專利名稱：半導(dǎo)體裝置及半導(dǎo)體裝置的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是有關(guān)于一種半導(dǎo)體裝置，且特別是有關(guān)于一種鍺場(chǎng)效晶體管及其制造方法。
背景技術(shù)：
由于已知材料(例如柵極氧化物)的尺寸不可變化性，造成傳統(tǒng)晶體管在尺寸變 化上的限制，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)面臨空前的挑戰(zhàn)。業(yè)界已積極采用新方法來(lái)增強(qiáng)性能，例如采用應(yīng) 變硅。然而，由于缺陷的增加與應(yīng)變效應(yīng)的可能飽和程度，可預(yù)期的是具有應(yīng)變的尺寸變化 將受到挑戰(zhàn)。因此，有研究重新注意到將III-V族半導(dǎo)體以及/或IV族半導(dǎo)體的整合在一 起作為新的通道材料。這是迫于增加通道運(yùn)輸?shù)男枰部梢越档湍芰康睦速M(fèi)。增加高質(zhì) 量的高k介電質(zhì)的能力，這恢復(fù)了使用其它種基板的可能性。與硅相比，由于鍺的高電子空穴遷移率(mobilities)，含鍺的裝置是取代硅作為 信道材料重要的角逐者之一。例如，已知的是含鍺的晶體管可表現(xiàn)出大于400%的空穴遷移 率，以及大于250%的電子遷移率，超越了含硅的晶體管。高遷移率使得改善驅(qū)動(dòng)電流有了 希望，大幅超過(guò)可比較的硅裝置所能達(dá)到的。理論上，以塊狀鍺或絕緣體上覆鍺(germanium on insulator, GeOI)基板來(lái)制作 晶體管，有可能遠(yuǎn)快于現(xiàn)行以塊狀硅或絕緣體上覆硅(silicon-on-insulator，S0I)基板。 然而，需要克服許多應(yīng)用上的限制與挑戰(zhàn)，才能使得含鍺裝置變的可行。其中一個(gè)限制有關(guān) 于柵極介電質(zhì)的形成。與硅不同，鍺不會(huì)形成穩(wěn)定的化合物。氧化鍺是不穩(wěn)定的，且大量的不穩(wěn)定狀態(tài)的 導(dǎo)入會(huì)導(dǎo)致裝置的可靠性不佳。可靠性的問(wèn)題會(huì)否定了通過(guò)使用含鍺晶體管可能達(dá)到的改 良成果。因此，一種可形成鍺晶體管的柵極介電質(zhì)，且不會(huì)降低裝置的可靠性及/或性能的 結(jié)構(gòu)或方法是目前所需。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種半導(dǎo)體裝置的制造方法及半導(dǎo)體裝置，通過(guò)本發(fā)明的 較佳實(shí)施例，通?？山鉀Q或避免上述這些或其它問(wèn)題的發(fā)生，且可獲得技術(shù)優(yōu)勢(shì)。本發(fā)明的實(shí)施例包含半導(dǎo)體裝置及其制造方法。根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例，一種半 導(dǎo)體裝置的制造方法包含在一基板上形成一半導(dǎo)體氧化層，以及在半導(dǎo)體氧化層上形成一 金屬氧化物層。此方法還包含將半導(dǎo)體氧化層及金屬氧化物層轉(zhuǎn)化成一第一介電層，并沉 積一第一電極至第一介電層上。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，一種半導(dǎo)體裝置的制造方法包括在一基板上形成一 柵極介電前驅(qū)層，其是通過(guò)(i)形成至少一半導(dǎo)體氧化層，以及(ii)形成至少一金屬氧化 層，并重復(fù)步驟(i)及(ii)直到達(dá)到該柵極介電前驅(qū)層的一所需厚度；將該柵極介電前驅(qū) 層轉(zhuǎn)化成一第一柵極介電層；以及在該第一柵極介電層上沉積一第一柵極電極層，其中該 第一柵極介電層以及該第一柵極電極層包含半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管的一部分。
根據(jù)本發(fā)明的又一實(shí)施例，一種半導(dǎo)體裝置包含一第一電極，設(shè)置于一半導(dǎo)體基板內(nèi)，該第一電極包含一第一半導(dǎo)體摻雜區(qū)；一第一介電層，設(shè)置于一第一電極上，該第一 介電層包含一半導(dǎo)體氧化物以及一穩(wěn)定金屬；以及一第二電極，設(shè)置于該第一介電層上，其 中該第一電極以及該第二電極形成一電容。本發(fā)明實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)為通過(guò)一穩(wěn)定金屬的摻雜，不僅可使半導(dǎo)體的氧化物穩(wěn)定， 而且獲得一具有低缺陷密度并具有高電子遷移率的介電層，進(jìn)而可有效改善裝置的可靠性 及性能。前述在相當(dāng)程度上的描述本發(fā)明實(shí)施例的特征是為了后續(xù)對(duì)本發(fā)明詳細(xì)的揭露 能被更容易的理解。本發(fā)明實(shí)施例的其它特征與優(yōu)勢(shì)將在以下詳細(xì)揭露，以形成本發(fā)明權(quán) 利要求的目的?？梢岳斫獾氖?，對(duì)于一此領(lǐng)域中熟悉技藝者而言，所揭露的概念與特定實(shí)施 例都可作為修改或設(shè)計(jì)不同結(jié)構(gòu)或制程的基礎(chǔ)，以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明同樣的目的。熟悉技藝者也 應(yīng)可了解到的是，對(duì)等的結(jié)構(gòu)并不脫離本發(fā)明的精神與范圍內(nèi)，如所附的權(quán)利要求。


