本發(fā)明涉及半導(dǎo)體工藝與器件。

背景技術(shù)：

自從早年德州儀器的Jack Kilby博士發(fā)明了集成電路之時(shí)起，科學(xué)家們和工程師們已經(jīng)在半導(dǎo)體器件和工藝方面作出了眾多發(fā)明和改進(jìn)。近50年來(lái)，半導(dǎo)體尺寸已經(jīng)有了明顯的降低，這轉(zhuǎn)化成不斷增長(zhǎng)的處理速度和不斷降低的功耗。迄今為止，半導(dǎo)體的發(fā)展大致遵循著摩爾定律，摩爾定律大致是說(shuō)密集集成電路中晶體管的數(shù)量約每?jī)赡攴丁，F(xiàn)在，半導(dǎo)體工藝正在朝著20nm以下發(fā)展，其中一些公司正在著手14nm工藝。這里僅提供一個(gè)參考，一個(gè)硅原子約為0.2nm，這意味著通過(guò)20nm工藝制造出的兩個(gè)獨(dú)立組件之間的距離僅僅約為一百個(gè)硅原子。

半導(dǎo)體器件制造因此變得越來(lái)越具有挑戰(zhàn)性，并且朝著物理上可能的極限推進(jìn)。華力微電子有限公司^TM是致力于半導(dǎo)體器件和工藝研發(fā)的領(lǐng)先的半導(dǎo)體制造公司之一。

在制造典型柵極尺寸小于50nm的晶體管時(shí)，所謂的“高k/金屬柵極”(HKMG)技術(shù)已經(jīng)普及。根據(jù)HKMG制造工藝流程，包括在柵電極中的絕緣層由高k材料構(gòu)成。這與常規(guī)的氧化物/多晶硅(poly/SiON)方法相反，在常規(guī)的氧化物/多晶硅方法中，柵電極絕緣層通常由氧化物構(gòu)成，在基于硅的器件情況下優(yōu)選二氧化硅或氮氧化硅。典型的HKMG疊層結(jié)構(gòu)可包含基于氧化硅的界面層(IL)、高k(HK)電介質(zhì)、繼之以金屬柵電極?；阢x的電介質(zhì)(特別是HfO2)是當(dāng)前CMOS技術(shù)中最廣泛使用的高k電介質(zhì)，且通常沉積在IL的頂端，IL的主要作用是為與Si的界面提供良好電氣質(zhì)量。一般采用亞納米的化學(xué)氧化物(SiOx)或氮氧化物(SiON)層作為IL。

目前，有兩種不同的方法在半導(dǎo)體制造工藝流程中實(shí)現(xiàn)HKMG。第一種方法稱為柵極-首先，制造工藝流程類似于傳統(tǒng)poly/SiON方法過(guò)程中采取的流程。首先形成柵電極，包括高k電介質(zhì)膜和功函數(shù)金屬膜，繼之以后續(xù)的晶體管制造階段，例如，源極區(qū)域和漏極區(qū)域的限定、部分襯底表面的硅化、金屬化等等。另一方面，根據(jù)也稱之為柵極-最后或替代柵極的第二種方案，在存在犧牲虛柵極的情況下執(zhí)行各個(gè)制造階段，諸如摻雜劑離子注入、源極區(qū)域和漏極區(qū)域形成以及襯底硅化。該虛柵極在高溫源極/漏極成型以及所有硅化物退火周期都已執(zhí)行之后由真實(shí)的柵極替代。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

以下給出一個(gè)或多個(gè)方面的簡(jiǎn)要概述以提供對(duì)這些方面的基本理解。此概述不是所有構(gòu)想到的方面的詳盡綜覽，并且既非旨在指認(rèn)出所有方面的關(guān)鍵性或決定性要素亦非試圖界定任何或所有方面的范圍。其唯一的目的是要以簡(jiǎn)化形式給出一個(gè)或多個(gè)方面的一些概念以為稍后給出的更加詳細(xì)的描述之序。

