專(zhuān)利名稱(chēng)：一種半導(dǎo)體器件的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及半導(dǎo)體器件的制造方法，具體來(lái)說(shuō)，涉及去除高k/金屬柵器件中界面層中氧原子的半導(dǎo)體器件的制造方法。
背景技術(shù)：
在微電子技術(shù)發(fā)展的幾十年來(lái)，邏輯芯片制造商在制造MOS器件時(shí)，一直采用SiO2 作為柵介質(zhì)，采用重?fù)诫s的多晶硅作為柵電極材料。但是，隨著特征尺寸的不斷縮小，MOS 晶體管中的SiO2柵介質(zhì)已臨近了極限。例如，在65納米工藝中，SiO2柵介質(zhì)的厚度已降至 1. 2納米，約為5個(gè)硅原子層厚度，如果再繼續(xù)縮小，漏電流和功耗將急劇增加。同時(shí)，由多晶硅柵電極引起的摻雜硼原子擴(kuò)散、多晶硅耗盡效應(yīng)、以及過(guò)高的柵電阻等問(wèn)題也將變的越來(lái)越嚴(yán)重。對(duì)于32納米及以下各技術(shù)代，急劇增加的漏電流和功耗等問(wèn)題將急待新材料、新工藝、及新器件結(jié)構(gòu)的開(kāi)發(fā)來(lái)解決。為降低漏電流和功耗，有一種改進(jìn)技術(shù)是采用“高k/金屬柵”結(jié)構(gòu)。目前，國(guó)際范圍內(nèi)的各主要半導(dǎo)體公司都已開(kāi)始著手面向32納米及以下技術(shù)代的“高k/金屬柵” 技術(shù)的開(kāi)發(fā)。Intel披露出在采用高k柵介質(zhì)材料后，器件的漏電流降為原來(lái)的十分之一。但是，在高k/金屬柵工藝中，由于必須采用的退火工藝，致使界面層在退火工藝中變厚。但由于在45nm以下的CMOS器件存在著非常嚴(yán)重的短溝道效應(yīng)，需要EOT (Equivalent OxideThickness，等效氧化層厚度)不超過(guò)Inm的柵介質(zhì)來(lái)提高對(duì)溝道的控制能力，所以厚的界面層SiO2是不可接受的。尤其在32納米及22納米工藝技術(shù)中，柵極介質(zhì)EOT甚至需要達(dá)到0. 7納米甚至0. 5納米以下，而普通高k/金屬柵工藝中界面層SiO2厚度就達(dá)到了 0. 5-0. 7 納米。因此，需要提出一種能夠有效減小EOT，特別是減小界面層厚度的半導(dǎo)體器件制造方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種半導(dǎo)體器件的制造方法，所述方法包括提供半導(dǎo)體襯底；在所述襯底上形成界面層、柵介質(zhì)層和柵電極；在所述柵電極上形成金屬氧吸除層；對(duì)所述器件進(jìn)行熱退火處理，以使所述金屬氧吸除層吸除界面層中的氧，使界面層的厚度減小。其中，所述金屬氧吸除層從包含下列元素的組中選擇元素來(lái)形成A1、Be、La和Y。所述金屬氧吸除層的厚度為大約為l-5nm。通過(guò)采用本發(fā)明所述的方法，在柵電極上形成具有吸除界面層中氧的作用的金屬氧吸除層，阻止退火過(guò)程中外界氛圍里的氧進(jìn)入界面層，防止了 SiO2界面層的厚度增加，并利用氧吸除技術(shù)，使得原本厚度達(dá)0. 5-lnm的SiO2界面層在退火過(guò)程中厚度減少為0. 5納米以下，甚至完全去除，有效地減小了器件的EOT。


圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的制造方法的流程圖；圖2-5示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的半導(dǎo)體器件各個(gè)制造階段的示意具體實(shí)施例方式本發(fā)明通常涉及制造半導(dǎo)體器件的方法。下文的公開(kāi)提供了許多不同的實(shí)施例或例子用來(lái)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的不同結(jié)構(gòu)。為了簡(jiǎn)化本發(fā)明的公開(kāi)，下文中對(duì)特定例子的部件和設(shè)置進(jìn)行描述。當(dāng)然，它們僅僅為示例，并且目的不在于限制本發(fā)明。此外，本發(fā)明可以在不同例子中重復(fù)參考數(shù)字和/或字母。這種重復(fù)是為了簡(jiǎn)化和清楚的目的，其本身不指示所討論各種實(shí)施例和/或設(shè)置之間的關(guān)系。此外，本發(fā)明提供了的各種特定的工藝和材料的例子，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以意識(shí)到其他工藝的可應(yīng)用于性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”的結(jié)構(gòu)可以包括第一和第二特征形成為直接接觸的實(shí)施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之間的實(shí)施例，這樣第一和第二特征可能不是直接接觸。根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例，參考圖1，圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件的制造方法的流程圖。