[發明專利]用于重置柵極晶體管中功函數調節的碳注入

有效

• 申請號: 201210383534.8
• 申請日: 2012-10-11
• 公開（公告）號: CN103107092B
• 公開（公告）日: 2017-09-29
• 發明（設計）人: 郭德超;漢述仁;黃洸漢;袁駿
• 申請（專利權）人: 國際商業機器公司
• 主分類號: H01L21/336
• 分類號: H01L21/336;H01L29/78
• 代理公司: 北京市金杜律師事務所11256
• 代理人: 陳文平

技術領域：

本發明的示例性實施方式總體涉及半導體器件及制造技術，更具體地涉及使用本體或絕緣體上硅(silicon-on-insulator)(SOI)襯底制造半導體晶體管器件、例如用于隨機存取存儲器(RAM)和邏輯電路的場效應晶體管(FET)，還涉及重置(replacement)柵極工藝和將碳(C)離子注入半導體器件。

背景技術：

為了努力避免多晶硅柵極的一些缺點，已經開發出了重置鑲嵌金屬柵極工藝。與傳統工藝一樣，鑲嵌金屬柵極工藝形成具有源極、漏極、間隔體等的一次性(虛設)柵極的器件。一次性柵極和電介質被刻蝕掉，暴露出原始柵極氧化物。一次性多晶硅柵極然后被金屬柵極取代，以獲得金屬材料提供的較低電阻率。作為一個非限制性實例，關于重置柵極工藝通常引用共同轉讓的美國專利號：7,091,118B1，“具有富金屬硅層的重置金屬柵極晶體管及其形成方法(Replacement Metal Gate Transistorwith Metal-Rich Silicon Layer and Method of Forming Same)”，James Pan，John Pellerin，Linda R.Black，Michael Chudzik和Rajarao Jammy。

在絕緣體上硅(SOI)技術中，薄的硅層形成于絕緣體層(例如二氧化硅)上，所述絕緣體層轉而形成于本體襯底上。絕緣體層通常被稱作隱埋氧化物(BOX)層或簡單稱作BOX。通過向薄的硅層內添加N型和/或P型摻雜材料形成場效應晶體管(FET)的源極和漏極，并在源極和漏極間設置有通道區域。

實現利用縮放(降低的)Vdd值操作的晶體管的低閾值電壓(Vt)，是令人期望的。

概述

根據本發明的示例性實施方式，本發明提供了制造結構的方法。該方法包括提供含有半導體層并在所述半導體層上設置有絕緣體層的晶片。絕緣體層具有在其中設置的開口，以暴露半導體層的表面，其中每個開口對應于將會成為設置在柵極堆疊下的半導體層中的晶體通道的位置。該方法還包括沉積至少一層以覆蓋半導體層的暴露表面；通過所述至少一層注入碳以在半導體層的上部形成碳注入區域，該碳注入區域具有選擇的碳濃度以建立晶體管的閾值電壓。

根據本發明的示例性實施方式，還提供了一種方法，該方法包括提供含有半導體層并在所述半導體層上設置有絕緣體層的晶片。絕緣體層具有在其中設置的開口，以暴露半導體層的表面，其中每個開口對應于將會成為設置在柵極堆疊下的半導體層中的晶體通道的位置。該方法還包括沉積高介電常數柵極絕緣體層以覆蓋半導體層的暴露表面和絕緣體層的側壁；在高介電常數柵極絕緣體層上面沉積柵極金屬層；并通過柵極金屬層和下面的高介電常數柵極絕緣體層注入碳以在半導體層的上部形成碳注入區域，該碳注入區域具有選定的碳濃度以建立晶體管的閾值電壓。

根據本發明的示例性實施方式，還提供了晶體管，其包括半導體主體，在該半導體主體中形成有通道；設置在通道的上部表面上的高介電常數柵極絕緣體層；設置在高介電常數柵極絕緣體層上的柵極金屬層。通道包含通過柵極金屬層、高介電常數柵極絕緣體層和表面注入的碳以在通道的上部形成碳注入區域，該碳注入區域具有基本上均勻的選定的碳濃度以建立晶體管的閾值電壓。

幾個附圖視圖的簡述

圖1A-1D，全體地作為圖1，每一個顯示了SOI晶片的一部分的橫截面的放大視圖(不按比例)，描述了順次完成晶體管加工和制造步驟的執行，其中：

圖1A顯示了初始的晶片結構，其包括半導體襯底，電絕緣體層隱埋氧化物(BOX)層，SOI層，淺溝槽隔離(STI)和圖案化絕緣體如中段(middle-of-line)(MOL)絕緣體；

圖1B顯示的是高介電常數(高-k)柵極絕緣體層的非圖案化沉積的結果；

圖1C顯示的是直接沉積在非圖案化高-k電介質層的頂部表面的非圖案化柵極金屬層的沉積結果；以及

圖1D顯示將碳選擇性地注入到將要成為一個晶體管通道的區域。

圖2顯示可選工藝的實施方式，其中碳注入是在柵極絕緣沉積步驟之前通過將碳注入穿過屏蔽氧化保護層來進行的。

圖3顯示的是反向偏置體效應(reverse bias body effect)對Vt飽和度(Vtsat)的圖，其中實心圓對應于碳摻雜，空心圓對應于沒有碳摻雜。

圖4描繪的是碳量與有效功函數(eV)的圖。

詳細說明