根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種用于制造半導(dǎo)體器件的方法，該方法包括：形成襯底，所述襯底包括硅材料；使用氫化合物清潔所述襯底的上表面；在所述襯底上形成絕緣層，所述絕緣層包括形成于所述襯底的上表面上的界面層，以及形成于所述界面層上的高k介電層，所述高k介電層包括氧化鉿HfO2；以及在形成所述絕緣層之后用氮?dú)鈱?duì)所述絕緣層執(zhí)行退火工藝，其中所述退火工藝是在300℃至500℃之間的溫度及高于15個(gè)大氣壓的壓力下執(zhí)行的。

附圖說(shuō)明

圖1示出了含有根據(jù)本公開的增強(qiáng)型退火工藝的制造工藝可以在襯底頂部上形成高k絕緣層來(lái)開始。

圖2示出了包含在該制造工藝中的增強(qiáng)型退火工藝的示例。

圖3示出了由于根據(jù)本公開的退火工藝的相對(duì)較高壓力所導(dǎo)致的H+擴(kuò)散效果。

參照以下附圖，可實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)實(shí)施例的本質(zhì)和優(yōu)點(diǎn)的進(jìn)一步理解。在附圖中，類似組件或特征可具有相同的附圖標(biāo)記。此外，相同類型的各個(gè)組件可通過(guò)在附圖標(biāo)記后跟隨破折號(hào)以及在類似組件間進(jìn)行區(qū)分的副標(biāo)記來(lái)區(qū)分。如果在說(shuō)明書中僅使用第一附圖標(biāo)記，則該描述適用于具有相同第一附圖標(biāo)記的任何一個(gè)類似組件而不管副附圖標(biāo)記。

具體實(shí)施方式

本公開內(nèi)容涉及用于半導(dǎo)體的高k/金屬柵極(HKMG)疊層的制造，尤其涉及降低該HKMG疊層形成之后O2向IL中的擴(kuò)散。

給出以下描述以使得本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵤┖褪褂帽景l(fā)明并將其結(jié)合到具體應(yīng)用背景中。各種變型、以及在不同應(yīng)用中的各種使用對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員將是容易顯見的，并且本文定義的一般性原理可適用于較寬范圍的實(shí)施例。由此，本發(fā)明并不限于本文中給出的實(shí)施例，而是應(yīng)被授予與本文中公開的原理和新穎性特征相一致的最廣義的范圍。

在以下詳細(xì)描述中，闡述了許多特定細(xì)節(jié)以提供對(duì)本發(fā)明的更透徹理解。然而，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的是，本發(fā)明的實(shí)踐可不必局限于這些具體細(xì)節(jié)。換言之，公知的結(jié)構(gòu)和器件以框圖形式示出而沒(méi)有詳細(xì)顯示，以避免模糊本發(fā)明。

請(qǐng)讀者注意與本說(shuō)明書同時(shí)提交的且對(duì)公眾查閱本說(shuō)明書開放的所有文件及文獻(xiàn)，且所有這樣的文件及文獻(xiàn)的內(nèi)容以參考方式并入本文。除非另有明確說(shuō)明，否則本說(shuō)明書(包含任何所附權(quán)利要求、摘要和附圖)中所揭示的所有特征皆可由用于達(dá)到相同、等效或類似目的的可替代特征來(lái)替換。因此，除非另有明確說(shuō)明，否則所公開的每一個(gè)特征僅是一系列常規(guī)等效或類似特征的一個(gè)示例。

而且，權(quán)利要求中未明確表示用于執(zhí)行特定功能的裝置、或用于執(zhí)行特定功能的步驟的任意組件皆不應(yīng)被理解為如35USC第112章節(jié)第6段中所規(guī)定的裝置或步驟條款。特別地，在本文的權(quán)利要求中使用“….的步驟”或“….的動(dòng)作”并不表示涉及35USC第112章第6段的規(guī)定。

注意，在使用到的情況下，標(biāo)志左、右、前、后、頂、底、正、反、順時(shí)針和逆時(shí)針僅僅是出于方便的目的所使用的，而并不暗示任何具體的固定方向。事實(shí)上，它們被用于反映對(duì)象的各個(gè)部分之間的相對(duì)位置和/或方向。

