專利名稱:高k金屬柵極疊層的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明一般而言涉及半導(dǎo)體器件制造,更具體而言涉及高k金屬柵極疊層中用于改善溝道遷移率的界面結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù):
在標(biāo)準(zhǔn)的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)器件中,典型地使用多晶硅作為柵極材料。使用多晶硅柵極制造CMOS器件的技術(shù)已處于恒定的發(fā)展?fàn)顟B(tài),且現(xiàn)在廣泛用于半導(dǎo)體工業(yè)中。使用多晶硅柵極的一個優(yōu)點是其經(jīng)得起高溫。然而,使用多晶硅柵極也會伴隨著一些問題。例如,由于多晶娃耗盡(poly-depletion)效應(yīng),對于O. I微米以下的溝道長度,CMOS器件中常用的多晶硅柵極正變成芯片性能的限制因素。多晶硅柵極的另一問題在于,多晶硅柵極中的摻雜劑材料(例如,硼)可容易地擴(kuò)散通過薄柵極電介質(zhì),使器件性能進(jìn)一 步劣化。因此,尤其隨著高k柵極電介質(zhì)材料的出現(xiàn),已提出的一種改善亞微米晶體管性能的方法是使用金屬柵極替代常規(guī)的多晶硅柵極。盡管用金屬或金屬合金柵極電極替代傳統(tǒng)的多晶硅柵極消除了多晶硅耗盡效應(yīng),但金屬柵極和高k柵極電介質(zhì)的使用也伴隨著一些問題,這些問題包括例如因費米能級釘扎效應(yīng)所造成的高閾值電壓(Vt)。閾值電壓是通過在半導(dǎo)體溝道表面處形成反轉(zhuǎn)層而使溝道導(dǎo)電所需的柵極電壓值。對于增強(qiáng)模式(例如,常閉型(normally off))器件,Vt對于NFET器件而言是正的,而對于PFET器件而言是負(fù)的。閾值電壓取決于平帶電壓,平帶電壓又取決于表面電荷以及柵極與襯底材料之間的功函數(shù)差。材料的功函數(shù)是將材料中的電子從費米能級移到材料原子外面所需的能量的量度,且通常以電子伏特(eV)表示。對于CMOS器件,需要為NFET和PFET提供穩(wěn)定的閾值電壓。為了建立Vt值,獨立地調(diào)節(jié)或調(diào)整NFET和PFET柵極接觸以及對應(yīng)的溝道材料的功函數(shù)。對于η溝道電極和P溝道電極,這樣的功函數(shù)值分別可以為例如約4. I和5. 2電子伏特(eV)。因此,采用柵極疊層工程設(shè)計調(diào)整柵極接觸材料的功函數(shù),其中針對NFET和PFET柵極建立不同的柵極功函數(shù)值。
發(fā)明內(nèi)容
在示例性實施例中,一種用于場效應(yīng)晶體管(FET)器件的柵極疊層結(jié)構(gòu)包括富氮的第一電介質(zhì)層,其形成在半導(dǎo)體襯底表面之上;貧氮且富氧的第二電介質(zhì)層,其形成在所述富氮的第一電介質(zhì)層上,所述第一電介質(zhì)層和所述第二電介質(zhì)層共同形成雙層界面層;高1^電介質(zhì)層,其形成在所述雙層界面層之上;金屬柵極導(dǎo)體層,其形成在所述高k電介質(zhì)層之上;以及功函數(shù)調(diào)整摻雜劑物質(zhì)(species),其擴(kuò)散在所述高k電介質(zhì)層和所述貧氮且富氧的第二電介質(zhì)層內(nèi),且其中所述富氮的第一電介質(zhì)層用來使所述功函數(shù)調(diào)整摻雜劑物質(zhì)與所述半導(dǎo)體襯底表面分隔。