在步驟S11，提供半導(dǎo)體襯底，參考圖2。在本實(shí)施例中，襯底101包括位于晶體結(jié)構(gòu)中的硅襯底(例如晶片)，襯底101還可以包括其他基本半導(dǎo)體或化合物半導(dǎo)體， 例如Si、Ge、GeSi, GaAs, InP, SiC或金剛石等。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)公知的設(shè)計(jì)要求(例如ρ型襯底或者η型襯底)，襯底101可以包括各種摻雜配置。此外，可選地，襯底101可以包括外延層，可以被應(yīng)力改變以增強(qiáng)性能，以及可以包括絕緣體上硅(SOI)結(jié)構(gòu)。在步驟S12，在所述襯底101上形成界面層102、柵介質(zhì)層103和柵電極104。如圖 2所示。可以熱生長(zhǎng)的方式在所述襯底101上形成界面層102，在本發(fā)明實(shí)施例中，界面層 102為SiO2，也可以為氮氧化物層，其厚度為大約0. 7nm。而后，如圖3所示，在所述界面層 102上形成柵介質(zhì)層103和柵電極104。優(yōu)選地，所述柵介質(zhì)層103為高k柵介質(zhì)層103。 具體來(lái)說(shuō)，首先，在所述界面層102上利用ALD技術(shù)生長(zhǎng)高k柵介質(zhì)層103，例如高k介質(zhì)材料 Hf02、HfSiOx, HfZrOx, HfLaOx, HfLaONx 和 La2O3，其厚度為大約 0. 5nm_3nm。然后，在所述高k柵介質(zhì)層103上沉積柵電極104。所述柵電極可以為多層結(jié)構(gòu)，可包括金屬、金屬化合物和金屬硅化物及其他們的組合。在本發(fā)明實(shí)施例中，所述柵電極為金屬柵極104厚度為大約 5nm 至 50nm，可以包括 HfN、TiN、TaN、MoN、TiAIN、MoAIN、HfCNx, HfC, TiC、TaC, Ru、 Re、Pt、RuO2、TaRux、HfRu 及其組合。而后在步驟S13，在所述柵電極104上形成金屬氧吸除層105。如圖4所示，可以通過(guò)例如沉積或者共濺射等方法形成所述金屬氧吸除層105，其厚度為大約l-5nm，優(yōu)選為 2nm。所述金屬氧吸除層可以包括Al、Be、La和Y。在步驟S14，對(duì)所述器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱退火處理，以使所述金屬氧吸除層105吸除界面層102中的氧，使界面層102的厚度減小?？梢詫?duì)退火工藝進(jìn)行溫度和時(shí)間的控制，如降低退火溫度和延長(zhǎng)退火時(shí)間，以使金屬氧吸除層中的金屬擴(kuò)散進(jìn)入整個(gè)柵電極104，甚至柵介質(zhì)層103中，以便調(diào)節(jié)有效功函數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)NMOS器件和PMOS器件閾值電壓的效果。此外，退火工藝可以使氧吸除層105氧化為金屬氧化物，使界面層102厚度變小，如圖 5所示。在本實(shí)施例中，熱處理溫度為大約300-1000°C，優(yōu)選為400°C，時(shí)間為大約l_300s， 優(yōu)選為60s。
而后，可以對(duì)所述器件進(jìn)行后續(xù)制造工藝，包括對(duì)所述金屬氧吸除層105、柵電極104和柵介質(zhì)層103以及界面層102進(jìn)行圖形化，以形成柵堆疊，以及在柵堆疊的側(cè)壁形成側(cè)墻，以及形成源極區(qū)和漏極區(qū)，在形成源極區(qū)和漏極區(qū)之前，可以先形成源/漏淺結(jié)區(qū)，從而形成最終的半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)。以上對(duì)利用氧吸除層105減小界面層102厚度的方法進(jìn)行了描述。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，在柵電極104上形成金屬氧吸除層105，氧吸除層105由Al、Be、La或Y等金屬形成， 而后進(jìn)行熱退火，在退火過(guò)程中合理選擇退火時(shí)間和溫度，根據(jù)吸氧層和柵介質(zhì)層的相互厚度選擇退火時(shí)間和溫度，在本發(fā)明的實(shí)施例中選擇退火溫度為600°C，退火時(shí)間為20s。 此外，可以根據(jù)需要選擇一次退火或者多次退火。最終使金屬吸氧層中的金屬擴(kuò)散進(jìn)入整個(gè)柵電極104，甚至柵介質(zhì)層103，以便調(diào)節(jié)有效功函數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)NMOS器件和PMOS器件閾值電壓的效果。例如，金屬Al、La、Y擴(kuò)散到整個(gè)金屬柵和/或高k柵介質(zhì)層中可以也調(diào)節(jié)NMOS器件的有效功函數(shù)；而Al和Be擴(kuò)散到金屬柵和/或高k柵介質(zhì)層中可以調(diào)節(jié) PMOS器件的有效功函數(shù)。同時(shí)由于所選用的金屬生成吉布斯自由能變遠(yuǎn)大于Si，這意味著這些金屬的氧化物比界面層102中硅的氧化物更加穩(wěn)定和容易形成，因此，在高溫過(guò)程中， 界面層SiO2中的氧被驅(qū)動(dòng)與這些氧吸除層105形成金屬氧化物，從而導(dǎo)致界面層102厚度變小，甚至消失，有效減小了 EOT。