由于高k柵極介電層(HK層)主要包括沒(méi)有固定的原子配位的金屬離子氧化物(例如，HfO2)，所以HK層往往具有斷裂懸空鍵。這會(huì)影響HK層的穩(wěn)定性，進(jìn)而影響k值。通常，高k柵極疊層的可靠性可使用約1000°C高溫下的摻雜劑活化退火來(lái)改善。這可以通過(guò)在超過(guò)1000℃的溫度下用氨穿透柵極氧化物的氮化氧化物工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)。

氨退火是一種流行的后續(xù)高k退火工藝，因?yàn)榘睔?NH3)中的N離子在高溫下能夠擴(kuò)散到HK層中以修復(fù)斷裂鍵或缺失鍵，使得HK層的結(jié)構(gòu)能夠成為Hf-O-N結(jié)構(gòu)而得到改善。以此方式，氨退火使得HK層中的HfO2更加穩(wěn)定并且也提高了k值。

然而，一旦已經(jīng)開始高溫反應(yīng)，就難以控制加入到HK層中的氮的濃度。在高溫退火過(guò)程中，高溫可能不利地影響NiSi以及HK層中注入的離子。這是因?yàn)楦邷乜赡軐?dǎo)致NiSi低電阻轉(zhuǎn)變?yōu)镹iSi高電阻。此效應(yīng)進(jìn)而可能導(dǎo)致接觸電阻升高。而且，高溫可能導(dǎo)致注入的離子擴(kuò)散并從而導(dǎo)致漏電。

本公開內(nèi)容致力于解決上述提到的目前的高溫退火問(wèn)題。本公開內(nèi)容的一方面是一種通過(guò)加入增強(qiáng)型退火工藝來(lái)制造高k/金屬柵極半導(dǎo)體器件的方法。根據(jù)本公開內(nèi)容的增強(qiáng)型退火工藝可在相對(duì)較低的溫度和高壓下進(jìn)行，由此可改善k值并修復(fù)HK層的上述缺陷。在根據(jù)本公開內(nèi)容的增強(qiáng)型退火工藝下，H+由于高壓而能夠從氨氣中擴(kuò)散并修復(fù)斷裂鍵，同時(shí)又由于低溫而避免了不利地影響NiSi以及HK層中注入的離子。根據(jù)本公開內(nèi)容的增強(qiáng)型退火工藝因此能夠得到優(yōu)異的電氣器件性能、機(jī)械穩(wěn)定性和高可靠性。

本公開內(nèi)容的附加的方面以及其他特征將在以下說(shuō)明書中陳述，且在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員分析了以下內(nèi)容后將部分地變得顯而易見，或可從本公開內(nèi)容的實(shí)施中獲知。本公開內(nèi)容的優(yōu)點(diǎn)可特別如在所附權(quán)利要求中所指出地那樣實(shí)現(xiàn)和獲得。

根據(jù)本公開內(nèi)容，一些技術(shù)效果可部分地通過(guò)一種制造半導(dǎo)體器件的方法來(lái)達(dá)成，該方法包括：通過(guò)在襯底上形成絕緣層來(lái)形成高k/金屬柵極疊層，以及執(zhí)行相對(duì)(相比于現(xiàn)有技術(shù))高壓和低溫退火工藝來(lái)改善該絕緣層。在一個(gè)實(shí)施例中，該絕緣層可包括諸如HfO2之類的高k介電材料。

圖1-3示出了用于制造具有超薄電容器介電層的電容器的工藝的一些方面，該工藝加入了根據(jù)本公開內(nèi)容的增強(qiáng)型退火工藝。這些示圖是半圖解形式的，并且不成比例，特別是一些尺寸為了呈現(xiàn)清楚而在圖中被放大顯示。類似地，盡管示圖中的視角為了描述方便一般表示近似的方向，但示圖中的這種描繪方式是任意的。一般而言，集成電路可以在任何方向上操作。集成電路的設(shè)計(jì)和構(gòu)成中的許多步驟是眾所周知的，所以為了簡(jiǎn)潔起見，許多常規(guī)步驟在本文中將僅是簡(jiǎn)略地提及或者將完全省略而不提供這些眾所周知的工藝細(xì)節(jié)。此外注意，集成電路包括不同數(shù)目的組件，圖中所示的單個(gè)組件可以代表多個(gè)組件。