為讓本發(fā)明的上述和其它目的、特征、優(yōu)點(diǎn)與實(shí)施例能更明顯易懂，所附附圖的說(shuō) 明如下圖1是繪示鍺場(chǎng)效晶體管(FET)的結(jié)構(gòu)實(shí)施例；圖2a至2d是繪示依照本發(fā)明實(shí)施例的一種鍺晶體管在不同組裝階段的結(jié)構(gòu)；圖3a與3b是繪示依照本發(fā)明實(shí)施例組裝的鍺晶體管的化學(xué)組成份與裝置性能， 其中圖3a繪示在晶體管的組裝過(guò)程中柵電極層鍺的X射線光電子光譜圖，圖3b繪示鍺晶 體管的電容-電壓曲線；圖4a至4g是繪示依照本發(fā)明實(shí)施例的不同組裝階段的鍺場(chǎng)效晶體管；除非特別指定，在不同附圖中對(duì)應(yīng)的相同組件將使用對(duì)應(yīng)的參考標(biāo)號(hào)或符號(hào)。所 繪附圖用以清楚說(shuō)明相關(guān)實(shí)施例且并非用以限制本發(fā)明的范圍。主要組件符號(hào)說(shuō)明5 金屬絕緣體半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管 10:基板12:隔離槽11 主動(dòng)區(qū)21 絕緣層13 淺溝槽隔離23 第一介電層/第一柵極介電層 22 暫時(shí)材料層25 第一柵電極層/第一柵極電極層24 第二介電層/第二柵極介電層27 柵電極26 第二柵電極層/第二柵極電極層41 漏極延伸間隙壁31 通道52 源極/漏極42 源極/漏極間隙壁101:第一曲線102:第二曲線
具體實(shí)施例方式較佳實(shí)施例的應(yīng)用與實(shí)施將在以下詳細(xì)揭露。然而，可以理解的是，本發(fā)明提供許 多可供應(yīng)用的創(chuàng)新概念，這些創(chuàng)新概念可在各種特定背景中加以體現(xiàn)。所討論的特定實(shí)施 例僅用以舉例說(shuō)明制造與應(yīng)用本發(fā)明的特定方式，并不用以限制本發(fā)明的范圍。
將在一特定的范圍內(nèi)以不同的實(shí)施例來(lái)描述本發(fā)明，也就是鍺通道場(chǎng)效晶體管(germanium channel field effect transistor)。然而，本發(fā)明亦可應(yīng)用不同型態(tài)的裝置 及信道材料。形成鍺、III-V族(例如砷化鎵、磷化銦)以及II-VI族(例如硫化鎂、氧化鎂)的 晶體管所面臨的困難之一，就是形成具有高介電常數(shù)的柵極介電質(zhì)，而不會(huì)導(dǎo)入缺陷，例如 界面狀態(tài)(interface states)或塊狀的電荷陷阱(charge traps)。然而，不同于硅，鍺、 III-V族以及II-VI族不會(huì)形成具有低缺陷密度的穩(wěn)定氧化物。當(dāng)然，二氧化鍺具有一高缺 陷密度(high defect density)，例如界面的陷講密度(interface trap densities)高于 約lX1012/cm2。一個(gè)降低缺陷的方法就是通過(guò)將氧化物退火。然而，鍺與III-V族以及II-VI 族的氧化物在高溫下是不穩(wěn)定的。例如，二氧化鍺在高于700°C時(shí)是容易爆炸(volatile) 的。而且，假如暴露于濕氣中，二氧化鍺會(huì)分解。即使在較低的溫度下(例如約400°C)，鍺 的次氧化物(sub-oxides)仍舊不穩(wěn)定。已經(jīng)嘗試過(guò)不同的研究以克服直接在鍺的表面上形成高k介電層的困難。然而， 在高k介電層與鍺間的界面是相當(dāng)有缺陷的。高界面電荷遮蔽了半導(dǎo)體基板的柵電位 (gate potential)，導(dǎo)致了電容的表現(xiàn)不佳。這是由于高k介電質(zhì)成長(zhǎng)自半導(dǎo)體基板10的 末端鍺原子。在半導(dǎo)體(鍺)基板與高k介電層間的晶狀結(jié)構(gòu)的大改變，導(dǎo)致了由于未終 結(jié)的鍺或高k介電原子(或氫作為終結(jié)的原子容易因?yàn)殡娢欢淮驍?產(chǎn)生的大量界面陷 ㈱(interface traps)。再一技術(shù)是有關(guān)于在鍺層上形成一硅覆蓋層(silicon cap layer)或一鈍化 (passivation)層。硅覆蓋層部分被轉(zhuǎn)化成氧化硅層，以形成柵極絕緣體(gateinsulator)。 可在一氧化硅層上形成一質(zhì)量良好的高k介電層。當(dāng)此制程的缺陷密度(defect density) 是低的時(shí)候，鍺的能帶間隙(band gap)會(huì)低于硅。因此，鍺在具有一既定的位能與摻雜 (doping)下，會(huì)早于硅覆蓋層前轉(zhuǎn)化。因此，晶體管的通道會(huì)形成于鍺層中，其位于殘留的 硅覆蓋層下。形成于二氧化硅柵極介電質(zhì)與鍺通道之間的硅層，會(huì)導(dǎo)致晶體管電性氧化物 的厚度增加。此電性氧化物的厚度增加抵銷了在信道區(qū)域中增加的遷移率。在不同的實(shí)施例中，本發(fā)明克服了形成一穩(wěn)定半導(dǎo)體氧化物的限制。半導(dǎo)體氧化 物的使用確保了低缺陷濃度，盡管穩(wěn)定劑(stabilizer)避免了半導(dǎo)體氧化物的環(huán)境降解。 在不同的實(shí)施例中，通過(guò)一穩(wěn)定金屬，半導(dǎo)體的氧化物因此而穩(wěn)定。穩(wěn)定金屬與不穩(wěn)定的半 導(dǎo)體氧化物結(jié)合，并形成一穩(wěn)定的氧化物，其具有低缺陷密度(例如低于約1012/cm2)。