溝道 區(qū)兩端的源區(qū)和漏區(qū)；界于所述源區(qū)和漏區(qū)之間的該溝道區(qū)上方基底頂層的柵極高K介質(zhì) 層；位于該柵極高K介質(zhì)層下面的界面層，該界面層包括兩部分，第一部分靠近源極，第二 部分靠近漏極，且第一部分的等效氧化層厚度大于第二層。根據(jù)該晶體管的具體實(shí)施方式
，所述界面層第一部分的厚度大于0. 5nm，而所述界 面層第二部分的厚度小于0. 5nm。根據(jù)該晶體管的具體實(shí)施方式
，所述界面層第一部分占據(jù)的長(zhǎng)度小于界面層總長(zhǎng) 度的2/3，而所述第二部分占據(jù)了總長(zhǎng)度剩余的部分。根據(jù)該晶體管的具體實(shí)施方式
，該晶體管還包括位于所述柵極高K介質(zhì)層頂層 的氧吸收層；圍繞該氧吸收層的掩蔽層。根據(jù)該晶體管的具體實(shí)施方式
，所述氧吸收層包括位于所述漏極側(cè)且與所述柵 極高K介質(zhì)層接觸的第一氧吸收層；位于所述源極側(cè)且與所述柵極高K介質(zhì)層接觸的第二 氧吸收層；所述第一氧吸收層的氧吸收能力高于第二氧吸收層的氧吸收能力。
根據(jù)該晶體管的具體實(shí)施方式
，所述第一氧吸收層為Ti，Hf，Ta, W和/或其氮化 物。根據(jù)該晶體管的具體實(shí)施方式
，所述柵極高K介質(zhì)層的介質(zhì)常數(shù)大于4。根據(jù)該晶體管的具體實(shí)施方式
，所述柵極高K介質(zhì)層為HfO2, ZrO2或者A1203。根據(jù)該晶體管的具體實(shí)施方式
，在所述柵極高K介質(zhì)層上方還形成一層金屬膜。根據(jù)該晶體管的具體實(shí)施方式
，此處所說(shuō)的金屬薄膜為Ti，Ta, Al或其氮化物。非對(duì)稱替代的金屬柵形成非對(duì)稱界面層，在漏極側(cè)較薄而在源極側(cè)較厚。在較薄 的漏極側(cè)，短溝道效應(yīng)比較重要，非對(duì)稱的界面層有利于控制短溝道效應(yīng)；在較厚的源極 側(cè)，載流子遷移率對(duì)器件影響較大，非對(duì)稱的界面層可以避免載流子遷移速率下降。此外，非對(duì)稱替代的金屬柵也可以形成非對(duì)稱的金屬功函數(shù)。本發(fā)明還提供一種晶體管的制造方法，包括在硅片上制備源極，漏極，柵極高K 介質(zhì)層，多晶硅柵和覆蓋多晶硅柵的掩蔽層；在所述掩蔽層、源極和漏極上淀積一層層間介 質(zhì)；進(jìn)行平坦化處理去除所述層間介質(zhì)的頂部直到露出所述掩蔽層的頂部；刻蝕去除所述 掩蔽層的頂部直到露出所述多晶硅柵的頂部；刻蝕去除所述柵極高K介質(zhì)層上面的多晶硅 柵極形成一個(gè)空腔；在所述空腔內(nèi)形成第一氧吸收層；在所述空腔剩余部分形成第二氧吸 收層；此處所述的第一氧吸收層吸收氧的能力強(qiáng)于第二氧吸收層。在此方法的其他備選方案中，刻蝕去除所述多晶硅柵后，還需要在所述高K層上 形成一層金屬薄膜。在此方法的其他備選方案中，所述金屬薄膜為Ti，Ta, Al和/或它們的氮化物。在此方法的其他備選方案中，所述柵極高K介質(zhì)層包括介電常數(shù)大于4的高K介 質(zhì)材料。在此方法的其他備選方案中，所述掩蔽層為硅氧化物，硅氮化物或者兩者的混合 物。在此方法的其他備選方案中，所述層間介質(zhì)為二氧化硅。在此方法的其他備選方案中，所述掩蔽層采用化學(xué)機(jī)械研磨或者反應(yīng)離子刻蝕方 法移除。在此方法的其他備選方案中，第一種氧吸收材料是傾斜淀積在所述層間介質(zhì)層， 掩蔽層，所述空腔內(nèi)漏極一側(cè)的柵極高K介質(zhì)層上的，一次形成所述第一氧吸收層。