現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖1，圖1示出了加入了根據(jù)本公開內(nèi)容的增強(qiáng)型退火工藝的制造工藝可以在襯底102的頂部上形成高k絕緣層104來(lái)開始。襯底102可以是例如半導(dǎo)體工業(yè)中常用的硅材料，例如相對(duì)較純的硅以及混合了諸如鍺、碳等其他元素的硅。替換地，該半導(dǎo)體材料可以是鍺、砷化鎵等。該半導(dǎo)體材料可以被提供為塊半導(dǎo)體襯底，或者可以被提供在絕緣體上硅(SOI)襯底上，SOI襯底包括支撐襯底、該支撐襯底上的絕緣體層、以及該絕緣體層上的硅材料層。此外，襯底102可以是絕緣體上硅(SOI)。在一些示例中，襯底102可包括摻雜外延(epi)層。在其他示例中，襯底102可包括多層化合物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。

在各種實(shí)施例中，襯底102可取決于設(shè)計(jì)要求包括各種摻雜區(qū)域(例如，p型阱或n型阱)。這些摻雜區(qū)域可以摻雜有p型摻雜劑，諸如硼或BF2，和/或n型摻雜劑，諸如磷或砷。這些摻雜區(qū)域可以P阱結(jié)構(gòu)、以N阱結(jié)構(gòu)、以雙阱結(jié)構(gòu)、或者使用凸起結(jié)構(gòu)直接形成在襯底102上。該半導(dǎo)體襯底102還可包括各種有源區(qū)域，諸如配置用于N型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管器件(稱為NMOS)的區(qū)域和配置用于P型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管器件(稱為PMOS)的區(qū)域。例如，襯底102可具有形成用于限定源極區(qū)域和漏極區(qū)域的摻雜區(qū)域和外延層。

如圖所示，絕緣層104可形成在襯底102的頂部上。層104可包括氧化硅、氮氧化硅、氮化硅、原位蒸氣玻璃(ISSG)、旋涂玻璃(SOG)、氟硅玻璃(FSG)、摻碳氧化硅、BLACK(來(lái)自加利福尼亞圣克拉拉的應(yīng)用材料公司)、Xerogel、Aerogel、無(wú)定形氟化碳、Parlyene、BCB(bis-benzocyclobutenes)、SILK^TM(來(lái)自密歇根州米德蘭的陶氏化學(xué)公司)、聚酰亞胺、其他合適的介電材料、或其組合。在一些實(shí)施例中，層104可包括高k材料，諸如HfOx。在這些實(shí)施例中，為了在層104中生長(zhǎng)高k材料，可使用通過(guò)熔爐的快速熱氧化工藝。層104的厚度范圍可以介于0.8和2.0nm之間或者任何其他所期望的范圍。層104在一些實(shí)施例中可能被表征為“超薄”，但這并不一定是唯一的情形

在一些示例中，如圖1中的層104的放大視圖所示，層104可包括在襯底102的上表面頂部上的SiOx層或界面層(IL)108以及在IL 108的頂部上的HK層106。IL 108可包括諸如氮化硅之類的材料，或其他合適的材料，例如氮氧化硅。在一些實(shí)現(xiàn)中，IL 108可通過(guò)氧化通常含有Si的襯底102以獲得SiOx來(lái)生長(zhǎng)。在各種實(shí)施例中，IL 108可通過(guò)任何合適的工藝來(lái)形成，諸如化學(xué)氣相沉積(CVD)、原子層沉積(ALD)、低壓CVD(PCVD)、熱氧化、或者本領(lǐng)域已知的用于形成IL 108的任何其他合適的工藝。在一些實(shí)現(xiàn)中，可例如使用H2SO4與H2O2的混合物對(duì)襯底102執(zhí)行清潔工藝以移除襯底102的上表面上的有機(jī)物。