在下列所舉實(shí)施例中，所使用的半導(dǎo)體材料是主要以鍺來(lái)實(shí)施，當(dāng)然，在其它實(shí)施 例中，所使用的半導(dǎo)體材料可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況選用III-V族化合物(例如砷化鎵、磷化 銦)或II-VI族化合物(例如硫化鎂、氧化鎂)。因此，在下列實(shí)施例中，提及鍺基板及氧化 鍺的部分亦應(yīng)可以III-V族與II-VI族基板以及III-V族與II-VI族的氧化物來(lái)取代之。圖1是繪示金屬絕緣體半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管(MISFET) 5摻雜在半導(dǎo)體基板10中。在 不同實(shí)施例中，半導(dǎo)體基板10可為一塊狀單晶鍺基板(bulkmono-crystalline germanium substrate)、一半導(dǎo)體主體上覆錯(cuò)層(germanium layeron a semiconductor body),例如 一娃基板上覆鍺層(germanium layer on a siliconsubstrate)或一絕緣體上覆鍺基板 (germanium-on-insulator substrate)。此金屬絕緣體半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管5包含一柵極介電質(zhì)堆疊(gatedielectricstack)，其包含第一介電層23與第二介電層24。在不同實(shí)施例中，第一介電層 23包含MGeO，例如一含氧化鍺的氧化物(GeO)以及一穩(wěn)定金屬(M)氧化物。第一介電層23 的組成份包含了 MzGeyOx，其中χ與y的比例為約0. 2至約5之間，且χ與ζ的比例為約0. 2 至約5之間。穩(wěn)定金屬(M)可為鋁、鉿、鈦、鉭、鑭、鋯、鎢、釓、或其結(jié)合物及其相似金屬。在 不同實(shí)施例中，穩(wěn)定金屬可與氧原子產(chǎn)生鍵結(jié)，并且穩(wěn)定氧化物的網(wǎng)絡(luò)。不像獨(dú)立形成在半 導(dǎo)體基板10上的高k介電層，穩(wěn)定金屬并不會(huì)特別改變鍺和氧化鍺(Ge/GeO)間的界面，導(dǎo) 致低界面缺陷密度，例如低于約lxlO^/cm2。在不同實(shí)施例中，第一介電層23的介電常數(shù)大 于氧化鍺的介電常數(shù)。在某些實(shí)施例中，第一介電層23還包含鹵素原子。在一實(shí)施例中， 第一介電層23包含氟，例如MzGeyOxFw，其中χ與y的比例為約0. 2至約5之間，χ與ζ的比 例為約0. 2至約5之間，以及w與y的比例為約0. 01至約1之間。第二介電層24包含一適當(dāng)?shù)慕殡妼右约耙桓遦介電材料。在不同實(shí)施例中，第二 介電層24的介電常數(shù)是高于第一介電層23的介電常數(shù)。在不同實(shí)施例中，使用于第二介 電層24的高k介電材料具有約為或大于5的介電常數(shù)。適當(dāng)?shù)慕殡姴牧习ń饘傺趸?(MOx)，例如二氧化鉿(HfO2)、三氧化二鋁(Al2O3)、二氧化鋯(&02)、五氧化二鉭(Ta2O5)、三 氧化二鑭(La2O3)、氧化釓(GdOx)、氧化鋁釓(GdAlOx),金屬硅酸鹽類(MSiyOx)，例如鉿硅酸 鹽(HfSiOx)、鋯硅酸鹽(&SiOx)、鋁硅酸鹽(SiAlOx)，金屬鍺酸鹽類(MGeyOx)，例如鉿鍺酸鹽 (HfGeOx)、鋯鍺酸鹽(&GeOx)、鑭鍺酸鹽(LaGeOx)、釓鍺酸鹽(GdGeOx)或鋁鍺酸鹽(GeAlOx)。 不同實(shí)施例當(dāng)然也可包括具有多種金屬的高k介電材料，例如一第一金屬M(fèi)1與一第二金屬 M2。在一實(shí)施例中，可使用包含一第一金屬M(fèi)1與一第二金屬M(fèi)2的一金屬氧化物來(lái)作為第二 介電層24，該金屬氧化物包括氧化鉿鋁(HfAlOx)、氧化鉿鋯(HfZrOx)、氧化鋯鋁(ZrAlOx)、 氧化鑭鋁(LaAlOx)、氧化鉭(TaAlOx)或氧化釓鋁(GdAlOx)。在一些實(shí)施例中，當(dāng)沒(méi)有特別 圖示時(shí)，也可以使用上述的氮化物以及混合物?；蛘?，第二介電層24可包含其它高k絕緣 材料或其它介電材料。第二介電層24可包含由一種材料所組成的單一層或選擇性的多層。第一柵電極層25是設(shè)置于第二介電層24上。第一柵電極層24包含一導(dǎo)電性 材料，例如一金屬柵電極材料。在不同實(shí)施例中，第一柵電極層25包含一金屬氮化物，例 如氮化鈦(TiN)、氮化鉭(TaN)、氮化鉬(MoN)、氮化鉿(HfN)或氮化鈦鋁(TiAlN)。在其 它實(shí)施例中，第一柵電極層25包含碳化鈦(TiC)、氮化鉿(HfN)、碳化鉭(TaC)、鎢(W)、鋁 (Al)、銣(Ru)、銣鉭(RuTa)、氮化鉭硅(TaSiN)、鎳硅化物(NiSix)、銥(Ir)、釔(Y)、鐿硅化 物(YbSix)、鉺硅化物(ErSix)、鉬(Pt)、鈦(Ti)、鉬鈦(PtTi)、鈀(Pd)、錸(Re)、銠(Rh)、 硼化物、或鈦(Ti)、鉿(Hf)、鋯(&)、鉬(Mo)、氮化鋯硅(&SiN)、氮化鋯(&N)、氮化鉿硅 (HfSiN)、氮化鎢(WN)、鎳(Ni)、鐠(Pr)、氮化釩(VN)、鈦鎢(TiW)的銻化物、或其結(jié)合物。在 一實(shí)施例中，第一柵電極層25包含一摻雜多晶硅層或一硅化物層(例如硅化鈦、硅化鎳、硅 化鉭、硅化鈷、硅化鉬)。第一柵電極層25的厚度可根據(jù)功函數(shù)而調(diào)整。第二柵電極層26是設(shè)置于第一柵電極層25上。在一實(shí)施例中，第二柵電極層26包含一摻雜多晶硅層。在不同實(shí)施例中，第二柵電極層26包含一適當(dāng)?shù)膶?dǎo)電材料。