在此方法的其他備選方案中，所述第一氧吸收層為Ti，Hf，Ta，W和/或其氮化物。在此方法的其他備選方案中，第二種氧吸收材料淀積在所述空腔內(nèi)剩余的部分， 并用化學(xué)機(jī)械研磨法在空腔源極側(cè)的柵極高K介質(zhì)層上形成所述第二氧吸收層。其中，第 二種氧吸收材料可以與第一種氧吸收材料相同。本發(fā)明的上述技術(shù)方案與下面的描述和附圖相結(jié)合能夠得到更好的體會(huì)和理解。 然而應(yīng)該注意到，下面的描述是針對(duì)本發(fā)明的較佳實(shí)施方式和眾多相關(guān)細(xì)節(jié)的，并通過(guò)舉 例方式來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)方式。在沒(méi)有背離本發(fā)明精神的前提下，可以在本發(fā)明范圍內(nèi) 做出其它改變和修改，這些改變和修改都是包含在本發(fā)明中的。


圖1顯示在不同Tinv點(diǎn)處DIBL和Lgate的對(duì)比；
圖2顯示電子遷移率(在Eeff = lMV/cm處)相對(duì)EOT的變化趨勢(shì)；圖3顯示空穴遷移率(在Eeff = lMV/cm處)相對(duì)EOT的變化趨勢(shì)；圖4為根據(jù)本發(fā)明具體實(shí)施方式
的晶體管橫截結(jié)構(gòu)面示意圖；圖5為根據(jù)本發(fā)明具體實(shí)施方式
的制造晶體管方法步驟一的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為根據(jù)本發(fā)明具體實(shí)施方式
的制造晶體管方法步驟二的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為根據(jù)本發(fā)明具體實(shí)施方式
的制造晶體管方法步驟三的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖；圖8為根據(jù)本發(fā)明具體實(shí)施方式
的制造晶體管方法步驟四的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖；圖9為根據(jù)本發(fā)明具體實(shí)施方式
的制造晶體管方法步驟五的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖；圖10為根據(jù)本發(fā)明具體實(shí)施方式
的制造晶體管方法步驟六的橫截面結(jié)構(gòu)示意 圖；圖11為根據(jù)本發(fā)明具體實(shí)施方式
的制造晶體管方法步驟六的橫截面結(jié)構(gòu)示意 圖；圖12為根據(jù)本發(fā)明具體實(shí)施方式
的制造晶體管方法步驟七的橫截面結(jié)構(gòu)示意 圖。
具體實(shí)施例方式以下將參照具體實(shí)施方式
及其附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的各種特征和優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，請(qǐng) 注意附圖中的各項(xiàng)特征并非按比例繪出。將公知部件和處理技術(shù)的描述省略從而使本發(fā)明 更為明晰。此處所述具體實(shí)施方式
僅用于更好的理解本發(fā)明并幫助本領(lǐng)域技術(shù)人員實(shí)施本 發(fā)明。因此，具體實(shí)施方式