在另一實施例中,一種用于場效應(yīng)晶體管(FET)器件的高k金屬柵極疊層結(jié)構(gòu)包括富氮的第一電介質(zhì)層,其形成在半導(dǎo)體襯底表面之上;貧氮且富氧第二電介質(zhì)層,其形成在所述富氮的第一電介質(zhì)層上,所述第一電介質(zhì)層和所述第二電介質(zhì)層共同形成雙層界面層;基于鉿的高k電介質(zhì)層,其形成在所述雙層界面層之上;金屬柵極導(dǎo)體層,其形成在所述高k電介質(zhì)層之上;以及鑭摻雜劑物質(zhì),其擴(kuò)散在所述高k電介質(zhì)層和所述貧氮且富氧的第二電介質(zhì)層內(nèi),在其中形成高k氧化鑭,且其中所述富氮的第一電介質(zhì)層用來使所述高k氧化鑭與所述半導(dǎo)體襯底表面分隔。在另一實施例中,一種形成用于場效應(yīng)晶體管(FET)器件的柵極疊層結(jié)構(gòu)的方法包括在半導(dǎo)體襯底表面之上形成富氮的第一電介質(zhì)層;在所述富氮的第一電介質(zhì)層上形成貧氮且富氧的第二電介質(zhì)層,所述第一電介質(zhì)層和所述第二電介質(zhì)層共同限定雙層界面層;在所述雙層界面層之上形成高k電介質(zhì)層;在所述高k電介質(zhì)層之上形成金屬柵極導(dǎo)體層;以及將功函數(shù)調(diào)整摻雜劑物質(zhì)擴(kuò)散在所述高k電介質(zhì)層和所述貧氮且富氧的第二電介質(zhì)層內(nèi),且其中所述富氮的第一電介質(zhì)層用來使所述功函數(shù)調(diào)整摻雜劑物質(zhì)與所述半導(dǎo)體襯底表面分隔。
下面將參考附圖僅以舉例的方式描述本發(fā)明的實施例,在附圖中圖I (a)至I (f)是一系列橫截面圖,其示例出根據(jù)本發(fā)明的實施例形成用于高k FET柵極疊層的界面層結(jié)構(gòu)的示例性方法;以及圖2 (a)至2 Cd)是一系列橫截面圖,其示例出根據(jù)本發(fā)明的替代實施例形成用于高k FET柵極疊層的界面層結(jié)構(gòu)的示例性方法。
具體實施例方式如上所述,采用各種柵極疊層工程設(shè)計技術(shù)來調(diào)整高k金屬柵極(HKMG)結(jié)構(gòu)的功函數(shù)。例如,可以在半導(dǎo)體襯底之上形成界面層和高k層之后沉積鑭系物質(zhì)材料,例如鑭(La)或镥(Lu)。該界面層例如典型地是較低k的電介質(zhì)層,例如氧化硅、氮化硅或氧氮化硅層(無論是以特定步驟形成還是作為高k層形成的副產(chǎn)物),并用來使高k層與在襯底中形成的溝道區(qū)分隔。這么做是所需要的,因為高k電介質(zhì)材料典型地具有相對于氧化物的高缺陷密度。由于這些缺陷產(chǎn)生妨礙電荷載流子遷移率的電荷俘獲位置,因此界面層的存在使得高k層與溝道區(qū)分隔開。在沉積鑭系物質(zhì)材料后,接著使用諸如退火步驟的熱處理來驅(qū)使鑭系物質(zhì)向下朝向界面層。該擴(kuò)散用來(I)降低NFET器件中的Vt以及(2)通過增大界面層介電常數(shù)而實現(xiàn)反轉(zhuǎn)厚度(Tinv)按比例縮小(scaling)。另一方面,該擴(kuò)散還用來降低溝道中的載流子遷移率,因為與以常規(guī)方式形成的界面層中的(例如)LaxOy相關(guān)聯(lián)的軟光頻聲子(opticalphonon)效應(yīng)靠近(或甚至接觸)半導(dǎo)體表面。雖然可以通過使界面層增厚和使高k層的厚度減小以獲得Tinv按比例縮小來改善載流子遷移率,但這是以高柵極隧穿電流為代價而實現(xiàn)的。因此,為了維持來自高k電介質(zhì)的柵極泄露益處、維持來自如La、Lu的物質(zhì)的Tinv按比例縮小和Vt降低的益處但不會使載流子遷移率劣化,需要新的解決方案。因此,本文公開了一種用于高k FET柵極疊層的新穎界面層結(jié)構(gòu),其可維持Tinv按比例縮小和Vt降低的益處,且還降低或甚至消除載流子遷移率劣化。簡而言之,界面層是這樣的雙層其包括鄰近半導(dǎo)體表面的富氮的第一層以及在富N的第一層上形成的貧氮且富氧的第二層。由此形成的用于按比例縮小Tinv和降低Vt的擴(kuò)散的鑭系物質(zhì)保持與反轉(zhuǎn)溝道相距足夠的距離,從而改善載流子遷移率。