在一些實(shí)施例中，可使用上述的熱氧化工藝來(lái)生長(zhǎng)HK層106。HK層106中的高k材料可包括介電常數(shù)“k”高于10的材料。各種實(shí)施例中使用的高k材料的示例可包括氧化鉭(Ta2O5)、氧化鍶鈦(SrTiO3)、氧化鉿(HfO2)、氧化鉿硅(HfSiO)、氧化鋯(ZrO2)等。

在形成絕緣層104之后，該制造工藝可行進(jìn)至將層104中的高k材料退火。圖2示出了包含在該制造工藝中的增強(qiáng)型退火工藝的示例。如圖所示，在形成絕緣層104之后，絕緣層104可通過(guò)根據(jù)本公開內(nèi)容的增強(qiáng)型退火工藝暴露于氮?dú)?02。氮?dú)?02的成份可包括75％的氦和25％的氮。氣體202的等離子體氮濃度可在10％至25％之間變化，通過(guò)氦提供平衡。在一些實(shí)現(xiàn)中，可將氮源引入到等離子體中以形成含氮等離子體。在這些實(shí)現(xiàn)中，氮源可包括從由N₂,NH₃,NO,N₂O及其混合物組成的組中選出的材料。根據(jù)本公開內(nèi)容的增強(qiáng)型退火工藝在一些實(shí)施例中可在300℃到500℃之間在15-20個(gè)大氣壓的壓力下執(zhí)行15到50分鐘。

圖3示出了由于根據(jù)本公開的退火工藝的相對(duì)較高壓力所導(dǎo)致的H+擴(kuò)散效果。如圖所示，在根據(jù)本公開內(nèi)容的退火工藝的相對(duì)高壓下，例如相比于通常在環(huán)境大氣下操作的常規(guī)退火工藝，在大于15個(gè)大氣壓下，來(lái)自氣體202的H+302可迅速擴(kuò)散到絕緣層104中的HK層106與IL 108之間的界面、以及IL 108與襯底102之間的界面中。H+302的這種擴(kuò)散可有助于修復(fù)IL 108(例如SiO2且超薄)中的斷裂鍵，有效地降低IL 108的密度并由此改善NBTI。另一方面，在相對(duì)較低的溫度下，例如相比于在700-750℃下操作的常規(guī)退火工藝，在例如300-500℃下，根據(jù)本公開內(nèi)容的增強(qiáng)型退火工藝不會(huì)不利地影響NiSi生長(zhǎng)和/或?qū)?04中注入的離子。

在一些實(shí)現(xiàn)中，根據(jù)本公開內(nèi)容的增強(qiáng)型退火工藝可包括兩個(gè)分開的步驟。在這些實(shí)現(xiàn)中，第一步可包括在相對(duì)較低的溫度下，例如在300-500°C下對(duì)高k材料進(jìn)行氨退火。第二步可包括在相對(duì)較低的溫度下，例如在300-500℃下對(duì)該高k材料進(jìn)行氫(例如，H₂)烘焙。在一些實(shí)現(xiàn)中，氨退火可包括在高壓下(例如，15至20個(gè)大氣壓之間)通過(guò)激光的快速熱退火(RTA)、或者常規(guī)RTA與激光RTA的組合。在一個(gè)實(shí)施例中，該增強(qiáng)型退火工藝在15至20個(gè)大氣壓之間的壓力下在400℃

如貫穿本申請(qǐng)的各個(gè)部分所解釋的，本發(fā)明的實(shí)施例相比于現(xiàn)有技術(shù)和方法可提供許多優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)領(lǐng)會(huì)，本發(fā)明的各實(shí)施例與現(xiàn)有系統(tǒng)和工藝相兼容。例如，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例所描述的成型腔可使用現(xiàn)有裝備來(lái)制造。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的成型腔可易于用來(lái)制造諸如CMOS、PMOS、NMOS等各種類型的器件。

盡管上文是對(duì)特定實(shí)施例的全面描述，但是也可使用各種變型、替換構(gòu)造和等效方案。除了上述內(nèi)容之外，還存在其他的實(shí)施例。因此，上述描述和說(shuō)明不應(yīng)當(dāng)被解釋為限制由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的范圍。