在一實(shí) 施例中，第一柵電極層25與第二柵電極層26包含相同材料。金屬絕緣體半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管5還包含一通道31，設(shè)置于鄰接的源極/漏極52 之間。在不同實(shí)施例中，通道31包含鍺。在一實(shí)施例中，源極/漏極52包含鍺。當(dāng)以一相 同的材料形成源極/漏極52與通道31時(shí)，有利于降低制程成本，含鍺的晶體管會(huì)承受過(guò)度的漏電流(excessive leakage current)(低能量能帶間隙)以及高接面電容(junction capacitance)(鍺的高介電常數(shù))。因此，在一些實(shí)施例中，源極/漏極52可包含其它材料 以降低，例如，由于鍺較小的能帶間隙，產(chǎn)生的次臨界泄漏(sub-threshold leakage)(源極 對(duì)漏極穿隧(source to draintunneling))電流。在一實(shí)施例中，源極/漏極52包含硅。 含硅的源極/漏極52將會(huì)導(dǎo)入一張力應(yīng)變(tensile strain)至晶體管的通道31內(nèi)，其可 能通過(guò)通道31改善η型場(chǎng)效晶體管(FET)(例如具有鍺(100)表面的半導(dǎo)體基板)。在一 些實(shí)施例中，可導(dǎo)入一額外的材料層至通道31與源極/漏極52的接面，以降低短通道效應(yīng) (short channel effort)0
在一實(shí)施例中，金屬絕緣體半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管5包含漏極延伸間隙壁(drain extension spacer)41 與源極 / 漏極|、司|5京壁(source/drain spacer)42。在不同實(shí)施 列中， 間隙壁可以任何適合的形態(tài)形成，以將金屬絕緣體半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管5不同的區(qū)域與柵電 極層的任一層分離。在一實(shí)施例中，金屬絕緣體半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管5包含ρ信道晶體管或者η信 道晶體管裝置，然而相對(duì)于硅裝置，P型晶體管(PMOS)具有可改善性能的實(shí)質(zhì)電位 (potential)。不像III-V族的半導(dǎo)體基板，單鍺基板可使用于η型或ρ型晶體管，雖然對(duì) 于較簡(jiǎn)單的積體(integration)會(huì)依序犧牲掉η型晶體管的某些性能。然而，本發(fā)明的實(shí) 施例亦包含僅在P型晶體管使用一鍺基板以及一以金屬穩(wěn)定的氧化鍺(metal stabilized germanium oxide)。在不同實(shí)施例中，在說(shuō)明平面晶體管時(shí)，金屬絕緣體半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管 5包含三柵極(triple gate)或雙柵極(double gate)裝置。圖2a至2d繪示一金屬絕緣體裝置在不同階段的組裝。請(qǐng)先參照?qǐng)D2a，提供一半導(dǎo)體基板10。在一實(shí)施例中，半導(dǎo)體基板10是一鍺晶片。 在不同實(shí)施例中，半導(dǎo)體基板10是一塊狀單晶硅基板(bulkmono-crystalline germanium substrate)(或是長(zhǎng)在基板上面不然就是里面的一層)、一半導(dǎo)體本體上覆鍺層、一鍺 (100)半導(dǎo)體晶片上的鍺(110)層或是一層絕緣體上覆鍺(GeOI)晶片。半導(dǎo)體基板10摻 雜有一適當(dāng)?shù)腜型或η型摻雜物，以形成一具有適當(dāng)導(dǎo)電性的表面層，例如通過(guò)植入或退火 步驟。一絕緣層21是沉積在半導(dǎo)體基板10所暴露的部分上。在一實(shí)施例中，絕緣層21 包含一氧化鍺(例如氧化鍺或二氧化鍺)、氮化物(例如氮化鍺)或者氧化物與氮化物的組 成物(例如氮氧化鍺或一氧化物-氮化物-氧化物的次序)。通過(guò)氧化半導(dǎo)體基板10來(lái)沉 積絕緣層21。在一實(shí)施例中，將半導(dǎo)體基板10放置在一氧等離子環(huán)境下，其包含氧氣/氮 氣、氧氣、臭氧以及/或原子態(tài)的氧氣，以形成一氧化層。在一實(shí)施例中，氧氣的提供是將一 分子狀態(tài)的氧氣，以流率約250sccm至約IOOOsccm以及約10托(torr)至約100托的氧氣 分壓注入至等離子室內(nèi)。在一實(shí)施例中，含氧的氧化制程于氧分壓介于約10托至約720托 下進(jìn)行，氧化溫度介于約250°C至約500°C。在另一實(shí)施例中，含臭氧的氧化制程于臭氧分 壓介于約0. 005托至約0. 5托下進(jìn)行，氧化溫度介于約200°C至約500°C。使用臭氧的氧化 速度快于使用氧氣的氧化速度，因此使用臭氧的分壓小于使用氧氣的分壓。或者，在其它實(shí)施例中，絕緣層21是以高溫?zé)嵫趸瞥趟纬伞Ｔ谄渌鼘?shí)施例中， 可使用任何適當(dāng)?shù)某练e技術(shù)，包含原子層沉積、等離子氣相沉積或化學(xué)氣相沉積。在不同實(shí) 施例中，絕緣層21包含一厚度至約30埃的單一層(single mono-layer)(約2埃)，在一實(shí)施例中其厚度低于16埃。