首先參考圖I (a)至I (f),其中示出了一系列橫截面圖,其示例出根據(jù)本發(fā)明的實施例形成用于高k FET柵極疊層的界面層結(jié)構(gòu)的示例性方法。從圖I (a)開始,半導(dǎo)體襯底102的溝道表面具有直接在其上形成(例如通過生長或沉積)的薄富氮的第一電介質(zhì)層104,其示例性厚度為約10至約20埃(人)。襯底102可包括任何合適的半導(dǎo)體材料,例如但不限于硅(Si)、鍺(Ge)、硅鍺(SiGe)、碳化硅(SiC)、碳化硅鍺(SiGeC)、砷化鎵(GaAs)、氮化鎵(GaN)、砷化銦(InAs)、磷化銦(InP)以及所有其它III/V或II/VI化合物半導(dǎo)體。半導(dǎo)體襯底102還可包括有機(jī)半導(dǎo)體或?qū)盈B的半導(dǎo)體,例如Si/SiGe、絕緣體上硅(SOI)、絕緣體上SiGe (SGOI)或絕緣體上鍺(G0I)。第一電介質(zhì)層104可包括例如氮化硅(SiN)或氧氮化硅(SiON)。接著,如圖I (b)所示,例如通過沉積,在富氮的第一電介質(zhì)層104之上形成貧氮的第二電介質(zhì)層106,其示例性厚度為約10Λ。貧氮的第二電介質(zhì)層106可以是例如臭氧層 或氧化物層。由此形成的富氮的第一電介質(zhì)層104和貧氮的第二電介質(zhì)層106限定界面層108。接下來參考圖I (C),在一個實施例中,在完成界面層108后,形成高k柵極電介質(zhì)層110。本文中使用的術(shù)語“高k”一般而言表示絕緣體的介電常數(shù)大于約4.0,更具體地,大于約7.0。高k柵極電介質(zhì)層110可以是例如基于鉿(Hf)的層。合適的高k電介質(zhì)層的更具體實例可包括但不限于氧化鉿(Hf02)、正硅酸鉿(HfSi04)、二氧化鋯(ZrO2)、氧化招(41203)、二氧化鈦(1102)、氧化鑭(]^1203)、鈦酸銀(31'1103)、招酸鑭(]^\103)、氧化鋪(CeO2)、氧化釔(Y2O3)及其組合。高k柵極電介質(zhì)層110的厚度可取決于對柵極隧穿電流的具體要求。接著,如圖I (d)所示,將功函數(shù)調(diào)整摻雜劑物質(zhì)112 (例如鑭系物質(zhì))沉積在高k柵極電介質(zhì)層110上。物質(zhì)112可包括例如鑭系金屬,例如鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、钷(Pm)、釤(Sm)、銪(Eu)、釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、欽(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)或镥(Lu)。其它非鑭系材料,例如鉿(Hf),也可用作功函數(shù)調(diào)整摻雜劑物質(zhì)112。根據(jù)先柵極(gate first)工藝流程,接著在摻雜劑物質(zhì)112和高k柵極電介質(zhì)層110之上形成合適的金屬柵極導(dǎo)體層114或?qū)?、以及任何相關(guān)的帽蓋層(未示出),如圖I (e)所示。金屬柵極導(dǎo)體層114例如可包括元素金屬或任何導(dǎo)電化合物及其組合和多層,元素金屬例如為鎢(W)、鉭(Ta)、鋁(Al)、釕(Ru)、鉬(Pt)等,導(dǎo)電化合物包括但不限于氮化鈦(TiN)、氮化鉭(TaN)、硅化鎳(NiSi)、硅化鎳鉬(NiPtSi)、氮化鈦(TiN)、氮化鉭(TaN)、碳化鈦(TiC)、碳化鉭(TaC )、氧氮碳化鉭(TaCNO )、氧化釕(RuO2)等。在圖I (e)中,對所產(chǎn)生的柵極疊層結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱處理,該熱處理使物質(zhì)112向下擴(kuò)散到貧氮的第二電介質(zhì)層106,以實現(xiàn)NFET器件的Tinv按比例縮小和Vt降低。