[發(fā)明專利]作為高K SiO2柵極疊層上的熱穩(wěn)定P型金屬碳化物的TiC

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200580046522.4
• 申請日: 2005-12-02
• 公開（公告）號: CN101443918A
• 公開（公告）日: 2009-05-27
• 發(fā)明（設(shè)計）人: A·C·卡勒伽里;M·A·格里伯佑;D·L·拉賽;F·R·麥克菲力;K·L·森格爾;S·扎法爾
• 申請（專利權(quán)）人: 國際商業(yè)機器公司
• 主分類號: H01L29/94
• 分類號: H01L29/94;H01L29/76;H01L31/062;H01L31/113;H01L31/119
• 代理公司: 北京市中咨律師事務(wù)所
• 代理人: 于 靜;劉瑞東

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明通常涉及半導(dǎo)體器件及其制造方法，更具體地說，本發(fā)明涉及包括在高介電常數(shù)、K/界面層疊層上的熱穩(wěn)定P型金屬碳化物的互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)器件，本發(fā)明還提供可以與COMS工藝流程相結(jié)合的用于形成熱穩(wěn)定P型金屬碳化物的工藝。

背景技術(shù)

在標(biāo)準(zhǔn)COMS器件中，多晶硅是典型的標(biāo)準(zhǔn)柵極材料。使用多晶硅柵極制造CMOS器件的技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入穩(wěn)定發(fā)展的狀態(tài)，現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)。使用多晶硅柵極的一個優(yōu)點是其可以保持高溫，但是相應(yīng)地使用多晶硅柵極還存在一些問題。例如，由于多晶耗盡效應(yīng)和相對高的表面電阻(約150Ohms/Sq)，COMS器件中常用的多晶硅柵極成為溝道長度為0.1及小于0.1微米芯片性能的瓶頸因素。多晶硅柵極的另一個問題是多晶硅柵極中諸如硼的摻雜劑可以通過薄柵極介質(zhì)容易地擴散，引發(fā)器件性能的進(jìn)一步下降。

為了避免多晶硅柵極帶來的問題，建議使用單一金屬代替多晶硅柵極。雖然提出了這樣的技術(shù)，但是單一金屬在高K(介電常數(shù)大于約4.0)/界面層?xùn)艠O疊層上不是熱穩(wěn)定的。例如，鎢(W)、錸(Re)在1000℃時有穩(wěn)定性問題。鎢在1000℃退火5秒鐘之后會顯示出界面二氧化硅4-?的再生長，限制器件的縮放，并且錸在高K柵極疊層上不穩(wěn)定，導(dǎo)致器件性能(遷移率)的下降。參見例如A.Callegari等人的IEDM?2004，825頁，加州三藩市，2004年12月13-15日和Narayanan等人的VLSI?Digest?2004，夏威夷，2004年6月。

在自對準(zhǔn)的金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)中激活源極/漏極注入要求在1000℃下的穩(wěn)定性。同樣，據(jù)報道，當(dāng)執(zhí)行高溫退火時可得到高的電子遷移率。參見，例如，A.Callegari等人的IEDM?2004，825頁，加州三藩市，2004年12月13-15日。諸如TiN的金屬氮化物已被廣泛地用來提高金屬/高k熱穩(wěn)定性。然而，多數(shù)關(guān)于TiN的公開資料表明TiN是一種中間能隙材料，其限制器件性能。

由于上述原因，需要提供一種在包括高k介質(zhì)的柵極疊層上熱穩(wěn)定的新的金屬化合物。特別地，需要提供一種在pFET器件中有用的新的金屬化合物。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了一種包括TiC的新的金屬化合物，所述金屬化合物具有約4.75到約5.3，優(yōu)選約5電子伏特的功函數(shù)的P型金屬，并在包括高k介質(zhì)和界面層的柵極疊層上熱穩(wěn)定。另外，本發(fā)明的TiC金屬化合物在1000℃下是非常有效的氧擴散阻擋，在p型金屬氧化物半導(dǎo)體(pMOS)器件中允許非常活躍(aggressive)的等效氧化物厚度(EOT)和反型層厚度的范圍低于14埃。

概括地說，本發(fā)明提供了一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，即膜疊層，該結(jié)構(gòu)包括：

含硅半導(dǎo)體襯底；

所述半導(dǎo)體襯底上的包括SiO₂的界面層，所述界面層具有從0.1到5nm的厚度，并且具有低于1×10¹¹電荷/cm²的低界面狀態(tài)；

所述界面層上的高k介質(zhì)，所述高k介質(zhì)包括HfO₂、硅酸鉿或者鉿硅氮氧化物；以及

所述高k介質(zhì)上的TiC柵極金屬，其中所述TiC的功函數(shù)在4.75到5.3eV之間。

另外，本發(fā)明提供了一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括：

半導(dǎo)體襯底，以及

構(gòu)圖柵極區(qū)域，包括在部分所述襯底上的至少一個界面層，在所述界?面層上的高k介質(zhì)，和在所述高k柵極介質(zhì)上的TiC金屬化合物。

除了上述膜疊層和所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，本發(fā)明還提供了一種制造TiC金屬化合物的方法，該方法包括：

提供Ti靶和包括Ar和用He稀釋的碳源的氣氛；并且，

在所述氣氛中從所述Ti靶濺射TiC膜。

本發(fā)明還提供了一種制造上述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，其中應(yīng)用了用于形成TiC膜的本發(fā)明的工藝。概括地說，所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)這樣形成：在襯底表面上形成包括SiO₂的界面層；在所述界面層上形成高k介質(zhì)，所述高k介質(zhì)包括HfO₂、硅酸鉿或者鉿硅氮氧化物；在所述高k介質(zhì)上形成TiC膜，其中通過提供Ti靶和包括Ar和用He稀釋的C源的氣氛形成所述TiC膜，并且在所述氣氛中從所述Ti靶濺射TiC膜；以及對所述界面層、高k介質(zhì)和TiC膜的疊層進(jìn)行在N₂氣中、1000℃下的快速熱退火和在450℃下的形成氣體退火，以使所述界面層具有低于1×10¹¹電荷/cm²的低界面狀態(tài)。