[發明專利]在半導體器件中形成高K柵極疊層的方法

有效

• 申請號: 200910220830.4
• 申請日: 2009-11-06
• 公開（公告）號: CN101752237A
• 公開（公告）日: 2010-06-23
• 發明（設計）人: A·庫利奧尼;C·A·皮涅多利;W·安得烈奧尼
• 申請（專利權）人: 國際商業機器公司
• 主分類號: H01L21/283
• 分類號: H01L21/283;H01L21/336
• 代理公司: 北京市中咨律師事務所 11247
• 代理人: 于靜;楊曉光

技術領域

本發明一般涉及形成半導體器件中的高K柵極疊層。更具體地，提供 了用于形成MOSFET器件的高K柵極層疊的方法，以便控制MOSFET 閾值電壓。優選實施例提供閾值電壓控制以及改善的溝道載流子遷移率。

背景技術

金屬氧化物半導體(MOS)器件成為在最現代的集成電路中所采用的 CMOS(互補金屬氧化物半導體)邏輯的基礎。CMOS技術采用以互補方 式共同布線的nMOS(n溝道)和pMOS(p溝道)場效應晶體管(FET)。 這種MOSFET的柵極結構形成為層結構，或者說“疊層”，其中在半導 體(典型地為硅)襯底上形成電介質材料的一個或多個層，然后在電介質 上形成柵極電極。早期的器件使用SiO₂作為柵極電介質，并使用多晶硅作 為柵極電極。然而，隨著特征尺寸減小以滿足按比例縮小的要求，氧化物 厚度的減小導致由直接隧穿引起的顯著的柵極氧化物漏電流。為了糾正新 一代VLSI(超大規模集成)的該問題，已利用介電常數比SiO₂更高的材 料來替代柵極電介質。這樣的“高K”電介質由此具有高于3.9的介電常 數，且通常顯著高于該值。例如，認為K＝5為中度的高，認為K＝20為極 高。用于柵極電介質的高K材料為金屬氧化物，典型地為HfO₂或HfOSi。 在有關研發中，為了與高K電介質更相適應，已用金屬柵極電極來替代多 晶硅柵極電極。

如在Callegari等人的“Low?Tinv(≤1.8nm)Metal-Gated?MOSFETs?on SiO₂?Based?Gate?Dielectrics?for?High?Performance?Logic?Applications”，Int. Conf.SSDM，Sept?16-18，Tokyo，Japan?2003中所討論的，與多晶硅/SiO₂ 柵極疊層相比，在Si襯底上形成的金屬/高K柵極疊層的電子遷移率顯著 降低。該遷移率降低導致遠程光子散射(參見M.V.Fischetti等人的 “Effective?electron?mobility?in?Si?inversion?layers?in?MOS?systems?with?a high-k?insulator：The?role?of?remote?phonon?scattering”，J.Appl.Phys.90， 4587(2001))或者導致遠程電荷散射(參見M.Hiratani等人的“Effective Electron?Mobility?Reduced?by?Remote?Charge?Scattering?in?High-K?Gate Stacks，JJAP?Vol.41，p.4521，(2002))。為了解決該問題，在A.Callegari 等人的“Charge?trapping?related?threshold?voltage?instabilities?in?high permittivity?gate?dielectric?stacks”，J.Appl.Phys.99，023079(2006)中提出 了嘗試方式。該文獻提出使用濃度朝向硅溝道漸變的HfO₂疊層。該技術 使得器件具有良好的電特性，尤其是良好的溝道遷移率，但導致器件閾值 電壓的過大漂移。在V.Narayanan等人的“Band-Edge?High-Performance High-k/Metal?Gate?n-MOSFETs?using?Cap?Layers?Containing?Group?IIA and?IIIB?Elements?with?Gate-First?Processing?for?45nm?and?Beyond”， VLSI?Symposium，June?2006中給出了對解決該附加問題的嘗試方式。該 文獻提出了附圖的圖1中所示例的柵極疊層結構。具體地，在HfO₂電介 質的頂上且在金屬柵極下面添加氧化鑭層。這僅僅對nFET器件，而未對 pFET器件，改善了閾值電壓漂移。另外，新層的引入導致溝道中的遷移 率的顯著降低。解決金屬/高K柵極疊層中的遷移率問題的其他嘗試提出了 使用鉿硅酸鹽材料來減少光子散射并從而改善遷移率。然而，這些硅酸鹽 材料具有比HfO₂(K～20)低的介電常數(K～12)，由此限制器件的按比 例縮小能力。具體地，小于23的硅酸鹽材料層似乎難于實現，而在 Callegari等人的上述2003年的文獻中實現了約12的HfO₂層。