不應(yīng)限制本發(fā)明的范圍。如上所述，本發(fā)明涉及到一種晶體管，更確切的說(shuō)是一種帶有非對(duì)稱替代柵的晶 體管，其相關(guān)特性將在這里具體描述。請(qǐng)注意，相似或相應(yīng)的部分將用相同的標(biāo)號(hào)注明。根據(jù)圖4，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例性的晶體管結(jié)構(gòu)包括擁有溝道區(qū)的基底100 ； 源區(qū)101 ；漏區(qū)102 ；采用常見(jiàn)工藝在基底100頂面形成的柵極高K介質(zhì)層103，其介電常數(shù) 大于4 ；位于柵極高K介質(zhì)層103頂面的氧吸收層，包括位于漏極一側(cè)的接觸柵極高K介質(zhì) 層103的第一氧吸收層104和位于源極一側(cè)的接觸柵極高K介質(zhì)層103的第二氧吸收層 105 ；包圍氧吸收層的掩蔽層109。第一氧吸收層104和第二氧吸收層105可以吸收氧，因而能夠通過(guò)吸收氧來(lái)降低 下面界面層的等效氧化層厚度(EOT)。第一氧吸收層104吸氧能力強(qiáng)于第二氧吸收層105， 因而形成的界面層包括具有不同等效氧化層厚度(EOT)的106部分和107部分。界面層 107部分厚度大于106部分，因而界面層106部分有利于控制漏極一側(cè)的短溝道效應(yīng)，界面 層107部分有利于避免源極一側(cè)的載流子遷移率降低。同時(shí)，非對(duì)稱柵極可以利用不同的 材料實(shí)現(xiàn)不同的有效功函數(shù)。關(guān)于界面層的厚度，界面層106部分厚度小于0. 5nm且優(yōu)選厚度小于0. 3nm ；界面 層107部分厚度大于0. 5nm。關(guān)于界面層的長(zhǎng)度，界面層106部分位于界面層接近漏極的一 側(cè)并占據(jù)界面層不小于其總長(zhǎng)度的1/3 ；107部分占據(jù)剩下的界面層。所述層的例子可以包括但不限于以下材料柵極高K介質(zhì)層103可為Hf02、ZrO2, Al2O3等；第一氧吸收層104可為純金屬Ti、Hf、Ta、W和/或其氮化物等(請(qǐng)參考美國(guó)專利 申請(qǐng)文件 2009/0152651)。
可選的，在形成吸氧層前，在柵極高K介質(zhì)層103上形成金屬膜103’，它可以用來(lái) 調(diào)節(jié)晶體管的閾值電壓VT。金屬膜103’可為純金屬Ti、Ta、Al和/或其氮化物，例如A1N、 iTaAlN 等。如上所述，本發(fā)明同時(shí)涉及晶體管的制造方法，特別涉及非對(duì)陣替代柵的晶體管 的制造方法。該晶體管制造方法可以公知工藝進(jìn)行。代表本發(fā)明具體實(shí)施方式
的組成部分如圖 5到圖11中的示意圖所示。根據(jù)本發(fā)明的晶體管結(jié)構(gòu)的示例制造方法可以包括以下步驟步驟一，在硅片上生成源極、漏極、柵極高K介質(zhì)層、多晶硅柵極以及覆蓋在多晶 硅柵極上的掩蔽層參見(jiàn)圖5，一個(gè)半導(dǎo)體器件具有基底100、源極101、漏極102、柵極高K 介質(zhì)層103、多晶硅柵極108、以及掩蔽層109。使用業(yè)界公知的方法將柵極介質(zhì)層103形成 于基底的上表面；該柵極高K介質(zhì)層103包括具有高于4的介質(zhì)常數(shù)的高K介質(zhì)材料。通 過(guò)如多晶硅的化學(xué)氣相沉積法，將多晶硅柵極108形成于該柵極高K介質(zhì)層103上。經(jīng)過(guò) 適當(dāng)?shù)某练e和方向性刻蝕，在多晶硅柵極108周圍形成掩蔽層109。該掩蔽層109包括例如 硅氧化物、硅氮化物或所述兩者的混合物的介質(zhì)材料。