特別地,擴(kuò)散的物質(zhì)在第二電介質(zhì)層106的頂部與高k電介質(zhì)層110之間產(chǎn)生電荷偶極子,使得可為低Vt的NFET應(yīng)用調(diào)整有效功函數(shù)。然而,物質(zhì)112被包含在貧氮的第二電介質(zhì)層106內(nèi),而非在富氮的第一電介質(zhì)層104內(nèi),從而使物質(zhì)112與在襯底102中形成的反轉(zhuǎn)溝道保持足夠的距離。在一個示例性實施例中,高k電介質(zhì)層110為基于鉿的,摻雜劑物質(zhì)為鑭,且退火操作導(dǎo)致在貧氮且富氧的第二電介質(zhì)層106內(nèi)形成高k氧化鑭(La2O3)15因此,Tinv按比例縮小和Vt降低并未受到載流子遷移率降低的影響。在上述實施例中,將摻雜劑物質(zhì)112描繪為在形成高k層110之后沉積。然而,其它替代選項也是可能的。例如,如圖2 (a)至2 (d)的工藝流程順序所示,可在形成高k層110之前形成摻雜劑物質(zhì)112。在圖2 (a)中,摻雜劑物質(zhì)為在形成貧氮的第二電介質(zhì)層106之后沉積的112,隨后形成高k電介質(zhì)層110,如圖2 (b)所示。接著,圖2 (c)示例出在高k層110之上形成一個或多個金屬柵極導(dǎo)體層114以及任何相關(guān)的帽蓋層(未示出)。最后,在圖2 (d)中執(zhí)行退火,以驅(qū)使摻雜劑物質(zhì)112進(jìn)入貧氮的第二電介質(zhì)層106但不在富氮的第一電介質(zhì)層104內(nèi)。在又一預(yù)期的實施例中,摻雜劑物質(zhì)112可在形成高k層110的同時沉積。雖然已參考優(yōu)選實施例描述了本發(fā)明,但本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解,在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下,可進(jìn)行各種改變,并可以同等效物替代其要素。此外,在不脫離本發(fā)明的實質(zhì)范圍的情況下,可對本發(fā)明的教導(dǎo)內(nèi)容進(jìn)行許多修改以適應(yīng)特定的情況或材料。因此,本發(fā)明旨在不受限于被公開為執(zhí)行本發(fā)明所預(yù)期的最佳模式的特定實施例;而是本發(fā)明旨在包括所有落在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)的實施例。·
權(quán)利要求
1.一種用于場效應(yīng)晶體管(FET)器件的柵極疊層結(jié)構(gòu),包括 富氮的第一電介質(zhì)層,其形成在半導(dǎo)體襯底表面之上; 貧氮且富氧的第二電介質(zhì)層,其形成在所述富氮的第一電介質(zhì)層上,所述第一電介質(zhì)層和所述第二電介質(zhì)層共同形成雙層界面層; 高k電介質(zhì)層,其形成在所述雙層界面層之上; 金屬柵極導(dǎo)體層,其形成在所述高k電介質(zhì)層之上;以及 功函數(shù)調(diào)整摻雜劑物質(zhì),其擴(kuò)散在所述高k電介質(zhì)層和所述貧氮且富氧的第二電介質(zhì)層內(nèi),且其中所述富氮的第一電介質(zhì)層用來使所述功函數(shù)調(diào)整摻雜劑物質(zhì)與所述半導(dǎo)體襯底表面分隔。
2.根據(jù)權(quán)利要求I的結(jié)構(gòu),其中所述功函數(shù)調(diào)整摻雜劑物質(zhì)包括鑭系金屬。
