[發(fā)明專利]形成半導(dǎo)體器件的方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201280060379.4
• 申請日: 2012-12-06
• 公開（公告）號: CN103975423A
• 公開（公告）日: 2014-08-06
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 中村源志;長谷川敏夫
• 申請（專利權(quán)）人: 東京毅力科創(chuàng)株式會社
• 主分類號: H01L21/322
• 分類號: H01L21/322
• 代理公司: 北京集佳知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11227
• 代理人: 顧晉偉;彭鯤鵬

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及半導(dǎo)體處理，更具體地涉及用于等離子體處理含金屬柵電極膜以調(diào)節(jié)含金屬柵電極膜的功函數(shù)的方法。

背景技術(shù)

在半導(dǎo)體工業(yè)中，微電子器件的最小特征尺寸接近深亞微米范圍以滿足對更快、更低功率的微處理器和數(shù)字電路的需求。Si基微電子技術(shù)目前面臨重大材料挑戰(zhàn)以實(shí)現(xiàn)集成電路器件的進(jìn)一步小型化。已經(jīng)服務(wù)于該行業(yè)幾十年的包含SiO₂柵極電介質(zhì)和簡并摻雜的多晶Si柵電極的柵極堆疊體將被具有較高電容的柵極堆疊體取代。

稱為高k材料(其中“k”是指材料的介電常數(shù))的高電容材料的特征為介電常數(shù)大于SiO₂的介電常數(shù)(k為約3.9)。此外，高k材料可以指被沉積到襯底上的電介質(zhì)材料(例如，HfO₂、ZrO₂)而不是生長在襯底的表面上的電介質(zhì)材料(例如，SiO₂、SiO_xN_y)。高k材料可以例如結(jié)合金屬硅酸鹽或金屬氧化物(例如，Ta₂O₅(k為約26)、TiO₂(k為約80)、ZrO₂(k為約25)、Al₂O₃(k為約9)、HfSiO(k為約5至25)和HfO₂(k為約25))。

除柵極電介質(zhì)層之外，柵電極層也表現(xiàn)出對于進(jìn)一步縮放微電子器件的重大挑戰(zhàn)。引入含金屬柵電極以取代傳統(tǒng)的摻雜的多晶Si柵電極可以帶來一些優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)包括消除了多晶Si柵極耗盡效應(yīng)、降低薄層電阻、對先進(jìn)高k電介質(zhì)材料的更好的可靠性和潛在更好的熱穩(wěn)定性。在一種實(shí)施例中，從多晶Si轉(zhuǎn)換到含金屬柵電極可以在柵極堆疊體的有效厚度或電厚度方面實(shí)現(xiàn)2埃至3埃的改進(jìn)。發(fā)生這種改進(jìn)很大程度上是由于完全消除了多晶Si與其他材料在界面處耗盡的問題。

功函數(shù)、電阻率和與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)技術(shù)的相容性是對于新柵電極材料的關(guān)鍵參數(shù)。含金屬柵電極的材料選擇標(biāo)準(zhǔn)之一為功函數(shù)是可調(diào)的。材料的功函數(shù)是將電子從固體中移動到固體表面緊接的外部的點(diǎn)所需的最小能量。正溝道金屬氧化物半導(dǎo)體(PMOS)和負(fù)溝道金屬氧化物半導(dǎo)體(NMOS)晶體管的柵電極需要用于柵電極的不同柵極材料以實(shí)現(xiàn)可接受的閾值電壓；后者具有接近硅價帶的費(fèi)米能級(E為約4eV)，前者具有接近導(dǎo)帶的費(fèi)米能級(E為約5.1eV)。

先前已經(jīng)研究了將摻雜劑離子(例如，氮離子)高能注入到柵極堆疊體中的金屬柵電極層中以降低功函數(shù)。然而，包括將金屬層暴露于高能離子的離子注入方法可能損壞柵極堆疊體，例如，導(dǎo)致電介質(zhì)層的充電損壞，其可以增加漏電流和電介質(zhì)層的可靠性。由于暴露于高能離子的充電損壞預(yù)計隨著最小特征尺寸的變小以及形成柵極堆疊體的不同材料層的變薄而增加。因此，需要用于處理柵極堆疊體的新方法，特別是需要用于調(diào)整柵極堆疊體的功函數(shù)的新方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的實(shí)施方案提供了一種用于制造包括具有可調(diào)功函數(shù)的含金屬柵電極膜的半導(dǎo)體器件的方法。

根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施方案，該方法包括：在處理室中在襯底上提供含金屬柵電極膜；向處理室中流入由氫氣(H₂)和任選的稀有氣體組成的處理氣體；通過微波等離子體源由處理氣體形成等離子體激發(fā)物質(zhì)；以及將含金屬柵電極膜暴露于等離子體激發(fā)物質(zhì)以形成改性含金屬柵電極膜，該改性含金屬柵電極膜的功函數(shù)低于含金屬柵電極膜的功函數(shù)。

根據(jù)另一實(shí)施方案，該方法包括：在處理室中在襯底上提供含金屬柵電極膜；通過微波等離子體源由第一處理氣體形成第一等離子體激發(fā)物質(zhì)；以及將含金屬柵電極膜暴露于第一等離子體激發(fā)物質(zhì)以形成第一改性含金屬柵電極膜和未改性含金屬柵電極膜。該方法還可以包括：通過微波等離子體源由第二處理氣體形成第二等離子體激發(fā)物質(zhì)；以及將未改性含金屬柵電極膜暴露于第二等離子體激發(fā)物質(zhì)以形成第二改性含金屬柵電極膜。

附圖說明

在附圖中：

圖1A至圖1D示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的形成包含改性含金屬柵電極的柵極堆疊體的方法的橫截面圖；

圖2是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的用于形成包含改性含金屬柵電極的膜結(jié)構(gòu)的方法的流程圖；

圖3A至圖3E示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的形成包含改性含金屬柵電極的柵極堆疊體的方法的橫截面圖；

圖4是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的用于形成包含改性含金屬柵電極的柵極堆疊體的方法的流程圖；