或者，在一些實(shí)施例中，使一鹵素原子，例如氟，吸附至絕緣層21中。在一實(shí)施例 中，絕緣層21的形成包含形成添加氟的鍺氧化物(GeOxFw)。在一實(shí)施例中，在基板10的氧 化過(guò)程中，將稀釋的三氟化氮(NF3)導(dǎo)入氧化室中?？刂平^緣層21所吸附的氟總量，例如控 制三氟化氮(NF3)氣體的流率比例(三氟化氮(NF3)的流率/氧源的流率)。在不同實(shí)施 例中，三氟化氮(NF3)的流率比例約為lxlO—3至約lxlO—1?；蛘?，在一些實(shí)施例中，三氟化氮 (NF3)源可在成長(zhǎng)出少數(shù)的單層絕緣層21后關(guān)閉，如此使得鹵素原子吸附于絕緣層21與基 板10間的接面。鹵素原子幫助修復(fù)基板10的懸吊鍵，且因此移除絕緣層21與基板10界 面的阻陷狀態(tài)(trap state)。如圖2b所示，在第一絕緣層21上沉積一暫時(shí)材料層22。在不同實(shí)施例中，暫時(shí) 材料層22包含一穩(wěn)定金屬。穩(wěn)定金屬(M)包含鋁、鉿、鈦、鉭、鑭、鋯以及/或鎢及其相似金 屬。在一實(shí)施例中，穩(wěn)定金屬包含鋁。在一替代實(shí)施例中，暫時(shí)材料層22包含一含有穩(wěn)定 金屬的導(dǎo)電層。暫時(shí)材料層22的沉積可通過(guò)，例如化學(xué)氣相沉積(CVD)、原子層沉積(ALD)、金屬 有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)、物理氣相沉積(PVD)或噴射氣相沉積(JVD)來(lái)完成。暫時(shí)材料 層22的厚度包含自一單一層厚度(約2埃)至約30埃，以及在一實(shí)施例中，在一實(shí)施例中 其厚度低于16埃。在一實(shí)施例中，暫時(shí)材料層22的厚度是與絕緣層21大約相同。在一些實(shí)施例中，可使用鹵素原子的植入來(lái)使鹵素原子吸附至絕緣層21與基板 10的界面之間。在不同實(shí)施例中，可將氟植入至基板10、絕緣層21以及/或暫時(shí)材料層22 中。參照?qǐng)D2c，加熱半導(dǎo)體基板10以形成一第一介電層23。在一實(shí)施例中，在一爐中 加熱半導(dǎo)體基板10約250°C至約500°C。在退火過(guò)程中，半導(dǎo)體(鍺)基板10的原子由絕 緣層21向外擴(kuò)散到暫時(shí)材料層22，同時(shí)穩(wěn)定金屬原子由暫時(shí)材料層22向內(nèi)擴(kuò)散至絕緣層 21。因此形成第一介電層23，其包含絕緣層21與暫時(shí)材料層22的原子而形成一介電材料。 第一介電層23的組成份包含MzGeyOx，其中χ與y的比例介于約0. 2至約5，且其中χ與ζ 的比例介于約0.2至約5。第一介電層23的介電常數(shù)大于5。在一實(shí)施例中，第一介電層 23的介電常數(shù)是大于絕緣層21的介電常數(shù)。假如鹵素原子，例如氟，被吸附到基板10以 及/或暫時(shí)材料層22、第一介電層23之中，可通過(guò)加熱以包含氟。舉例來(lái)說(shuō)，假如絕緣層 21包含添加氟的氧化鍺(GeOxFw)，隨后所形成的第一介電層23包含添加氟的金屬鍺酸鹽 (MzGeyOxFw) ο或者，在一實(shí)施例中，之后可使用原子層沉積制程形成一層薄膜，其包含有多層絕 緣層21以及暫時(shí)材料層22。在一開(kāi)始沉積絕緣層21之后，將氣體化學(xué)性質(zhì)改變成沉積一 層暫時(shí)材料層22，如此可形成該層薄膜的第一次堆疊。在沉積暫時(shí)材料層22后，在第一次 堆疊上形成第二次堆疊，第二次堆疊包含另一絕緣層21以及另一暫時(shí)材料層22。之后進(jìn)行 堆疊直到沉積至所需的厚度。在形成每一次的堆疊后，可進(jìn)行一選擇性的退火以形成一層 第一介電層23?；蛘撸蛇M(jìn)行一最終退火以形成第一介電層23。參照?qǐng)D2d，在第一介電層23上形成第二介電層24。第二介電層24包含一高k 介電材料，其具有大于約0.5的介電常數(shù)。具有介電常數(shù)大于約10的適當(dāng)介電材料包含 有例如氧化鉿(HfO2)、氧化鋯(&02)、氧化鉭(Ta2O5)、氧化鑭(La2O3)、氧化鈦(TiO2)、氧化鏑(Dy203)、氧化釔(Y203)、其氮化物(即前述材料其中之一的氮化物，如氧化鋯的氮化物等)、或其組合(即前述材料的組合，如氧化鉭與氧化鑭的組合等)?；蛘?，具有介電常數(shù) 大于約5的適當(dāng)介電材料包含有氧化鉿硅(HfSiOx)、氧化鋁(Al2O3)、氧化鋯硅(&SiOx)、 其氮化物(即前述材料其中之一的氮化物，如氧化鋁的氮化物等)、氧化鉿鋁(HfAlOx)、氮 氧化鉿鋁(HfA10xNh_y)、氧化鋯鋁(ZrAlOx)、氮氧化鋯鋁(ZrAlOxNy)、氧化硅鋁(SiAlOx)、氮 氧化硅鋁(SiAlOxNmh氧化鉿硅鋁(HfSiAlOx)、氮氧化鉿硅鋁(HfSiAlOxNy)、氧化鋯硅鋁 GrSiAlOx)、氮氧化鋯硅鋁(ZrSiAlOxNy)、或其組合(即前述材料的組合，如氧化硅鋁與氧 化鉿硅鋁的組合等)。第二介電層24的沉積可使用任何適當(dāng)?shù)某练e技術(shù)，包含原子層沉積、金屬有機(jī)化 學(xué)氣相沉積以及其它氣相沉積技術(shù)。在一實(shí)施例中，第二介電層24的較佳厚度介于約5埃 至約100埃，當(dāng)然在其它實(shí)施例中，第二介電層24也可為其它尺寸。在一些實(shí)施例中，也可 略過(guò)第二介電層24而進(jìn)行之后的制程。在第二介電層24上沉積一第一柵電極層25，其包含一導(dǎo)電材料(第2d圖)。在不 同實(shí)施例中，第一柵電極層25包含有一金屬氮化物，例如氮化鈦(TiN)、氮化鉭(TaN)、氮化 鉬(MoN)、氮化鉿(HfN)或氮化鈦鋁(TiAlN)。