另外，在合理控制退火溫度和時(shí)間的氧吸除層105氧化為金屬氧化物112后，金屬氧化物112或?yàn)椴伙柡徒饘傺趸?，可以阻止后續(xù)工藝的退火過(guò)程中外界氛圍里的氧進(jìn)入界面層102，防止或減小界面層102的厚度增加的可能，從而避免 EOT的增加，也減小了 EOT。雖然關(guān)于示例實(shí)施例及其優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)詳細(xì)說(shuō)明，應(yīng)當(dāng)理解在不脫離本發(fā)明的精神和所附權(quán)利要求限定的保護(hù)范圍的情況下，可以對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行各種變化、替換和修改。對(duì)于其他例子，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)容易理解在保持本發(fā)明保護(hù)范圍內(nèi)的同時(shí)，工藝步驟的次序可以變化。此外，本發(fā)明的應(yīng)用范圍不局限于說(shuō)明書(shū)中描述的特定實(shí)施例的工藝、機(jī)構(gòu)、制造、物質(zhì)組成、手段、方法及步驟。從本發(fā)明的公開(kāi)內(nèi)容，作為本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將容易地理解，對(duì)于目前已存在或者以后即將開(kāi)發(fā)出的工藝、機(jī)構(gòu)、制造、物質(zhì)組成、手段、方法或步驟，其中它們執(zhí)行與本發(fā)明描述的對(duì)應(yīng)實(shí)施例大體相同的功能或者獲得大體相同的結(jié)果，依照本發(fā)明可以對(duì)它們進(jìn)行應(yīng)用。因此，本發(fā)明所附權(quán)利要求旨在將這些工藝、機(jī)構(gòu)、制造、物質(zhì)組成、手段、方法或步驟包含在其保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件的制造方法，所述方法包括 提供半導(dǎo)體襯底；在所述襯底上形成界面層、柵介質(zhì)層和柵電極； 在所述柵電極上形成金屬氧吸除層；對(duì)所述器件進(jìn)行熱退火處理，以使所述金屬氧吸除層吸除界面層中的氧，使界面層的厚度減小。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述金屬氧吸除層從包含下列元素的組中選擇元素來(lái)形成Al、Be、La和Y。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述金屬氧吸除層的厚度為l-5nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述熱退火處理的溫度為300-1000°C。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中所述熱退火處理的時(shí)間為l-300s。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述柵介質(zhì)層從包含下列元素的組中選擇元素來(lái)形成Hf02、HfSiOx, HfZrOx, HfLaOx, HfLaONx 和 La2O3 及其組合。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述柵電極從包含下列元素的組中選擇元素來(lái)形成HfN、TiN、TaN、MoN、TiAIN、MoAIN、HfCNx, HfC, TiC、TaC, Ru、Re、Pt、RuO2, TaRux, HfRu 及其組合。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述金屬氧吸除層通過(guò)沉積或共濺射方式形成。
全文摘要
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，本發(fā)明提供了一種半導(dǎo)體器件的制造方法，所述方法包括提供半導(dǎo)體襯底；在所述襯底上形成界面層、柵介質(zhì)層和柵電極；在所述柵電極上形成金屬氧吸除層；對(duì)所述器件進(jìn)行熱退火處理，以使所述金屬氧吸除層吸除界面層中的氧，使界面層的厚度減小。通過(guò)本發(fā)明能夠在減小界面層厚度的同時(shí)，利用退火工藝使得金屬氧吸除層中的金屬擴(kuò)散進(jìn)入柵電極和/或柵介質(zhì)層，從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)有效功函數(shù)，控制閾值電壓的效果。
文檔編號(hào)H01L21/336GK102222616SQ20101014760
公開(kāi)日2011年10月19日 申請(qǐng)日期2010年4月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月14日
發(fā)明者王文武, 王曉磊, 陳世杰, 陳大鵬, 韓鍇 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院微電子研究所