3.根據(jù)權(quán)利要求I的結(jié)構(gòu),其中所述功函數(shù)調(diào)整摻雜劑物質(zhì)包括鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、钷(Pm)、釤(Sm)、銪(Eu)、釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、欽(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)、镥(Lu)以及鉿(Hf)中的一者或多者。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的結(jié)構(gòu),其中所述富氮的第一電介質(zhì)層包括氮化硅(SiN)和氧氮化硅(SiON)中的一者或多者。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的結(jié)構(gòu),其中所述貧氮且富氧的第二電介質(zhì)層包括臭氧層和氧化物層中的一者。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的結(jié)構(gòu),其中所述高k電介質(zhì)層具有約4.O或更高的介電常數(shù)。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的結(jié)構(gòu),其中所述高k電介質(zhì)層具有約7.O或更高的介電常數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的結(jié)構(gòu),其中所述高k電介質(zhì)層包括氧化鉿(Hf02)、正硅酸鉿(HfSi04)、二氧化錯(Zr02)、氧化招(A1203)、二氧化鈦(Ti02)、氧化鑭(La203)、鈦酸銀(SrTiO3)、鋁酸鑭(LaAlO3)、氧化鈰(CeO2)、氧化釔(Y2O3)及其組合中的一者或多者。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的結(jié)構(gòu),其中所述金屬柵極導(dǎo)體層包括鎢(W)、鉭(Ta)、招(Al)、釕(Ru)、鉬(Pt)等或任何導(dǎo)電化合物及其組合中的一者或多者,所述導(dǎo)電化合物包括但不限于氮化鈦(TiN)、氮化鉭(TaN)、硅化鎳(NiSi)、硅化鎳鉬(NiPtSi)、氮化鈦(TiN),氮化鉭(TaN)、碳化鈦(TiC)、碳化鉭(TaC)、氧氮碳化鉭(TaCNO)、氧化釕(RuO2)。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的結(jié)構(gòu),其中所述襯底包括硅(Si)、鍺(Ge)、硅鍺(SiGe)、碳化硅(SiC)、碳化硅鍺(SiGeC)、砷化鎵(GaAs)、氮化鎵(GaN)、砷化銦(InAs)以及磷化銦(InP)中的一者或多者。
11.一種形成用于場效應(yīng)晶體管(FET)器件的柵極疊層結(jié)構(gòu)的方法,該方法包括 在半導(dǎo)體襯底表面之上形成富氮的第一電介質(zhì)層; 在所述富氮的第一電介質(zhì)層上形成貧氮且富氧的第二電介質(zhì)層,所述第一電介質(zhì)層和所述第二電介質(zhì)層共同限定雙層界面層; 在所述雙層界面層之上形成高k電介質(zhì)層; 在所述高k電介質(zhì)層之上形成金屬柵極導(dǎo)體層;以及 將功函數(shù)調(diào)整摻雜劑物質(zhì)擴(kuò)散在所述高k電介質(zhì)層和所述貧氮且富氧的第二電介質(zhì)層內(nèi),且其中所述富氮的第一電介質(zhì)層用來使所述功函數(shù)調(diào)整摻雜劑物質(zhì)與所述半導(dǎo)體襯底表面分隔。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的方法,其中所述功函數(shù)調(diào)整摻雜劑物質(zhì)包括鑭系金屬。
13.根據(jù)權(quán)利要求11的方法,其中所述功函數(shù)調(diào)整摻雜劑物質(zhì)包括鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、钷(Pm)、釤(Sm)、銪(Eu)、釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、欽(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)、镥(Lu)以及鉿(Hf)中的一者或多者。