在一實(shí)施例中，第一柵電極層25包含一鍺化 物(germanide)層(例如鍺化鈦、鍺化鎳、鍺化鉭、鍺化鈷或鍺化鉬)。在其它實(shí)施例中，也 可沉積其它適當(dāng)?shù)慕饘?。使用化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積、原子層沉積或其它沉積技術(shù)， 以沉積具有厚度介于約5埃至200埃的第一柵電極層25。在第一柵電極層25上沉積一第二柵電極層26。在一實(shí)施例中，第二柵電極層26 包含一摻雜多晶硅層。在不同實(shí)施例中，第二柵電極層26包含一適當(dāng)?shù)膶?dǎo)電材料。在一實(shí) 施例中，第一柵電極層25與第二柵電極層26包含一相同材料。使用化學(xué)氣相沉積、物理氣 相沉積、原子層沉積或其它沉積技術(shù)，以沉積具有厚度介于約200埃至1000埃的第二柵電 極層26。之后的制程繼續(xù)形成接觸(contacts)以及其它任何的裝置區(qū)域，以形成一金屬 絕緣半導(dǎo)體(MIS)電容。如此形成的金屬絕緣半導(dǎo)體電容包含一第一電極，第一電極包含 第一柵電極層25并與第二電極分離，第二電極包含半導(dǎo)體基板10。金屬絕緣半導(dǎo)體電容的 絕緣體包含第一介電層23以及第二介電層24。圖3a及圖3b，繪示依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例來(lái)組裝電容。其中，圖3a是一 X射線光電 子光譜圖，而圖3b繪示一電容-電壓(CV)曲線。圖3a繪示根據(jù)圖2a至2d柵電極層在不同組裝階段的鍺的X射線光電子光譜圖。 X射線光電子光譜是一種表面化學(xué)分析技術(shù)，用來(lái)分析在組裝后柵電極層的表面化學(xué)。X射 線光電子光譜圖繪示所偵測(cè)到的電子強(qiáng)度(Y軸)對(duì)應(yīng)于所偵測(cè)到的電子結(jié)合能量(X軸)。 例如，對(duì)每個(gè)元素來(lái)說(shuō)，特征峰值對(duì)應(yīng)于原子內(nèi)電子的電子組態(tài)，例如ls、2s、2p、3s等等。 因此，峰值分布的改變表示鍵結(jié)的改變。圖3a繪示一第一曲線101及一第二曲線102。第一曲線101是在形成氧化鍺層后 的X射線光電子光譜(例如圖2a的絕緣層21)。第一曲線101包含鍺的一第一峰值(大約 29電子能量(eV))以及來(lái)自二氧化鍺(GeO2)的四價(jià)鍺(Ge4+)的第二個(gè)較小的峰值(大約 32. 4eV)。第二曲線102是在形成第一介電材料23(如圖2c所示)后的X射線光電子光譜圖。由于第一介電層23的形成，峰值已變成約31. 7eV(如能量差ΔΕ)。二氧化鍺(GeO2) 結(jié)合能量(在約32. 4eV)在密度上實(shí)質(zhì)的減少代表了二氧化鍺(GeO2)鍵結(jié)數(shù)目的減少。圖3b繪示為鍺金屬氧化半導(dǎo)體電容(例如以圖2a至2d的方法所組裝或圖1所示的結(jié)構(gòu))的電容-電壓曲線。這里電容是用以測(cè)量柵電極的電位。與氧化鍺以及純高k介 電電容不同，鍺金屬氧化半導(dǎo)體電容的電容-電壓曲線在高頻率(IMHz)與低頻率(IOOHz) 的曲線都表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，且沒(méi)有表現(xiàn)出任何阻塞(pinning)。圖4a至4g，其繪示一金屬絕緣體半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管裝置組裝的不同階段。參照?qǐng)D4a，在半導(dǎo)體基板10上形成隔離槽12。可使用已知技術(shù)來(lái)形成隔離槽12。 例如，可在半導(dǎo)體基板10上形成一硬屏蔽層(未繪示)(如氮化硅)，再圖案化以暴露出隔 離區(qū)域。接著，可在半導(dǎo)體基板10暴露出的部分蝕刻出一適當(dāng)深度，通常介于約200納米 (nm)至約400納米。隔離槽12定義出主動(dòng)區(qū)11，可提供集成電路組件形成于上。請(qǐng)參照?qǐng)D4b，在隔離槽12內(nèi)填入一隔離材料以形成淺溝槽隔離13。舉例來(lái)說(shuō)，可 熱氧化所暴露出的硅表面以形成一薄氧化層。此外，隔離槽12可襯有一第一材料，例如一 氮化物層(例如四氮化三硅(Si3N4))。此外，隔離槽12可填入一第二材料，例如一氧化物。 舉例來(lái)說(shuō)，可進(jìn)行一高密度等離子(HDP)，而所形成的材料稱為高密度等離子氧化物。在其 它實(shí)施例中，也可使用其它溝槽填充制程，例如，通常當(dāng)溝槽已經(jīng)有襯時(shí)，可避免以其它填 充材料進(jìn)行此一步驟。如圖4c(且如圖2a與2b所述)所形成的一柵極絕緣堆疊包含一絕緣層21以及 一暫時(shí)料層22。在不同實(shí)施例中，絕緣層21包含氧化鍺(例如二氧化鍺(GeO2)),且暫時(shí) 材料層22包含一穩(wěn)定金屬。如前所述，穩(wěn)定金屬有助于穩(wěn)定絕緣層21中的氧化物。參照?qǐng)D4d，一柵極介電質(zhì)包含形成一第一柵極介電層23以及一第二柵極介電層 24。使柵極絕緣堆疊退火以形成一第一柵極介電層23(同圖2c所述)。因此第一介電層23 的形成包含了絕緣層21與暫時(shí)材料層22的原子，以形成一介電材料(亦如圖2c所述)。 在一實(shí)施例中，第一介電層23的組成份包含了 MzGeyOx，其中M是穩(wěn)定金屬，用以穩(wěn)定氧化鍺 的網(wǎng)絡(luò)。在第一柵極介電層23上沉積第二柵極介電層24。