通過(guò)離子摻雜注入形成源極101和 漏極102。步驟二，沉積間隔層介質(zhì)參見(jiàn)圖6，通過(guò)如化學(xué)氣相沉積法，間隔層介質(zhì) (ILD) 110形成于源極101、漏極102和掩蔽層109上。該間隔層介質(zhì)110可以為硅氧化物， 如SiO2、摻雜硼磷的硅玻璃(BPSG)、硼硅酸鹽玻璃(BSG)、磷硅酸玻璃(PSG)、以及未摻雜的 硅玻璃(USG)。步驟三，處理間隔層介質(zhì)參見(jiàn)圖7，通過(guò)化學(xué)機(jī)械研磨(CMP)，部分移除該間隔層 介質(zhì)(ILD) 110，直至掩蔽層109顯現(xiàn)。步驟四，移除掩蔽層參見(jiàn)圖8，通過(guò)化學(xué)機(jī)械研磨(CMP)或反應(yīng)離子刻蝕(RIE)， 部分移除掩蔽層109的上部，直至多晶硅柵極108顯現(xiàn)。步驟五，刻蝕去除多晶硅柵極108 參見(jiàn)圖9，將多晶硅柵極108去除并在柵極高K 介質(zhì)層103上形成一個(gè)空腔。步驟五’，可選的，在柵極高K介質(zhì)層103上形成金屬膜103’，用來(lái)調(diào)節(jié)晶體管的閾 值電壓。金屬膜103’可為純金屬Ti、Ta、Al和/或其氮化物，例如，A1N、TaAlN等。步驟六，形成第一氧吸收層參見(jiàn)圖10，通過(guò)在間隔層介質(zhì)(ILD) 110和掩蔽層109 上進(jìn)行傾斜沉積，在柵極高K介質(zhì)層103的漏極側(cè)的空腔中覆蓋第一氧吸收材料111，該第 一氧吸收材料可為純金屬Ti、Hf、Ta、W和/或其氮化物等(美國(guó)專利文件2009/015^51)， 所述材料將吸收氧氣并可通過(guò)吸收氧氣將下方的界面層減?。煌瑫r(shí)參見(jiàn)圖11，通過(guò)各向異 性蝕刻，在柵極高K介質(zhì)層103的漏極側(cè)的空腔中形成第一氧吸收層104。步驟七，形成第二氧吸收層參見(jiàn)圖12，在所述空腔的其他部分覆蓋第二氧吸收 材料，然后通過(guò)化學(xué)機(jī)械研磨(CMP)在柵極高K介質(zhì)層103的漏極側(cè)的空腔中形成第二氧 吸收層105。其中，該第二種氧吸收材料可以與第一種氧吸收材料相同。第一氧吸收層104和第二氧吸收層105將吸收氧氣從而通過(guò)吸收氧氣來(lái)降低下方 界面層的等效氧厚度(EOT)，第一氧吸收層104具有較第二氧吸收層105更強(qiáng)的氧吸收能 力，從而形成界面層，而該界面層包括具有不同等效氧厚度的106部分和107部分，其中界面層107部分厚于106部分，所以，界面層106部分有益于漏極側(cè)的短溝道控制，而界面層 107部分避免源極側(cè)的載流子遷移率降低。此外，非對(duì)稱柵極還可利用不同材料產(chǎn)生不同的有效功函數(shù)。根據(jù)優(yōu)選具體實(shí)施方式
，本發(fā)明得到詳細(xì)的解釋，而本領(lǐng)域技術(shù)人員開在不脫離 本發(fā)明精神和范圍的前提下可以在形式和細(xì)節(jié)上對(duì)本發(fā)明進(jìn)行改變。因此，本發(fā)明的保護(hù) 范圍以權(quán)利要求為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種晶體管，包括 基底，所述基底具有溝道區(qū)；源區(qū)和漏區(qū)，其位于該基底溝道區(qū)的兩端；柵極高K介質(zhì)層，其界于所述源區(qū)和漏區(qū)之間，并位于該溝道區(qū)上方處的基底頂層； 界面層，其位于該柵極高K介質(zhì)層的下方，其中，該界面層包括兩部分，第一部分靠近源極，第二部分靠近漏極，且所述第一部分 的等效氧化層厚度大于所述第二部分的等效氧化層厚度。