14.根據(jù)權(quán)利要求11-13中任一項的方法,其中所述富氮的第一電介質(zhì)層包括氮化硅(SiN)和氧氮化硅(SiON)中的一者或多者。
15.根據(jù)權(quán)利要求11-14中任一項的方法,其中所述貧氮且富氧的第二電介質(zhì)層包括臭氧層和氧化物層中的一者。
16.根據(jù)權(quán)利要求11-15中任一項的方法,其中所述高k電介質(zhì)層具有約4.O或更高的介電常數(shù)。
17.根據(jù)權(quán)利要求11-16中任一項的方法,其中所述高k電介質(zhì)層具有約7.O或更高的介電常數(shù)。
18.根據(jù)權(quán)利要求11-17中任一項的方法,其中所述高k電介質(zhì)層包括氧化鉿(Hf02)、正硅酸鉿(Hf SiO4)、二氧化鋯(ZrO2)、氧化鋁(Al2O3)、二氧化鈦(TiO2)、氧化鑭(La2O3)、鈦酸鍶(SrTiO3)、鋁酸鑭(LaAlO3)、氧化鈰(CeO2)、氧化釔(Y2O3)及其組合中的一者或多者。
19.根據(jù)權(quán)利要求11-18中任一項的方法,其中所述金屬柵極導(dǎo)體層包括鎢(W)、鉭(Ta)、招(Al)、釕(Ru)、鉬(Pt)等或任何導(dǎo)電化合物及其組合中的一者或多者,所述導(dǎo)電化合物包括但不限于氮化鈦(TiN)、氮化鉭(TaN)、硅化鎳(NiSi)、硅化鎳鉬(NiPtSi)、氮化鈦(TiN)、氮化鉭(TaN)、碳化鈦(TiC)、碳化鉭(TaC)、氧氮碳化鉭(TaCNO)、氧化釕(RuO2)。
20.根據(jù)權(quán)利要求11-19中任一項的方法,其中所述襯底包括硅(Si)、鍺(Ge)、硅鍺(SiGe)、碳化硅(SiC)、碳化硅鍺(SiGeC)、砷化鎵(GaAs)、氮化鎵(GaN)、砷化銦(InAs)以及磷化銦(InP)中的一者或多者。
21.根據(jù)權(quán)利要求11-20中任一項的方法,還包括在形成所述高k電介質(zhì)層之后沉積所述功函數(shù)調(diào)整摻雜劑物質(zhì)。
22.根據(jù)權(quán)利要求11-20中任一項的方法,還包括在形成所述高k電介質(zhì)層之前沉積所述功函數(shù)調(diào)整摻雜劑物質(zhì)。
23.根據(jù)權(quán)利要求11-20中任一項的方法,還包括在形成所述高k電介質(zhì)層的同時沉積所述功函數(shù)調(diào)整摻雜劑物質(zhì)。
全文摘要
一種用于場效應(yīng)晶體管(FET)器件的柵極疊層結(jié)構(gòu),包括富氮的第一電介質(zhì)層,其形成在半導(dǎo)體襯底表面之上;貧氮且富氧的第二電介質(zhì)層,其形成在所述富氮的第一電介質(zhì)層上,所述第一電介質(zhì)層和所述第二電介質(zhì)層共同形成雙層界面層;高k電介質(zhì)層,其形成在所述雙層界面層之上;金屬柵極導(dǎo)體層,其形成在所述高k電介質(zhì)層之上;以及功函數(shù)調(diào)整摻雜劑物質(zhì),其擴(kuò)散在所述高k電介質(zhì)層和所述貧氮且富氧的第二電介質(zhì)層內(nèi),且其中所述富氮的第一電介質(zhì)層用來使所述功函數(shù)調(diào)整摻雜劑物質(zhì)與所述半導(dǎo)體襯底表面分隔。
文檔編號H01L29/49GK102893375SQ201180023957
公開日2013年1月23日 申請日期2011年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月2日
發(fā)明者郭德超, P·歐爾迪吉斯, T-C·陳, 王巖峰 申請人:國際商業(yè)機(jī)器公司