第二柵極介電層24包含一適當(dāng) 的高k介電材料，且沉積方法可通過(guò)例如化學(xué)氣相沉積、原子層沉積、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉 積、物理氣相沉積或噴射氣相沉積來(lái)完成。在一實(shí)施例中，第二柵極介電層24包含一自約 5埃至約60埃的厚度。在此示范實(shí)施例中，可使用相同的介電層以形成ρ信道或η信道晶體管的閘介電 質(zhì)。然而，這特征并非必須。在替代實(shí)施例中，每一 P信道晶體管與η信道晶體管都可具有 不同的閘介電質(zhì)。例如，在一實(shí)施例中，第二柵極介電層24可選擇不同的ρ信道晶體管與 η信道晶體管。這最佳化了兩裝置的獨(dú)立性。如圖4e所示，在柵極介電質(zhì)上形成柵電極27并圖案化。柵電極包含如前述實(shí)施 例所述的第一柵極電極層25以及第二柵極電極層26。第一柵極電極層25實(shí)質(zhì)定義出柵電 極的功函數(shù)。第二柵極電極層26可包含多種堆疊柵極材料，例如金屬底層具有多晶硅覆蓋 層設(shè)置在此金屬底層上。ρ信道與η信道的晶體管包含第一柵極電極層25，其是由相同層所形成。在其它 實(shí)施例中，不同型態(tài)的晶體管可包含不同材料以及/或不同厚度的第一柵極電極層25。
圖案化第一柵極電極層25與第二柵極電極層26 (與選擇性的第一柵極介電層23 以及第二柵極介電層24)，并且使用已知的光刻(photolithograph)制程進(jìn)行蝕刻以創(chuàng)造 出適當(dāng)圖案的柵電極27。如圖4f所示，形成一薄層的漏極延伸間隙壁41以及源極/漏極延伸區(qū)51。漏極 延伸間隙壁41是由一絕緣材料所形成，例如氧化物及/或氮化物，并且形成在柵電極27的 側(cè)壁上。通常漏極延伸間隙壁41是通過(guò)沉積一共形層(conformal layer)，接著進(jìn)行一非 等向性蝕刻所形成的。對(duì)于多層可依照需求重復(fù)前述制程。使用柵電極27作為屏蔽將源極/漏極延伸區(qū)51植入。也可依照需求進(jìn)行其它 植入方法(例如口袋布植(pocket implants)、環(huán)狀布植(halo implants)或雙擴(kuò)散區(qū) (double diffused regions))。此延伸布植也定義出 晶體管的通道31。假如要形成ρ型晶體管，使用一 ρ型離子布植沿著η型環(huán)狀布植以形成源極/漏 極延伸區(qū)51。假如要形成η型晶體管，使用一 η型離子布植沿著ρ型環(huán)狀布植以形成源極 /漏極延伸區(qū)51。參照?qǐng)D4g，形成源極/漏極間隙壁42以及源極/漏極區(qū)52。源極/漏極間隙壁 42是形成于漏極延伸間隙壁41的側(cè)壁上。源極/漏極區(qū)52是通過(guò)離子布植與退火所形成 的。在一些實(shí)施例中，在半導(dǎo)體基板10形成一凹槽后，可磊晶成長(zhǎng)源極/漏極區(qū)52。在這 樣實(shí)施例中，源極/漏極區(qū)52可包含一材料，以應(yīng)變通道及/或最小化源極到漏極的泄漏 路徑。在源極/漏極區(qū)52上形成一鍺化物以作為接點(diǎn)。在已知的半導(dǎo)體制程后接續(xù)之后 的制程。雖然本發(fā)明及其優(yōu)點(diǎn)已詳細(xì)描述如上，然應(yīng)該了解到的一點(diǎn)是，在不偏離權(quán)利要 求書所界定的本發(fā)明的精神與范圍下，當(dāng)可在此進(jìn)行各種改變、取代以及修正。此外，本申 請(qǐng)案的范圍并非限制在說(shuō)明書所描述的制程、機(jī)械、制造、物質(zhì)成分、手段、方法以及步驟的 特定實(shí)施例中。此外，本申請(qǐng)案的范圍并非限制在說(shuō)明書所描述的制程、機(jī)械、制造、物質(zhì)成分、手 段、方法以及步驟的特定實(shí)施例中。任何在此技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者，將可輕易從本 發(fā)明的揭露中了解到，現(xiàn)存或日后所發(fā)展出的可與上述的對(duì)應(yīng)的實(shí)施例執(zhí)行實(shí)質(zhì)相同的功 能、或達(dá)到實(shí)質(zhì)相同的結(jié)果的制程、機(jī)械、制造、物質(zhì)成分、手段、方法或步驟，可依據(jù)本發(fā)明 來(lái)加以應(yīng)用。因此，權(quán)利要求書用以將這類制程、機(jī)械、制造、物質(zhì)成分、手段、方法或步驟涵 括在其范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，該方法包括在一基板上形成一半導(dǎo)體氧化層；在該半導(dǎo)體氧化層上形成一金屬氧化層；轉(zhuǎn)化該半導(dǎo)體氧化層與該金屬氧化層成一第一介電層；以及在該第一介電層上沉積一第一電極層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，該半導(dǎo)體氧化層選自 由氧化鍺、III-V族氧化物以及II-VI族氧化物所組成的群組的一個(gè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，該半導(dǎo)體氧化層包含 氟，以及其中該第一介電層包含氟。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，形成一半導(dǎo)體氧化層 包含將該基板暴露至一氧源以及一氟源。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，該半導(dǎo)體氧化層的厚 度為2埃至20埃，其中該金屬氧化層的厚度為2埃至20埃，以及其中該基板為一鍺晶片、 一絕緣體上覆鍺的晶片或一半導(dǎo)體主體上覆鍺層。