2.如權(quán)利要求1所述的晶體管，其特征在于，所述界面層第一部分的厚度大于0.5nm, 而所述界面層第二部分的厚度小于0. 5nm。
3.如權(quán)利要求1所述的晶體管，其特征在于，所述界面層第一部分占據(jù)的長(zhǎng)度小于界 面層總長(zhǎng)度的2/3，而所述第二部分占據(jù)了總長(zhǎng)度剩余的部分。
4.如權(quán)利要求1所述的晶體管，其特征在于，該晶體管還包括 氧吸收層，其位于所述柵極高K介質(zhì)層的頂部。
5.如權(quán)利要求4所述的晶體管，其特征在于，所述氧吸收層包括 第一氧吸收層，其位于所述漏極一側(cè)；第二氧吸收層，其位于所述源極一側(cè)；其中，所述第一氧吸收層的氧吸收能力高于第二氧吸收層的氧吸收能力。
6.如權(quán)利要求5所述的晶體管，其特征在于，所述第一氧吸收層為Ti，Hf,Ta,W和/或 其氮化物。
7.如權(quán)利要求4所述的晶體管，其特征在于，在所述柵極高K介質(zhì)層和所述氧吸收層之 間還有金屬層。
8.一種晶體管的制造方法，其特征在于，包括以下步驟在硅片上制備源極，漏極，柵極高K介質(zhì)層，多晶硅柵極和覆蓋多晶硅柵的掩蔽層； 在所述掩蔽層、源極和漏極上淀積層間介質(zhì)；進(jìn)行平坦化處理去除所述層間介質(zhì)的頂部直到露出所述掩蔽層的頂部； 刻蝕去除所述掩蔽層的頂部直到露出所述多晶硅柵極的頂部； 刻蝕去除所述柵極高K介質(zhì)層上面的多晶硅柵極，以形成一個(gè)空腔； 采用第一種氧吸收材料在所述空腔內(nèi)形成第一氧吸收層； 采用第二種氧吸收材料在所述空腔剩余部分形成第二氧吸收層； 所述的第一氧吸收層吸收氧的能力強(qiáng)于第二氧吸收層。
9.如權(quán)利要求8所述的晶體管的制造方法，其特征在于，將第一種氧吸收材料傾斜淀 積，一次形成所述第一氧吸收層。
10.如權(quán)利要求8所述的晶體管的制造方法，其特征在于，所述第一氧吸收層為Ti，Hf， Ta，W和/或它們的氮化物。
11.如權(quán)利要求9所述的晶體管的制造方法，其特征在于，將第二種氧吸收材料淀積在 所述空腔內(nèi)剩余的部分，并用化學(xué)機(jī)械研磨法在空腔內(nèi)源極側(cè)的柵極高K介質(zhì)層上形成所 述第二氧吸收層。
全文摘要
本發(fā)明為一種晶體管，其包括具有溝道區(qū)的基底；位于該基底溝道區(qū)兩端的源區(qū)和漏區(qū)；界于所述源區(qū)和漏區(qū)之間的該溝道區(qū)上方基底頂層的柵極高K介質(zhì)層；位于該柵極高K介質(zhì)層下面的界面層，該界面層第一部分靠近源極，第二部分靠近漏極，且第一部分的等效氧化層厚度大于第二層。非對(duì)稱替代的金屬柵形成非對(duì)稱界面層，在漏極側(cè)較薄而在源極側(cè)較厚。在較薄的漏極側(cè)，短溝道效應(yīng)比較重要，非對(duì)稱的界面層有利于控制短溝道效應(yīng)；在較厚的源極側(cè)，載流子遷移率對(duì)器件影響較大，非對(duì)稱的界面層可以避免載流子遷移速率下降。此外，非對(duì)稱替代的金屬柵也可以形成非對(duì)稱的金屬功函數(shù)。
文檔編號(hào)H01L29/78GK102117831SQ20091024909
公開日2011年7月6日 申請(qǐng)日期2009年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月31日
發(fā)明者尹海洲, 朱慧瓏, 駱志炯 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院微電子研究所