[發(fā)明專利]半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其形成方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201010205178.1
• 申請(qǐng)日: 2010-06-13
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101930996A
• 公開(kāi)（公告）日: 2010-12-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 安藤崇志;崔暢桓;M·M·弗蘭克;V·納拉亞南
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司
• 主分類號(hào): H01L29/49
• 分類號(hào): H01L29/49;H01L29/78;H01L21/28;H01L21/336
• 代理公司: 北京市中咨律師事務(wù)所 11247
• 代理人: 于靜;楊曉光

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明一般涉及半導(dǎo)體器件，特別地，涉及在高k柵極電介質(zhì)之上的電極中包括的金屬柵極疊層及其制造方法。

背景技術(shù)

柵極電介質(zhì)的按比例縮小是改善先進(jìn)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的性能的一個(gè)挑戰(zhàn)。在采用基于氧化硅的柵極電介質(zhì)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管中，通過(guò)柵極電介質(zhì)的泄露電流隨著柵極電介質(zhì)的厚度的減小而呈指數(shù)級(jí)增大。在氧化硅柵極電介質(zhì)的厚度等于或小于1.1nm時(shí)，這樣的器件典型地變得泄露過(guò)多而不能提供高性能。

高k電介質(zhì)提供了一種按比例縮小柵極電介質(zhì)的厚度的方式而不引起柵極泄露電流的過(guò)度增大。然而，由于高k柵極電介質(zhì)材料與通過(guò)柵極電極或柵極分隔物而擴(kuò)散的氧反應(yīng)，高k柵極電介質(zhì)材料的有效氧化物厚度(EOT)容易改變。在高溫處理步驟期間硅襯底與高k柵極電介質(zhì)之間的氧化硅界面層的再生長(zhǎng)是成功地按比例縮小有效氧化物厚度的主要障礙。特別地，公知高k柵極電介質(zhì)和金屬柵極的典型疊層容易受到氧環(huán)境中的高溫退火的影響。這樣的氧環(huán)境中的高溫退火導(dǎo)致氧化硅界面層的再生長(zhǎng)并導(dǎo)致場(chǎng)效應(yīng)晶體管的閾值電壓不穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供一種高k柵極電介質(zhì)和金屬柵極結(jié)構(gòu)的疊層，其包括下金屬層、清除金屬層(scavenging?metal?layer)以及上金屬層。該清除金屬層滿足以下兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：1)其中反應(yīng)Si+2/y?M_xO_y→2x/y?M+SiO₂的吉布斯自由能變化(Gibbs?free?energy?change)為正性的金屬(M)，2)其用于形成氧化物的每氧原子吉布斯自由能與下金屬層的材料和上金屬層的材料相比負(fù)性更強(qiáng)的金屬。當(dāng)氧原子通過(guò)柵極電極而朝向高k柵極電介質(zhì)擴(kuò)散時(shí)，滿足這些標(biāo)準(zhǔn)的清除金屬層俘獲這些氧原子。另外，清除金屬層遠(yuǎn)程地減小位于高k電介質(zhì)下方的氧化硅界面層的厚度。結(jié)果，減小了整個(gè)柵極電介質(zhì)的等效氧化物厚度(EOT)，并且即使在CMOS集成期間的高溫處理之后，場(chǎng)效應(yīng)晶體管仍保持恒定的閾值電壓。

根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其包括：包含半導(dǎo)體材料的半導(dǎo)體襯底；柵極電介質(zhì)，其包括具有大于7.5的介電常數(shù)的高介電常數(shù)(高k)電介質(zhì)層且位于所述半導(dǎo)體襯底上；以及柵極電極，其鄰接所述柵極電介質(zhì)且包括鄰接所述柵極電介質(zhì)的下金屬層、鄰接所述下金屬層的清除金屬層以及鄰接所述清除金屬層的上金屬層，其中所述清除金屬層包括這樣的金屬(M)，其中反應(yīng)Si+2/y?M_xO_y→2x/y?M+SiO₂的吉布斯自由能變化為正性，并且其中用于形成該金屬的氧化物的每氧原子吉布斯自由能的負(fù)性等于或大于用于形成在所述下金屬層中的第一金屬化合物內(nèi)的第一元素金屬的氧化物的每氧原子吉布斯自由能的負(fù)性且等于或大于用于形成在所述上金屬層中的第二金屬化合物內(nèi)的第二元素金屬的氧化物的每氧原子吉布斯自由能的負(fù)性。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種形成半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，其包括：在半導(dǎo)體襯底上形成柵極電介質(zhì)，所述柵極電介質(zhì)包括具有大于7.5的介電常數(shù)的高介電常數(shù)(高k)電介質(zhì)層；形成疊層，所述疊層從下到上包括下金屬層、清除金屬層和上金屬層，其中用于形成所述清除金屬層的氧化物的每氧原子吉布斯自由能的負(fù)性等于或大于用于形成在所述下金屬層中的第一金屬化合物內(nèi)的第一元素金屬的氧化物的每氧原子吉布斯自由能的負(fù)性和用于形成在所述上金屬層中的第二金屬化合物內(nèi)的第二元素金屬的氧化物的每氧原子吉布斯自由能的負(fù)性；以及形成柵極電極和柵極電介質(zhì)，其中通過(guò)構(gòu)圖所述疊層而形成所述柵極電極，并且其中所述柵極電介質(zhì)包括部分所述高k電介質(zhì)層。

附圖說(shuō)明

圖1是根據(jù)本發(fā)明在形成高k電介質(zhì)層、下金屬層、清除金屬層、上金屬層和多晶半導(dǎo)體層之后的第一示例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的垂直截面圖；

圖2是根據(jù)本發(fā)明在構(gòu)圖柵極電介質(zhì)和柵極電極之后的第一示例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的垂直截面圖；

圖3是在形成柵極分隔物以及源極和漏極擴(kuò)展區(qū)之后的第一示例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的垂直截面圖；

圖4是在形成硅化物區(qū)、電介質(zhì)材料層和接觸過(guò)孔之后的第一示例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的垂直截面圖；

圖5是示出在各種金屬的氧化期間吉布斯自由能的變化量的圖；以及

圖6是示出在四種類型的金屬柵極電極的情況下電容隨著柵極電壓變化的圖。

具體實(shí)施方式

如上所述，本發(fā)明涉及在高k柵極電介質(zhì)之上的電極中所包括的金屬柵極疊層及其制造方法，下面將參考附圖對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)描述。注意，通過(guò)相同的參考標(biāo)號(hào)表示相同的或?qū)?yīng)的要素。附圖未按比例繪制。