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，該金屬氧化層包含一 金屬，該金屬選自由鋁、鉿、鈦、鉭、鑭、鋯以及鎢所組成的群組。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，該第一介電層包含一 材料，該材料的一介電常數(shù)大于該半導(dǎo)體氧化層的一介電常數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，轉(zhuǎn)化該半導(dǎo)體氧化層 與該金屬氧化層包含退火該基板。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，該第一電極層包含一 材料，該材料選自由氮化鈦、氮化鉭、氮化鉬、氮化鉿以及氮化鈦鋁所組成的群組。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，還包含在沉積該第一 電極層前，在該第一介電層上形成一第二介電層，其中該第二介電層包含一材料，該材料選 自二氧化鉿、二氧化鋯、五氧化二鉭、三氧化二鑭、二氧化鈦、三氧化二鏑、三氧化二釔、氧化 鉿硅、氧化鉿鍺、氧化鋯硅、氧化鋯鍺、氧化鉿鋁、氧化鋯鋁、氧化硅鋁、氧化鍺鋁、氧化鉿硅 鋁、氧化鉿鍺鋁、氧化鋯硅鋁、氧化鋯鍺鋁、其氮化物、或其組合。
11.一種半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，該方法包括在一基板上形成一柵極介電前驅(qū)層，其是通過(guò)(i)形成至少一半導(dǎo)體氧化層，以及 (ii)形成至少一金屬氧化層，并重復(fù)步驟(i)及(ii)直到達(dá)到該柵極介電前驅(qū)層的一所需厚度；將該柵極介電前驅(qū)層轉(zhuǎn)化成一第一柵極介電層；以及在該第一柵極介電層上沉積一第一柵極電極層，其中該第一柵極介電層以及該第一柵 極電極層包含半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管的一部分。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，該半導(dǎo)體氧化層選 自由氧化鍺、III-V族氧化物以及II-VI族氧化物所組成的群組的一個(gè)。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，該基板為一半導(dǎo) 體晶片、一絕緣體上覆半導(dǎo)體的晶片或一半導(dǎo)體主體上覆鍺層，其中用于形成該半導(dǎo)體晶 片、該絕緣體上覆半導(dǎo)體的晶片或該半導(dǎo)體主體上覆鍺層的半導(dǎo)體選自鍺、III-V族以及II-VI族所組成的群組的一個(gè)，其中該金屬氧化層包含一金屬，且該金屬選自由鋁、鉿、鈦、 鉭、鑭、鋯以及鎢所組成的群組，以及其中該第一柵極介電層包含一金屬鍺。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，該第一柵極電極層 包含一材料，該材料選自由氮化鈦、氮化鉭、氮化鉬、氮化鉿以及氮化鈦鋁所組成的群組。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，還包含在沉積該第 一柵極電極層之前，在該第一柵極介電層上沉積一第二柵極介電層，該第二柵極介電層具 有大于該第一柵極介電層的一介電常數(shù)。
16.一種半導(dǎo)體裝置，其特征在于，其包含一第一電極，設(shè)置于一半導(dǎo)體基板內(nèi)，該第一電極包含一第一半導(dǎo)體摻雜區(qū)；一第一介電層，設(shè)置于一第一電極上，該第一介電層包含一半導(dǎo)體氧化物以及一穩(wěn)定 金屬； 以及一第二電極，設(shè)置于該第一介電層上，其中該第一電極以及該第二電極形成一電容。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，還包含一第二介電層，設(shè)置于該 第一介電層與該第二電極之間，該第二介電層具有大于該第一介電層的一介電常數(shù)。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，該半導(dǎo)體氧化物由鍺、III-V族 化合物以及II-VI族化合物所組成的群組的一材料所組成。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，該半導(dǎo)體基板為一鍺基板、一絕 緣體上覆鍺基板或一半導(dǎo)體主體上覆鍺層，以及其中該穩(wěn)定金屬選自由鋁、鉿、鈦、鉭、鑭、 鋯以及鎢所組成的群組。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，該第一介電層還包含氟。
全文摘要
本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體裝置的制造方法及半導(dǎo)體裝置。在一實(shí)施例中，此方法包含在一基板上形成半導(dǎo)體氧化層以及在半導(dǎo)體氧化層上形成一金屬氧化物層。將半導(dǎo)體氧化層與金屬氧化物層轉(zhuǎn)化成一第一介電層。在第一介電層上沉積第一電極層。
文檔編號(hào)H01L29/78GK101840863SQ20101013833
公開(kāi)日2010年9月22日 申請(qǐng)日期2010年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月18日
發(fā)明者林俊成 申請(qǐng)人:臺(tái)灣積體電路制造股份有限公司